축전기

1 개요

capacitor
전자/전기에서 전기를 모으고, 방출하기 위하여 사용하는 부품. 다른 명칭으로는 커패시터(콘덴서)라고 하며 줄여서 "캡"(cap)이라고 부르기도 한다. 용량 단위는 마이클 패러데이에서 이름을 따온 패럿(farad, F)이지만, 굉장히 큰 단위이므로 마이크로패럿(㎌)이나 나노패럿(nF) 및 피코패럿(㎊)을 많이 쓴다.

보통 세라믹이나 마이카, 필름 콘덴서는 극성이 없지만, 전해 콘덴서는 긴 부분이 양극(+극)이고, 짧은 극이 음극(-극)이며 다리가 잘려있을 때는 흰색 띠가 있는곳이 음극(-극)이다. 탄탈 콘덴서는 띠가 있는 쪽이 양극이므로 극성에 주의하여 끼워야 한다.

2 기능

전압이 높을 때에는 전하를 모으고(정전) 전압이 낮으면 전하를 방출(방전)한다. 직류 전원에 연결하면 전류가 흐르지 못하게 된다. 교류 전원에 연결하면 전류가 방해를 받긴 하나 전력 소모가 없기 때문에 저항이라고 하지 않고 용량 리액턴스라는 용어를 사용한다.

보통 전원부의 노이즈제거를 위한 평활회로의 기능을 가장 많이 쓰지만, Decoupling Capacitor라고 해서 전원과 GND사이의 양단의 걸리는 신호의 노이즈를 잡아주는 기능도 있다.
1/2CV^2

3 용도

전하를 모으고 방출하는 역할상, 극단적으로 말하면 배터리(2차 전지)와 비슷한 용도로 쓰인다. 물론 전기 에너지와 화학 에너지를 변환하는 배터리와는 원리가 다르고, 라이덴병에 가까운 원리지만, 간단히 말해 엄청나게 용량이 작지만 엄청나게 빨리 충전/방전이 되는 배터리와 같다. 관련 학부 2학년 수준에서 수학적으로 해석하는 방법을 배운다.

코일과는 반대로 저주파는 막고 고주파는 잘 통과시키는 특성을 가지고 있기 때문에, 음향 쪽에서는 이퀄라이저나 크로스오버에 없어서는 안될 필수 부품이기도 하다.

그래서 일반적으로 저주파 통과 필터를 만들어서 노이즈 제거용으로 쓰인다. 노이즈라는 것이 전압이 원치 않는 방향으로 순간적으로 요동치는 것인데, 콘덴서를 회로에 병렬로 연결해 두면 마치 추가 배터리를 병렬로 연결한 것과 같이, 전압이 높을 때는 축전기에 충전이 되었다가 전압이 떨어질 때 축전기에서 전하를 내놓으므로 전압이 안정된다. 그래서 일정 수준 이상 전압이 요동치지 않게 된다. 일반적으로 개인 공작 수준에서 전해 축전기와 세라믹 축전기가 많이 쓰이는데, 전해 축전기는 저주파, 세라믹 축전기는 고주파 노이즈를 제거하는 데 유리하다. 용량이 클수록 더 낮은 주파수 신호도 잘 통과하기 때문이다.

축전기와 다이오드를 이용한 정류회로는 가정으로 들어오는 교류전류를 직류로 변환해주기도 한다. 다이오드에 의해 순방향 전압만 걸리게 되는데 이 때까지는 전압이 들쭉날쭉한 상태이지만 위에서처럼 축전기가 전압을 안정시키므로 직류로 변환되는 것이다.

그런데 축전기를 직류 회로에 직렬로 연결하면 엉뚱한 일이 벌어진다. 전원과 연결된 축전기가 충전되고 나면, 같은 전압의 배터리를 같은 극끼리 연결한 것과 마찬가지 상태가 되기 때문에 직류 전기가 흐르지 않게 된다. 그러나 노이즈가 발생하면 전원과 축전기의 전압의 균형이 깨져서 전기가 흐르게 되는데, 여기에 직렬로 연결된 회로 입장에서는 보내라는 전류는 안 보내고 노이즈만 보내는 상황이 펼쳐진다. 다만, 거꾸로 생각하면 직류전류는 차단하고 교류전류만 통과시키는 용도로 사용할 수도 있는 것이다! 전자회로에서는 고주파 신호가 정보를 전달하기 때문에 캐퍼시터로 직류를 막아 버린다.

그 외에도 전하를 저장했다가 내놓는 특징을 살려 다양한 용도로 사용할 수 있다. 예컨데 트랜지스터의 스위칭 기능과 연동해 축전기의 충전과 방전을 반복함으로써 LED를 깜빡거리게 한다든지......

정전용량 무접점 방식 키보드는 축전기의 원리를 이용해서 만든 물건이다. DRAM과 콘덴서 마이크도 마찬가지.

4 축전기의 종류

다양한 축전기의 종류

1패럿짜리 축전기. 지름이 2cm 남짓 된다. 게다가 5.5V용이라...

