캐패시터(Capacitor)

캐패시터 기초 개념

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1. 캐패시터(Capacitor) - 기초 개념 전자 부품 찔러보기, 그 첫 번째로 캐패시터입니다. 캐패시터, 저를 비롯한 공돌이들에겐 일본식 이름인 콘덴서가 더 익숙하기도 하죠. 캐패시터는 저항과 함께 전자 회로 구성에 있어 필수적인 부품입니다. 또한 전자 부품 중에 가장 광활한 스펙트럼을 가지고 있어 캐패시터의 종류를 늘어놓는 것 만으로 종이 한 장을 가볍게 채울 수 있을 정도죠. 그 많은 가능성 중에 하나만을 선택해야 하는 사용자의 입장에서는 어지럽기가 이를데 없습니다만, 그만큼 다양한 수요를 불러일으킬 만큼 중요한 부품이란 뜻도 되겠습니다. 우선 기본 원리부터 짚어보고 차차 개별 부품에 대해 소개해보도록 하겠습니다. 보통 전기에서는 전하의 흐름으로 에너지가 전달됩니다. 배터리 + 단자 에서 나온 양전하가 도선을 타고 부하를 통과하여 - 단자로 들어갑니다. 이 때 얼마나 높은 전위에서 얼마나 많은 전류(I=q/t)가 흘렀냐에 따라서 소모한 총 에너지가 결정됩니다(W=V*I*t). 전기 개념이 명확하지 않은 분들을 위해 중력장의 개념으로 다시 보면, 질량(전하량)을 가진 물체가 얼마나 높은데서 아래로 떨어졌는가(전위차), 얼마나 많은 양이 떨어졌는가(전류량) 에 따라서 총 에너지 소모가 결정됩니다. 물리를 충실히 공부하신 분이라면 확실히 이해하고 계시겠지만, 저같은 날라리 학생은 이런 개념이 학부 졸업하고 나서야 알 듯 말 듯하더군요. ^^; 전하의 흐름에 의한 에너지는 때때로 다른 형태의 에너지로 전환되기도 합니다. 그 중 하나가 바로 전기장입니다. 물리에서는 전하에 전기력을 미치게 하는 공간을 전기장으로 정의하는데요, 회로 레벨에서는 전위차가 다른 두 도체 사이에는 형성되는 에너지장 정도로 이해하셔도 됩니다. 수식을 들여다 보고 싶지 않은 분들은 전기장의 세기는 두 도체의 그 거리가 가까울수록 또 전위차가 클수록 커진다는 정도 만이라도 기억해 두세요. 그리고 나서 물리의 대원칙인 에너지 보존 법칙을 상기하시고, 전기장이 커진다는 것은 다른 형태의 에너지가 감소한다는 것을 의미함을 다시 한번 되새기시기 바랍니다. 캐패시턴스는 (일정 전압차에 대해) 전기장의 형태로 축적할 수 있는 에너지량으로 정의됩니다. 따라서 같은 전압에서 보다 강한 전기장을 만들 수 있다면 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 것이고, 캐패시턴스가 크다고 말할 수 있는 것이죠. 기본적으로, 전위가 다른 두 도체가 있고 그 거리가 유한하다면 전기장이 생성될 수 있는 조건이 됩니다. 어디서나 볼 수 있는 전깃줄 (파워라인,이어폰줄..등등)에도 두 선이 있고 또 가까이 있기 때문에 전기장이 형성되고 (그 크기가 작기 때문에 일반적인 경우 가볍게 무시해버릴 수 있기는 합니다만) 따라서 캐패시턴스가 생깁니다. 이러한 전기장이 생성 될 수 있는 조건을 극대화 하여 실용적으로 그 효과를 즐길 수 있을만큼 커다란 캐패시턴스를 갖도록 만든 것이 바로 캐패시터 입니다. 1
캐패시터는 보다 넓은 영역에 걸쳐 강한 전기장이 생성되도록 넓은 금속판을 가까이 하여 만들죠. 이 금속판 사이에 어떤 물질을 넣으면 극성을 가진 내부의 분자가 정렬하여 전기장이 강해지고 따라서 캐패시턴스가 더 커지기도 합니다. 그러한 물질을 유전체라 하고, 또 정렬이 잘되는 정도를 유전율이라는 지표를 사용하여 나타냅니다. 이제 정의는 대충 정리가 된 것 같고, 이해를 돕기 위해 간단한 예시를 통해 캐패시터의 여러 특성들에 대하여 살펴보도록 합시다. 우선 캐패시터에 직류 전압을 가해보죠. 캐패시터의 +단자는 0v 이고 전압 소스는 5v 입니다. 따라서 전압 소스로부터 전하가 흘러나와 (전류가 흘러) 캐패시터 양단에서 +전하 -전하 페어로 전기장을 만듭니다. 전하가 흘러들어옴에 따라 이 전기장은 점차 강해지다가 캐패시터 양단의 전압과 전압소스의 전압이 같아지는 시점에서 캐패시터의 충전이 완료됩니다. 전기장을 만든다는 것은 전하가 축적된다는 뜻이기도 하죠. 따라서 캐패시터를 간단히 전하를 충전하는 장치라고 보셔도 됩니다. 이때 접지로 연결 된 부분을 다른 전위로 바꾸면 어떻게 될까요? 2
