캐패시터, 캐패시턴스 이해하기

어제 손님과 이런 저런 이야기를 나누다 보니 요런 것 하나정도는 글로써 남겨두는 것이 좋겠다는 생각이 문득 들어서 아침에 부랴부랴 그래픽 작업을 조금 해봅니다.

 

지금부터 적는 글은 순전히 화이낙스 주인장의 짧은 밑천으로 작성하는 글이니 무식한 소리를 하더라도 그러려니 보아주시면 고맙겠습니다.  (고쳐주시면 더 고맙지요...)

 

======================   절    취    선   ==========================

 

캐패시터라고 하는 소자가 있습니다.

 

전기에 나오는 3대 소자입니다.  3대 소자는 LRC라고들 하지요.

 

L = 코일 (coil, inductor)   : 인덕턴스 (inductance)

R = 저항(resistor)   : 저항 (resistance)

C = 캐패시터(capacitor)   : 캐패시턴스 (capacitance)

 

물을 담은 유리병에 전하가 모이는 현상은 1700년대에 이미 관찰되었고, 이것을 물에 의한 것이라고 오해하다가 벤자민 프랭클린에 의해서 물이 아닌 유리병 표면에 전하가 모이는구나 라고 재정의되었던 역사도 있고.. 볼타 라는(Volt의 창시자)과학자 이름도 나오고.. 하여간에 이 소자는 역사도 깁니다.

 

일단...  이놈의 메카니즘부터 이해를 하는게 좋겠습니다.

 

두개의 근접한 전도체가 있습니다.

 

여기에 전기를 걸어봅니다.

 

그러면 전하가 양쪽 판막에 쌓이기 시작합니다.

(플러스 전하라는 것은 실제 세계에는 존재하지 않습니다. 존재하는 것은 (-) 전하와 정공만 존재합니다. 따라서 이것은 개념적인 도식이 되겠습니다)

이렇게 쌓이는 동안에는 저것들에 연결된 전기선에는 일시적이나마 전류가 흐르게 됩니다.

대단히 짧은 시간입니다.

 

시간이 지나면 두개의 판막이 포화단계에 이르지요. 완전히 포화되면 이제 전기선에 더이상 흐르는 전류가 없습니다.  이 상태가 되면 이제 다시 절연체로서의 면모를 회복하지요.

 

이제 극성을 바꿔봤습니다. 아까 모였던 아이들이 흩어지고 반대의 전하들이 쌓입니다.

요렇게 쌓이는 동안에 다시 잠깐이나마 전기선에 전류가 흐르게 됩니다.

 

요것을 그려보면 이런 커브가 나옵니다.

X축은 시간, Y축은 전압,

 

Full charge에 도달하는 커브가 저런 곡선을 그리면서 그 시간동안에는 마치 전도체인것 처럼 행세하다가 딱 정상에 도달하면 절연체로 행세하는 것이 캐패시터입니다.

그러면 이제 요것에 가하는 극성을 교대로 +/-/+/-/+/-/+/-로 줘봅니다.

전류가 흘렀다가 꽉차면 멈추고, 반대로 가면 다시 전류가 흘러서 꽉채운다음에 멈추고..

이짓을 반복하게 됩니다.

 

전류가 흐르는 양상을 도식화하면 요런 식이 되겠죠. 

(리얼월드에서 저렇게 디지탈식으로 딱딱 끊어질 수는 없겠습니다.)

 

 

요것을 +/- 극성을 바꿔주는 주기를 점점 짧게 해주면 어떨까요?

전류가 흐르는 시간 대비 끊기는 시간이 점점 줄어들지요?

 

그러다가 어느순간 특정한 변환주기 이상 빠르게 교대를 해주면

회로에 전류가 항상 흐르는 상태로 진입을 합니다.

이 성질을 가지고 캐패시터는 교류에 대해서 전도성을 가진다고 이야기합니다.

 

저 두 판막의 사이에는 실제로 오가는 것이 아무것도 없습니다. 판막을 사이에 두고 양쪽단으로 전하가 모였다 흩어지는 짓을 계속 반복하는 것이죠.

 

이런 성질때문에 캐패시터는 그 자체로 하이패스 필터입니다.