• 전해 캐패시터
  • 알루미늄 전해 캐패시터 (일반적으로 볼 수 있는 원통형의 그것) - 주로 메인보드에 붙어있는 은색 원통형 부품. 품질에 따라 수명, 전기적 특성에 차이가 나기 때문에 일부는 일본제 전해 캐패시터가 장착된 고급형 메인보드를 고집한다고 한다.근데 파나소닉쪽은 가성비가 좋을뿐이지 품질자체는 구리다. 같은 회사 제품이라면 85도 짜리 보다는 105도 짜리가 더 수명이 길다. 수명이 다 되어가는 캐피시터는 윗부분이 부풀어오르는데 일명 임신이라고 하며 하루빨리 교체해야 한다. 참고로 음향기기의 음색과 관련 있는 부품이기도 하다. 이 때문에 음색이 메마른 음향기기의 앰프부에 달린 캐패시터를 좀 더 용량이 큰 것으로 교체하는 식으로 개조하는 경우가 있다.
    • 폴리머 전해 캐패시터 - 솔리드 캐패시터라고도 한다.
  • 고체 탄탈 전해 캐패시터 - SMD 실장이 가능하기 때문에 스마트폰과 같은 첨단 소형 전자기기에 많이 쓰인다. 하지만 탄탈 채취로 고릴라들이 죽어간다고(...)

• 필름 캐패시터
  • 폴리에스테르 필름 캐패시터 (일반적으로 마일러 캐패시터라 불리는데 마일러는 필름의 상표명이다.)
  • 폴리프로필렌 필름 캐패시터
  • 메탈라이즈드 폴리프로필렌 캐패시터
  • 폴리스티렌 캐패시터 (스티롤 혹은 스치롤 캐패시터라고도 불린다)

• 세라믹 캐패시터
  • 적층 세라믹 캐패시터(MLCC;Multi Layer Ceramic Capacitor)

• 마이카 캐패시터
  • 실버 마이카 캐패시터

• 오일 캐패시터
  • 페이퍼 오일 캐패시터

• 가변 캐패시터(바리콘)
  • 에어 바리콘 - 금속으로 제작된 가변 캐패시터로, 예전(70년대까지)엔 탁상용 라디오에 많이 쓰였지만 요즘은 보기 힘들다.
  • 폴리 바리콘 - 플라스틱막과 알루미늄막을 겹쳐서 만든 가변 캐패시터로, 다이얼로 주파수 맞추는 모든 라디오는 이 부품을 사용한다. 다만 최근 따라 순수 라디오 수신기 수요감소, DSP 수신기(디지털 방송 라디오 수신기 포함)의 확산 등으로 수요 전망이 밝지는 않다.

5 슈퍼 캐패시터(초축전기)

말 그대로 용량이 큰 것이다. 맨 위의 1F 짜리는 기본이고 아래의 영상에서 소개되는 것과 같이 2600F 급도 있다.

이러한 슈퍼 캐패시터(초축전기)는 일반적인 축전기처럼 사용되기도 하지만, 한편으로는 배터리(2차 전지)와 비슷한 동력원으로서 사용하고자 하는 시도도 계속되고 있다. 이는 용량이 매우 작은 일반적인 축전기와는 달리 용량이 비교적 커서 배터리와 비슷한 용도에도 사용할 수 있으면서도, 한편으로는 축전기로서의 특성을 살려 충방전 횟수가 많고 고속충전과 고속방전이 가능하다는 특유의 이점을 살리기 위한 것이다.

5.1 장점

• 전력 밀도가 크다. 리튬이온 배터리의 전력밀도는 0.5~1.5(W/kg)정도지만 초축전기는 1~10(kW/kg)정도다.
• 충방전 횟수가 많다. 리튬이온 배터리를 1000번 충방전 하면 용량이 급하락 폐기처분 하지만 초축전기는 10만번 이상 충방전이 가능하다.
• 고속충전이 가능하다. 수십~수백A의 전류만 공급할수 있다면야 분 단위 완충도 가능하다.
• 고속방전이 가능하다. 일반 배터리(내부저항 100mΩ)로 100A 전류를 뽑아낼려고 하면 폭발한다! 하지만, 초축전지는 내부저항이 0.3mΩ 정도로 작아서 가능하다.
• 저온에서도 성능저하가 낮다. 리튬이온 배터리는 온도가 낮으면 용량이 급감하지만 초축전지는 이런일이 없다.

5.2 단점

• 에너지 저장량이 떨어진다. 리튬이온 배터리는 에너지 저장밀도가 150(Wh/kg)이지만 초축전지는 기껏해봤자 10(Wh/kg)이다.
• 가격이 비싸다. 일반 배터리보다 수배~수십배 비싸다.

임신하면 X망

공돌이가 더 갈려들어가면 해결될 문제구만. 공밀레

6 관련항목

• 배터리(2차 전지)
• 전기