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참고자료

아두이노, 오렌지보드 등의 오픈소스하드웨어를 사용하는데 필요한 것들을 알아봅니다.

축전기(capacitor/condensor)

2016-01-11 13:21:10

1. 개요

 

카 오디오에 몸을 맡겨 신나는 음악을 들어 본 적이 있나요? 여행을 가며 음악에 빠져본다면,  신나는 기분을 느껴볼 수 있는데요.

바로, 오늘 배울 캐패시터가 카 오디오에 쓰이기도 한답니다.

 


<카 오디오 기기> 출처: http://autotimes.hankyung.com/apps/news.sub_view?nid=02&nkey=201308201107081

 

 

이러한 캐패시터는 전기를 일시적으로 저장하는 역할을 합니다.

흘려보내야 될 전류보다 많은 양이 흐르게 되면, 해당 양을 저장해 두었다가,

반대로 흘려 보내야 될 전류보다 적은 양이 오면, 저장해 놓았던 전류를 내보내는 것이죠.

길가의 전봇대를 보시면 전봇대 꼭대기에 달린 회색빛을 띤 드럼통 같이 생긴 큰 덩어리가 달려 있음을 알 수 있습니다. 이러한 큰 덩어리도 캐패시터라고 볼 수 있습니다.

 

 

 

 

<전봇대의 캐패시터> 출처: http://wild-rancho.tistory.com/entry/%EC%A0%84%EB%B4%87%EB%8C%80

 

*주의 인덕터와 비교!

 

유도기(인덕터)는 전류에 의한 자기장을 만들어 자기를 저장하는 원리입니다.

반대로, 축전기(캐패시터/콘덴서)는 유전체를 통하여 전기장을 만들어 전기를 저장하는 원리입니다.

 

 

 

 

2. 축전기(캐패시터)의 정의

 

 

캐패시터(Capacitor)는  두 개의 금속판 사이에 절연 재료로 만들어진 유전체를 샌드위치처럼 끼워놓은 회로 소자입니다.

 

<캐패시터의 구성>

 

 

미국에서는 전기용량=capacity에서 나온 capacitor(캐패시터)라고 부르고 있으며, 일본에서는 condenser(콘덴서)라고 부르고 있습니다.  통상적으로, 캐패시터라고도 많이 부릅니다.

축전기는 모양에 따라, 평행판 캐패시터, 원통형 캐패시터, 구형 캐패시터로도 나눠질수 있습니다.  위의 그림은 평행판 캐패시터라고 볼 수 있겠죠?

 

캐패시터는 유전체를 통하여 전기 장을 만들어 전기(電氣, electricity)를 저장하는 원리라고 볼 수 있습니다.

원리에 대해서 더 자세히 알아 볼까요?

 

 

 

 

3. 캐패시터의 원리

 

먼저, 캐패시터의 원리를 알기 전, * 쿨롱의 법칙부터 알아볼까요?

 

* 쿨롱의 법칙이란  " 전하를 가진 두 물체 사이에 작용하는 힘의 크기는   두 전하의 곱에 비례하고   거리의 제곱에 반비례한다. "   는 법칙인데요.

쿨롱의 법칙에 의한 두 전하 q1, q2 사이에 작용하는 전기력(F)은 다음과 같이 표시됩니다.

 

쿨롱의 법칙 본문 이미지 1

<쿨롱의 법칙> 출처: 네이버 지식백과

 

같은 극성의 전하는 서로 미는 척력을, 다른 극성의 전하는 서로 잡아당기는 인력이 작용합니다.

 

 

그렇다면,  쿨롱의 법칙에 근거해, 캐패시터가 전기를 저장하는 원리를 알아봅시다.

 

(+)와 (-)전하는 항상 서로를 당기기 때문에 전기를 모을 수 있습니다. 즉,왼편 금속에 (+)를, 오른편 금속에 (-)를 강제로 놓으면, 서로 당기기 때문에 전기가 모여있을수 있습니다.

