쉽게 배우는 소자 - 커패시터

1. 개요

 

커패시터....! 솔직히 전자공학을 배운 나도 커패시터는 그저 전자회로 실험에서 RC필터에 사용된다는 정도 외 무슨 역할을 하는지  몰랐습니다. 하지만 더 배우면 배울수록 커패시터는 정말 심오하고 엄청난 부품입니다.

디버깅하다 회로에 문제가 생기면 "커패시터를 더 달면 해결되지 않을까?" 하는 안일한 생각이 들지만 가끔은 이게 정답이기도 합니다.

조금 과장되긴 했지만 그만큼 중요하다.

 

2. 소개

 

(좌) 무극성 커패시터 // (우) 극성 커패시터

커패시터는 수동소자이며 종류는 크게 두가지가 있습니다.

수동소자(passive element, passive component)는 공급된 전력을 소비·축적·방출하는 소자로, 증폭 정류 등의 능동적 기능을 하지 못하는 소자를 말한다.

하나는 무극성 커패시터 하나는 극성 커패시터이며 무극성 커패시터는 어느 쪽으로 연결해도 괜찮지만 극성 커패시터는 +는 양극 -는 음극에 부착해야 합니다.

커패시터를 고를 때 주의해야 할 점 3가지는 극성 여부와 값 그리고 내압입니다.

 

극성 여부는 내가 이 커패시터를 어디에 사용할 것인가에 따라 다르고

커패시터 값은 노이즈의 주파수 특성 혹은 어느 소자 근처에 부착하느냐에 따라 사용하는 값이 다릅니다.

그리고 내압이 중요한데 커패시터는 터질 위험이 있는 소자입니다. 발전소나 레일건 등 고전압에 사용되는 커패시터는 몇 KV까지 커버 가능한데 이런 게 터지면 소자 가격도 가격이지만 인명피해가 발생할 수도 있습니다.

 

커패시터는 알루미늄 동박에 전해질을 묻힌다음 돌돌 말아 만든 소자이다.

아무리 정밀하게 만든다고 해도 타 소자에 비해 커패시터는 오차가 크기에 필요 내압의 1.5배를 권장하고 있습니다.

예를 들어 이 구간(NET)에 평균 10V가 흘러야 하면 내압을 10*1.5 = 15V로 맞춰주는 게 현명하다.

기본적으로 내압이 크면 커패시터의 물리적 크기가 큽니다. 

10V*1.5=15V

커패시터의 비슷한 이름 콘덴서가 있다 이 용어에 엄연한 차이가 존재하는데

 

(좌) 커패시터 (우) 콘덴서

콘덴서는 현실 커패시터를 말하는 것이며 소자 특성상 만드는 과정에 기생 인덕터와 저항이 생길 수밖에 없습니다.

이는 모든 소자 또한 마찬가지입니다.

실제로 콘덴서에 주파수를 높여가며 교류전압을 넣어주면 어느 순간에 기생 인덕터의 임피던스 값이 콘덴서의 값보다 커져 임피던스 수치 값이 V 형태를 띠기도 합니다. 이 V의 아래 지점을 우린 SRF(자가 공진 주파수)라고 부른다.

커패시터가 더이상 커패시터 역할을 못하고 인덕터 역할을 하는 지점입니다.

반면 커패시터는 우리가 회로를 쉽게 해석하기 위해 기생 요인을 제거한 이상적인 환경에서의 커패시터라고 생각하면 될 것입니다.

 

커패시터를 병렬 및 직렬로 연결하였을 때 구하는 공식은 다음과 같다.

 

저항과 계산 방식이 완전히 반대이다.

 

커패시터를 소개하면 인덕터를 빼 먹을 수가 없습니다.

둘이 어찌보면 비슷하면서 완전히 상극인 특성이 많기에 항상 비교하곤 합니다.

 

	커패시터	인덕터
허용 전압 파형	AC(교류)	DC(직류)
임피던스 공식
전압 전류 관계 공식
주파수 특성	주파수가 높을수록 임피던스가 낮다.	주파수가 낮을수록 임피던스가 낮다.
위상변화	위상 선행	위상 지연
충전 정전용량

(각 주파수)w=2*파이*f 로 변환해서 사용하기도 한다.

커패시터는 AC(교류)를 받아들이고 DC(직류)는 거부한다. 반대로 인덕터는 DC(직류)는 받아들이고 AC(교류)를 거부한다.