터미널간의 전압이 바뀐다고 캐패시터사이에 형성된 전기장이 순간적으로 바뀔 수는 없습니다.(전하는 생성되거나 소멸되지 않습니다) 따라서 접지가 7v 가 된 순간 같은 전기장을 유지하기 위해 캐패시터의 + 단자는 12v 가 됩니다. 그러나 12v 는 전원 전압의 5v 와 전압차이가 나기 때문에, 전하들이 빠져나가 전기장이 차차로 약해지고 0을 거처 결국 전기장이 -가 됩니다. +단자는 다시 5v 로 돌아오게 되죠. 즉 생성된 전기장(전하량)은 순간적으로 변할 수 없기 때문에 한 쪽 단자의 전압이 빨리 변하면 그 영향이 다른쪽 단자에도 크게 미치나 천천히 변하면 다른쪽 단자 전압에 대한 영향이 약해집니다. 여기서 캐패시터의 특성 하나를 정리할 수 있습니다. 캐패시터는 회로 기호에서 볼 수 있듯이 양단 간에 직접 도선으로 연결되지 않았습니다. 따라서 아주 긴 시간 단위에서 보면 한쪽 단자의 전압이 다른 한쪽 단자에 영향을 전혀 주지 않습니다. 반대로 아주 짧은 시간 단위에서 보면 전기장이 연속성을 유지하기 때문에 한쪽 단자의 전압의 변화가 그대로 다른 한쪽 단자의 전압을 결정합니다. 이러한 특성을 전기의 흐름을 얼마나 방해하느냐라는 저항의 관점에서 보면, 캐패시터의 저항은 DC (0Hz) 에서 무한대이고 주파수가 높아질수록 작아진다고 볼 수 있습니다. 캐패시터의 양단에 step 입력을 주고 그때의 전류와 전압 관계를 보겠습니다
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캐패시터에 전류를 넣어주면 전하가 쌓이면서 전기장이 생성되고 그에 따라 캐패시터 양단의 전압이 올라갑니다. 전류를 끊으면 전하가 유지되어 전기장이 그대로며 그에 따라 전압도 고정됩니다. 그 다음 예를 봅시다. 캐패시터에 전압을 가해주면 그에 맞는 전기장을 유도하기 위해 순식간에 많은 전류가 흘러 캐패시터에 전하가 축적됩니다. 저항이 0 인 이상적인 전원을 연결할 경우 순간적으로 흐르는 전류는 무한대가 됩니다. 위의 예시에서는 1m옴의 출력 저항을 갖는 전원 소스를 연결하여 전류가 무한대 까지는 올라가지 않도록 하였으나 그럼에도 1KA 에 가까운 엄청난 전류가 흘렀군요. 마지막으로 간단한 팁하나 소개하겠습니다. 캐패시터가 잔뜩 들어간 회로를 분석하려면 가끔 정신이 혼미해지는 경우가 있는데 그럴 때 캐패시터를 등가저항 값으로 바꾸어보는 것도 회로 이해에 많은 도움이 됩니다. DC 에서 회로가 어떻게 동작하는지 살펴보려면 캐패시터를 깨끗히 다 지워버리고 보시고(저항이 무한대이므로), 어떤 주파수에서 동작을 보려면 그 주파수에서의 캐패시터의 저항값(1/jwC)을 구하여 넣은 다음 살펴보세요. 오늘은 이상적인 캐패시터에 대하여 이야기 하였습니다. 요약하면, 1. 캐패시터는 전기장으로 에너지를 저장하는 소자다. 2. 전기장은 시간에 대해서 연속이다. (전하가 빠져나간뒤에야(전류가 흐른뒤에야) 전기장이 바뀔수 있습니다) 3. 같은 캐패시턴스에서 전기장은 전압에 비례한다. 따라서 캐패시터 양단의 전압도 시간에 대하여 연속이다. 4
너무나 당연한 이야기만 늘어 놓아 지루한 분들도 계셨을 것 같습니다. 관련 업무를 하다보니 이런 기초적인 이론은 단순히 공식을 암기하는 것을 넘어 완전히 체화하는 것이 무엇보다도 중요하게 생각되더군요. 그래서 빈약하기 짝이 없는 물리 지식을 가지고 떠들어 봤는데 말이 되는 소리를 한건지 자신이 없네요.-.- 적어도 V=IR 을 바라보며 전자의 흐름을 느낄 수 있어야 진정한 전자 엔지니어라고 부를 수 있지 않을까 합니다. ^^;; 다음엔 실제의 캐패시터는 어떤 한계를 갖고 있는지 살펴보도록 하겠습니다. p.s 이 시리즈는 제가 이제껏 배운 것들을 정리하는 의미로 작성합니다. 부족한 부분이나 오류에 대한 지적은 부드럽건 날카롭건간에 언제나 환영합니다. 출처: http://strin.egloos.com/
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