정확하게는 전기장 형태로 캐패시터 내부에 모여있게 됩니다. 즉, 내부에 전하 (+)와 (-)를 저장할 수 있는 장치를 캐패시터라고 합니다.

"얼마나 많이 모이는 가" 는 정전 용량으로 정합니다.

 

 

 

 

<캐패시터의 구조> 출처: http://ghebook.blogspot.kr/2011/06/capacitor.html

 

 

 그림을 보면 왼쪽 금속판에 (+) 전하가 모여 있습니다. 이 경우는 쿨롱의 법칙에 의해 (+)전하끼리 미는 힘(척력)이 생기기 때문에, (+) 전하를 왼쪽 금속판에 모으기 힘듭니다.

즉, 금속판에 (+) 전하들을 모아놓으면 서로서로 밀기 때문에 금속판을 빠져 나오려는 힘이 생깁니다.  이걸 도와주는게 반대편 금속판에 있는 전하(-) 입니다.

전하 (+) 와 (-)는 쿨롱의 법칙에 의해 서로 강하게 당기는 힘(인력)이 생겨, (+) 전하는 왼쪽 금속판에 저장될 수 있습니다. 

 

 

 

캐패시터에 대한 식을  알아볼까요?

 

여기서 Q는 전하, C는 정전용량, V는 전압입니다 

평행한 캐패시터의 두 극판 사이의 거리가 일정할 때, 양 극단에 걸린 전압 V가 클수록 더 많은 전하량 Q가 대전되게 됩니다.

여기서, Q 와 V가 서로 비례관계에 있다는 것을  알수 있는데,  C 는 비례상수로서의 역할을 합니다. 

그래서 양극단에 걸린 전압 V가 같을때, 정전용량 C가 크면 클수록, 더 많은 전하가 대전 된다고 할수 있고,

 

Q = CV

라고 쓸 수 있습니다.



                   

 

전압을 미분한 것이, 전류에 정비례 하므로, 전압이 순식간에 변하는 것은 불가능합니다.

 

 

 

 

4. 캐패시터의 연결

 

1) 직렬 연결

 

 

<직렬>

 

위의 그림과 같이 캐패시터가 직렬로 연결되어 있으면 각 캐패시터는 동일한 전하량을 갖습니다.

 왜냐하면 C1 왼쪽 금속판에 (-)전지가 연결되어 있어 (-)전하를 띄면 C1의 오른쪽 판이 (+)전하를 띄게 되는데,

이 C1의 오른쪽 판이 C2 왼쪽 금속판에 다시 (-)전하를 띄게 만들기 때문입니다.

 

 또한 각 캐패시터마다 동일한 전하를 가지고 있으므로 전체 캐패시터에 걸리는 전압은 각 캐패시터에 걸리는 전압의 합과 같습니다.

직렬연결된 캐패시터의 합성 전기용량을 구해 봅시다,  

 

먼저 각 캐패시터마다 동일한 전하량을 가지고 있으므로

V_1=\frac{q}{C_1}, V_2=\frac{q}{C_2} V_3=\frac{q}{C_3}

입니다. 전체 캐패시터의 전압은 세 캐패시터 전압의 합이므로

V = V_1 + V_2 + V_3 = q( \frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\frac{1}{C_3})

이고, 전체 합성 전기용량은

\frac{q}{V} = \frac{1}{1/C_1+1/C_2+1/C_3}

이것을 다시 풀어쓰면

\frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\frac{1}{C_3}

가 나옵니다.

 

 

2) 병렬 연결

 

<병렬>

 

위의 그림처럼 캐패시터가 병렬로 연결되어 있고 전지가 연결되어 있으면,  각 캐패시터의 극판에 전지의 단자들이 모두 직접 연결되어 있습니다.

그래서 각각의 캐패시터에는 동일한 전압 V가 걸리게 되고 그에 따라 전하가 대전됩니다. 