임피던스 공식을 보면 주파수가 높을수록 커패시터의 Xc 값이 낮아 통과하기 쉽고 주파수가 낮을수록 Xc 값이 커져 커패시터를 통과하기 어려워집니다. (직류는 주파수가 0이니까 임피던스가 무한에 가깝다.)  

 

주파수에 따른 임피던스 크기

 

단위는 F(패럿)이며 충전 정전용량은 (1/2)*커패시터 값*내압 값의 제곱과 같습니다.

예를 들어 10uF 15V 커패시터는 정전용량이 약 1.125mW이다.

 

자 이제 제일 어려운 부분이 남았는데 바로 위상의 변화입니다.

여기서 나오는 임피던스의 개념은 저항과 살짝 다른데 임피던스는 주파수에 따라 변화하는 저항값으로

보통 이렇게 많이 표현합니다. 위상이 변하면 총 임피던스 Z 값이 변하는 것을 볼 수 있습니다.

위상 차로 인해 임피던스가 변하는 모습(출처: 위키피디아)

 

커패시터만 연결한 경우 전류와 전압 간의 위상이 다른 것을 알 수 있다.

전류의 위상이 전압에 대해 90도 미리 진행된 모습입니다.

 

콘덴서의 저항은 다음과 같다.

(ESR과 ESL은 기생 인덕터와 기생 저항)

만약 저항이 달린다면 직렬로 저항이 달린다고 생각하고 기생 저항과 합치면 됩니다.

아마 순수 커패시터만 달린거와 다르게 위상이 90도 차이가 나지 않을 것입니다 (<90도 미만)

자세히 알고싶으면 아래 링크에서 테스트해볼 수 있다.

https://javalab.org/inductor_and_capacitor_3/

 

3. 종류

 

콘덴서는 재질에 따라 종류가 다양하다. 재질에 따라 만들 수 있는 수치가 다른데 다음과 같습니다.

 

종류	이미지	세부내용	비고
세라믹 콘덴서		발진/필터용으로 사용하며 높은 주파수 대역에서 사용한다. 주로 50kHZ 이상 대역에서 사용	발진용, 고주파용
모노 콘덴서		주로 디지털 회로에서 사용 10~50kHZ 대역에서 주로 사용	바이패스용
마일러 콘덴서		1~50kHZ 대역에서 주로 사용 AC용과 DC용 구분 사용 AC용은 반드시 규격품을 사용함(CSA,UL,CE)	필터용, 바이패스용
전해 콘덴서		정류형/커플링용/완충용으로 사용 +/- 극성이 존재함(하얀색 다리 짧은쪽이 -) 내압이 비교적 크다. 주파수 대역이 낮다. 85도/105도로 구분 사용 내압 주의(양단 인가 전압의 1.5배 이상으로 선정)	정류형, 커플링용, 완충용
양방향 전해 콘덴서		Bi-Pole 콘덴서라고 함 +/- 극성이 없음 주로 신호 전달용으로 사용함 기타 특성은 전해 콘덴서와 동일하다.	정류형
탄탈 콘덴서		전해의 일종이나 정밀도가 높음(오차율 5%이내)	단 내압을 높이기 어려움

 

노이즈 대역에서의 콘덴서

 

 

콘덴서 값을 읽는 방법은 저항과 비슷하다.

 

전해 콘덴서엔 온도 특성이 존재하는데

85도는 실내용 105도는 실외용입니다.

 

 

4. 실무적인 용도

 

완충

 

소자 중에 전력을 많이 써야 하는 부품이 몇 가지 존재합니다. 이 부품이 초기 작동할 시 엄청난 전력을 소모하는데 그때 전압 레벨이 순식간에 내려갑니다.

이때 전압 레벨이 많이 내려갈 시 MCU에서 전압이 부족하다고 인식을 해 작동을 안 할 수도 있습니다.

커패시터는 이런 상황을 방지하기 위한 예비 배터리로 생각하면 됩니다. 

보통 MCU 근처나 전력을 많이 잡아먹는 소자 근처에 부착되어 있기도 하고 전압을 변환시켜주는 Boost & Buck IC 근처에 연결되어 있기도 하다.

TPS63802 Ref datasheet 입력단과 출력단에 커패시터가 장착되어 있다.

위 부품은 1.3V ~5.5V 를 약 3.3V로 만들어주는 부품입니다.

