[전자 하드웨어 기초] 14. 축전기, 캐패시터 -4- ( 캐패시터의 특징 정리 )

 안녕하십니까. 리습입니다.

 지금까지 캐패시터(Capacitor)의 가장 기본적인 구조와 역할에 대하여 알아보았습니다. 캐패시터는 기본적으로 전하를 충/방전 하는 소자이고, 병렬 연결 시 충전되는 전하량이 증가하며, 안정적인 전력 공급 혹은 노이즈신호 제거를 위해 사용하였습니다.  그럼 이제 좀더 자세히 들어가 캐패시터가 어떤 특징을 가지고 있는지 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 캐패시터는 직류가 입력 될 시 끊어진 회로(단선회로)이다.

 이전 기역을 떠올려 보도록 하겠습니다. 캐패시터의 구조를 간단하게 표현하면 다음과 같이 평면 판 두개 사이에 절연체가 채워져 있는 구조로 나타낼 수 있습니다. 간단히 생각하면 두 선은 연결된 것이 아니기 때문에 직류는 이 공간을 통과 할 수 없는 것이지요.

캐패시터의 구조

 좀 더 수식적으로 생각하면 이렇게 표현도 가능합니다. 캐패시터에 충전되는 전하량 Q는 다음과 같이 표현 됩니다.

전하량 Q, 정전용량 C , 전압 V

이 때, 위 식을 시간으로 미분 하여 주면 다음과 같이 표현 가능합니다.

캐패시터의 흐르는 전류의 크기

 정리된 식과 같이 캐패시터에 흐르는 전류는 단위시간당 변하는 전압에 비례하므로 직류와 같이 전압이 변하지 않는 전류는 캐패시터에서 흐르지 못하게 됩니다. 반대로 교류와 같이 전압이 변하는 전류는 잘 흐르게 되겠죠.

 여기서 한 발자국 더 생각해 본다면 전압이 단위시간동안 변하는 양이 더 크면 클 수록 흐르는 전류 또한 크다는 것을 알 수 있기 때문에 이를 이용한다면 고주파 신호만 보낼 수 있는 High Pass Filter(HPF)를 만들 수도 있을 것입니다. (물론 캐패시터만으로 필터를 만들지는 않습니다.)

 

2. 캐패시터는 양단에 걸리는 전압이 순간적으로 변하지 않는다.

 캐패시터는 절대로 양단에 걸리는 전압이 순간적으로 변할 수 없습니다. 이는 위에서 소개한 식으로도 확인이 가능한데, 만약 전압이 순시간에 변변한다면 그 순간 매우 큰 전류(무한대에 가까운)가 필요하게 되고, 이는 회로에서 불가능하기 때문에 전압이 변하지 못하는 것입니다.

 다르게 표현하면, 캐패시터에 전하가 순간적으로 축전되지 못하고 매우 짧은 시간이라도 시간이 걸리기 때문에 순간적으로 전압이 바뀌지 않는다고도 표현할 수 있습니다.

 이러한 특징을 이용해 리플 신호들을 제거하기도 합니다.

 

3. 이상적인 캐패시터는 에너지를 소비하지 않는다.

 캐패시터는 가장 큰 특징중에 하나는 에너지를 소비하지 않는 다는 것입니다. 이상적으로 캐패시터는 에너지가 변하는 부분이 없기 때문에 사용중에 에너지을 소비하지 않습니다. 회로로 부터 전력을 제공 받을 때는 전하를 전압으로 묶어 에너지를 저장하게 되고(다른 말로 전기장의 형태로 에너지를 저장하고) 역으로 전력을 제공할 때는 이 전하를 그대로 돌려주기 떄문입니다.

실제 캐패시터의 회로 모델, 누설 저항이 병렬도 함께 배치된것으로 표현.

 물론 이상적인 캐패시터가 아닌 실제 캐패시터는 누설 저항(Leakage resistance)를 가지고 있기 때문에 매우 작은 전력을 소비하기는 합니다.

 

지금까지 캐패시터의 세가지 특징을 알아보았습니다. 캐패시터에 대한 이러한 특징을 잘 기억하고 계신다면 회로를 이해하거나 설계를 하시는데 도움이 될것이라 생각합니다

그럼 다음으로 실제 캐패시터 부품의 종류에 대하여 알아보도록 하겠습니다.