 

 병렬연결된 캐패시터에 전압 V가 걸릴 때 전압 V 는 각 캐패시터에 동일하게 걸리고, 캐패시터에 저장된 총 전하량은 각 캐패시터에 걸린 전하량의 합과 같습니다

. 병렬 연결된 캐패시터의 합성 전기용량을 구해봅시다.

 

 먼저, 각 캐패시터의 전하를 구하면,

q_1=C_1V, q_2=C_2V, q_3=C_3V

입니다. 총전하량은 각 캐패시터의 걸린 전하량의 합이므로

q=q_1+q_2+q_3=(C_1+C_2+C_3)V

입니다. 그러므로 합성 전기용량은

C_{eq}=\frac{q}{V}=C_1+C_2+C_3

로 쓸 수 있습니다.

 

 

 

5. 캐패시터의 용도 및 종류

 

 

<콘덴서의 용도>

출처 : 

http://open-telecom.com/zeroboard/zboard.php? id=power_jary&page=1&sn1=&divpage=1&sn=off&ss=on&sc=on&select_arrange=headnum&desc=asc&no=16&PHPSESSID=346f93636014872b5892933cd3614d87

 

용도가 많은 캐패시터는 종류도 다양합니다. 

 

 

  • 진공 캐패시터

진공 캐패시터(vacuum capacitor)란 유전체를 사용하지 않고,  진공관과 같은 진공용기 속에 전극을 마주놓은 축전기입니다.

진공 속에서는 글로방전이 발생하지 않고 대기 속의 습도·탄산가스 등의 영향이 없으므로 내전압이 높고 안정합니다.

따라서 전극 사이 거리를 좁힐 수 있으며, 소형으로 큰 용량을 얻을 수 있습니다.

 

 

  • 공기 캐패시터

공기 캐패시터(air capacitor)란 유전체로서 공기 자체를 사용하는 축전기입니다.

밀봉하여 건조공기를 충전하면 시간에 따른 변화가 적으므로 이를 표준용으로 사용합니다.

휴대용 이외의 라디오 AM 수신기에 가변용량형 공기캐패시터가 사용됩니다.

 

 

  • 금속화종이 캐패시터(=MP 캐패시터)

금속화종이 캐패시터란 파라핀 등을 스며들게 한 얇은 종이의 한쪽 면에   아연·알루미늄 등의 금속을 높은 진공 속에서 증발시켜 부착시킨 금속화종이를 2장을 포개서 감은 캐패시터입니다.

얇은 금속막이 전극이 되고 그 사이에 1장의 종이가 절연물로서 끼워져 여러 층으로 쌓인 구조의 캐패시터가 됩니다.

 

 

 

  • 전해 캐패시터

극성이 있으며, 띠 있는 쪽이 음극입니다. 보통 용량과 정격전압이 숫자로 씌어 있습니다.

 누설전류가 조금 있으며, 초고역에서의 주파수 특성이 좋지 않습니다.

 

 

 

  • 마일러 캐패시터

유전체로 폴리에스테르 등이 사용됩니다. 일반적으로 다른 종류보다 저렴해서 많이 사용됩니다.

 ‘마일러 캐패시터’는 저가격으로 사용하기 쉽지만, 높은 정밀도는 기대하기 힘듭니다.

 

 

 

  • 세라믹 캐패시터

크기가 작고 납작하며 유전체로 도자기가 사용됩니다.

고주파를 잘 흐르게 하므로 고주파 필터에 사용될 수 있습니다.

 

 

 

  • 탄탈럼 캐패시터

유전체로 탄탈럼합금을 사용한 것. 전해 콘덴서와 유사하게 극성을 가지고 있으며, 비교적 쉽게 큰 용량을 만들수 있습니다.

특성은 전해 캐패시터보다 매우 뛰어나지만, 내압이 작다는 단점이 있습니다.

 

 

 

 

 

kocoafabeditor

항상 진취적이고, 새로운 것을 추구하는 코코아팹 에디터입니다!

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