안정적인 전압 출력을 위해 출력단에 22uF과 입력단에 10uF이 부착되어 있는데 가능하면 datasheet에서 제공해준 회로도로 만들어 주는 게 좋습니다.

실제로 출력단 커패시터 값을 낮은 부품을 쓰면 Vout이 1.8V까지 순식간에 떨어졌다고 복구되는 모습을 볼 수 있는데 데이터 시트 값 대로 22uF을 사용하면 내려가는 정도가 줄어든다. (3.3V -> 3V정도?)

 

커플링

 

맥류(AC+DC가 합쳐진 신호) 에서 교류 신호만 받아들이고 직류 성분을 없애고 싶을 때 사용합니다.

배치하는 방법은 간단하다. 맥류가 들어오는 입구에 달아주면 되고 TR Base단에 달아 신호 증폭기로 사용하기도 하고 0~20V 사각파를 -10V ~ 10V 사각파로 변환하는 용도로 사용하기도 합니다.

0V~20V 사각파의 직류성분을 커플링 커패시터를 이용해 제거하여 10~-10V 사각파로 바꾸는 모습

 

바이패스(Bypass)

 

위 경우와 반대로 맥류에서 직류 성분만 받아들이고 교류 성분(주로 노이즈)을 제거하고 싶을 때 사용합니다.

주로 낮은 주파수의 노이즈가 많이 발생하기에 용량이 큰 탄탈 커패시터를 사용하기 합니다. 혹은 광범위하게 노이즈를 제거하고 싶을 때는 여러 범위의 커패시터를 달아서 노이즈를 제거해주기도 하고

 

10uF /0.1uF/ 0.22uF/ 0.47uF 가운데는 비드

 

혹은 특정 주파수의 노이즈만 완벽하게 제거해주고 싶을때는 같은 용량의 커패시터를 여러 개 병렬로 달아줍니다.

특정 주파수만 완벽하게 제거하고 싶을때

 

전압 평활

 

우리가 흔히 사용하는 220V는 AC입니다. 하지만 보통 가전에 사용하는 가전제품은 대부분 DC인데 이 이유는 추후 다루기로 하고 아무튼 이 AC를 우리 입맛대로 교류에서 직류로 바꿔줘야 합니다.

여기서 자주 등장하는 부품이 있는데 바로 다이오드 브릿지입니다. 자세한 내용은 따로 다이오드 파츠에서 다루기로 하겠습니다.

브릿지 다이오드

 이것은 AC220V 의 모습입니다.

AC 220V

엥 뭔가 값이 이상하다고?? 220V가 아니라 300V가 넘어간다고??

그렇다 AC 220V는 피크치가 220V가 아니라 실효치입니다.

실효값(Erms) : 교류의 값을 나타낼 때 교류와 동일한 일을 하는 직류의 크기로 바꾸어 나타냈을 때의 값. 즉 테스터로 교류전압을 측정했을 때 측정되는 값.

즉 AC 220V는 Erms가 220이라는 뜻이다.

그럼 이 실효 치를 피크치로 어떻게 변환하느냐?

즉 220*1.414=311.08로 311V라는 값이 나옵니다.

 

다시 브리지 회로로 돌아와서

이 브릿지 정류 회로를 사용하면 +에서 다음과 같은 신호가 생성됩니다.

브릿지 회로 통과 신호

약 309~308V(다이오드 Forward Voltage 때문에)에서 0V로 왔다 갔다 하는 사인파에 절댓값을 씌운듯한 파형이 나타나는데 이 전압을 그대로 보냈다간 가전제품이 고장 날 것은 분명합니다.

그래서 전압 평활의 용도로 커패시터를 사용합니다.

 

 

우선 용량이 10uF인 커패시터를 사용해보자

10uF을 사용한 사진

원 신호보단 좋아졌지만 아직 120V정도를 널뛰기하고 있습니다.

 

100uF인 커패시터를 사용해보면 차이가 존재합니다.

100uF을 사용한 사진

리플이 크기가 확연하게 줄어든 모습을 볼 수 있습니다.(약 12V 정도)

그렇다면 왜 커패시터의 용량을 늘리면 리플 크기가 줄어들까?

커패시터는 다음과 같은 탱크라고 생각해봅시다. INPUT 전압이 들쭉날쭉하지만 어쨌든 의도한 V까지는 꽉 채워줄 것입니다. (부품 선정 시 내압을 주의하자 Input <Cap_Max_Voltage를 만족해야 한다.)