특정한 주파수 이상은 통과시키고 그 이하는 통과를 방해하는 성질을 가지고 있는데요,

이것을 그래프로 보면 마치 이런 식입니다. (퍼왔습니다)

 

 

여기 컷오프 주파수와 감쇄량의 숫자들을 그대로 채용하시면 안되는게, 이 그래프는 특정 임피던스 하에서 도출된것이라 회로마다 컷오프 주파수와 감쇄량은 매번 달라집니다.  그냥 이런식이다라고만 이해하시면 되겠습니다.

 

컷오프 주파수 이상은 통과시키고, 그 이하는 방해하는... 그게 바로 하이패스 필터이지요.

 

메카니즘을 들여다 봤으니 실물을 한번 보시겠습니다.

 

캐패시터들은 대개 요런 식으로 생겼습니다.  대중적인 타입들만 있습니다만, 이것 말고도 다양한 타입들이 존재합니다.  판막의 재질, 판막 사이의 절연체(유전체라고 하지요)의 재질, 포장형태 등에 따라 너무 다양해서 머리가 아플정도지요. (부품통에서 대충 꺼내봤습니다. 저도 참 여러가지 가지고있군요....)

 

 

 

1번, 흔히 볼수 있는 전해 캐패시터입니다. 요것은 용량을 크게 만들수 있기 때문에 일반적으로 전원부에 사용합니다. 두개의 판막을 필름으로 만든다음에 절연체를 사이에 샌드위치 시키고 돌돌 말아서 깡통에 담은 놈인데, 이것은 극성을 바꾸면 큰일납니다.  펑~!  가격대비 용량이 커서 주로 단위가 uF입니다만, nF단위의 작은 놈들도 있습니다.

 

2번, 말로리 폴리에스터 캐패시터입니다. 주 사용처는 앰프의 증폭단 사이에 커플링, 기타의 톤폿 등등.. 요런 것은 극성이 없습니다. 마찬가지로 필름을 돌돌 말아서 포장해놓았습니다. 주로 nF 단위입니다.

 

3번, 마일라 캐패시터라고 하는데요, 라디오나 전파회로등에 흔하 보입니다. 가격이 쌉니다. 매우 쌉니다.  오로지 단가만이 중요한 곳에 주로 사용합니다.  두개의 판막을 겹쳐놓고 플라스틱등으로 몰딩해서 굳혀놓았습니다. (플라스틱이 아닐수도... 무식해서 죄송합니다.)  마찬가지로 nF단위가 메인입니다.

 

4번. Vishay 오렌지드롭입니다.(Vishay가 Sprague를 샀던가 아마 그랬죠.. 암튼 이제는 한회사입니다)

요것도 만드는 방식은 3번과 같습니다만, 재질이 다릅니다. 역시 nF단위가 메인

 

5번. 아 요것이 필립스 것인데,,, 뭐라 불러야하나.. 뭐 4번과 같은류라고 하겠습니다. 이것도 nF이 메인

 

6번. 꾹꾹이에 흔히 쓰는 박스 캐패시터(박스캡)입니다.  저것은 유전체를 뭘 썼는지까지는 잘 모르겠군요. 기판 실장에 적합하도록 리드선의 간격을 만들어놓았지요. 이것도 nF

 

7번. 마이카 캐패시터라고 합니다. Mica(운모)가 주 재료라서 그렇습니다. 요것들은 대체로 사이즈대비 용량이 작습니다.  pF(피코패럿) 단위입니다.

 

8번. 세라믹 캐패시터, 이것도 주로 nF 단위인데 내압이 높아질수록 크기가 커져서 펜더에서 썼던것은 1000V의 내압을 지닌 세라믹 캐패시터입니다.  고 제품이 톤이 좋다나 어쨌대나....

 

이것 말고도 오일캡이니(오일에 적신 종이를 절연체로 끼워넣은것) 하는 등의 종류들이 하도 많아서

다 알기도 어렵고 다 적기는 더더군다나 어렵습니다.

 

이걸로 밥벌어먹을거 아니면 대충 이런게 있다정도만 알고 계셔도 충분하지 않을까 합니다.

 

 

캐패시터의 메카니즘은 이걸로 끝내고 다음편에는 이것이 적용되는 곳을 살펴보겠습니다.