다시 Input이 0으로 떨어지는 동안 Output에서 전류를 사용할 것입니다.

뭐 여기서 다들 알다시피 탱크가 클수록 티가 덜 나기 마련이고 작으면 티가 많이 날 것입니다.

이러한 원리로 커패시터 값이 클수록 리플의 크기가 작습니다.

 

과전압 충전/방전

 

짧은 시간 동안 강한 힘을 내야 하는 장비가 있는데 레일건이나 초음파 치료기 혹은 펄스 레이저 등이 있을 것입니다.

한 번에 파워로부터 전력을 가져온다고 가정할 때 직접적으로 출력부와 파워가 연결되어 있을 경우 파워 부분에 큰 부담이 있습니다.

한 순간에 그 큰 파워의 양을 제어하는 소자도 그리고 그 파워를 스위칭하는 과정에서 생기는 열을 감당할 소자를 아마 없을 것이다. (기판이 다 타지 않을까??)

그래서 커패시터를 직접적으로 출력단에 달아서 파워를 충전하고 방전하는 식으로 사용합니다

 

레일건 왼쪽 사진을 보면 파워 생성기와 펄스 생성하는 부분이 분리가 되어 있다.

https://www.youtube.com/watch?v=vAs9EHtKfVc

 

필터

 

대표적으로는 RC 필터가 있습니다. C는 고주파일 때 임피던스가 낮고 저주파일 때 임피던스가 높습니다

이러한 특성을 이용해 HPF(고역통과 필터) , LPF(저역통과 필터)를 구성합니다. 

 

RC로 구성된 간단한 LPF 와 HPF

여기서 빨간색은 고주파 파란색은 저주파이며 임피던스가 낮은 쪽으로 움직입니다.

커패시터가 높은 주파수를 잘 통과시킨다는 점을 이용한 회로이며

R대신 L을 넣을 수도 있으며 LC필터가 됩니다

 

위상 변화

 

부품을 이것저것 붙이다 보면 전압과 전류와의 위상 차가 크게 벌어질 수가 있습니다.

직류의 경우는 상관이 없지만 통신 쪽 주파수가 정말 중요한 역할을 하는 분야는 이 위상에 민감할 수 밖에 없는데

이 위상차를 보정해주기 위해 나온 개념이 Smith chart인데 궁극적인 목표는 이 위상의 IM값을 0으로 만들어 RE 값으로 만드는 것입니다.

스미스차트 최대한 가운데 선 중앙으로 오게 만들어야 한다.

커패시터를 직렬로 혹은 병렬로 연결함에 따라 곡선의 모양이 변하며 원의 아래 반구는 커패시터 영역

원의 윗 반구는 인덕터의 영역입니다.

이 스미스 차트의 목적은 최대한 IM이 0이면서 RE영역인 중앙으로 맞춰주는 건데 가운데 값은 내가 임의로 100옴 200옴 조정이 가능하지만 RF 규격 상 50옴으로 정해져 있습니다.

만약 통신 모듈 부품을 사면 대부분 50옴 규격으로 맞춰져 있는 것을 볼 수 있는데(그래야 임피던스 매칭이 편하기에)

이 임피던스 매칭을 하는 이유는 따로 다루겠지만 대표적인 이유는 ZL에 최대 에너지를 전달하기 위해서입니다.(에너지가 셀수록 통신 강도가 증가)

 

발진

 

앞서 저항 글에서 RC를 이용해 충전 방전 시간에 대해 다룬 적이 있는데 이 시간을 이용해서 LED의 점등 시간을 조절할 수도 있습니다. 이를 우린 발진이라고 하는데 무한대로 가는 것도 발진이고 값이 진동하는 것도 발진이라고 부룹니다. MCU를 다루지 않는 간단한 회로에서 많이 사용하며 NE555를 쓰기도 합니다.

아래는 간단한 OPAMP를 이용한 발진기입니다.

 

캐패시터에서 일어나는 전압의 변화

캐패시터는 충 방전을 하면서 발진을 합니다.

Vout 에서 일어나는 전압의 변화

Opamp는 비교기로써 + 에 더 큰 전압이 걸리면 3V를 출력하고 -에 더 큰 전압이 걸리면 -3V를 출력합니다.

5. 마무리

 

다음 포스트는 인덕터입니다. 오류나 잘못된 내용은 댓글로 적어주시면 언제든지 환영입니다.

<본 포스트는 22.01.11일 마지막으로 수정하였습니다.>