커패시터 원리와 구조

커패시터란? 전기를 저장할 수 있고, 필요할 때 저장된 전기를 방출(방전)할 수 있는 수동 부품입니다.

1. 커패시터 원리와 기본 구조
2. 커패시터 전압 및 전류
3. 커패시터의 기본적인 사용법

커패시터란?
전기를 저장할 수 있고, 필요할 때 저장된 전기를 방출(방전)할 수 있는 수동 부품입니다.

이 페이지에서는 커패시터의 구조, 전기 다이어그램 기호, 전압과 전류의 기본적인 사용법에 대해 설명하겠습니다.

1. 커패시터 원리와 기본 구조

커패시터는 간단히 말해 전기를 모으고 모은 전기를 필요할 때 방출할 수 있는 부품입니다. 축적할 수 있는 전기(전하)는 전지에 비해 적기 때문에, 전하의 방출(방전) 시 단시간 동안에만 전류를 공급할 수 있습니다. 그러나 충전(전하의 축적)과 방전은 반복할 수 있습니다.

커패시터의 개략도는 절연체(유전체)를 금속판(전극) 사이에 평행하게 끼운 형태를 보여줍니다. 그 금속판(전극) 사이에 직류 전압을 인가하면 전하가 축적됩니다. 이것이 커패시터의 축전 원리입니다. 저장되는 전하의 양을 정전용량이라고 하며, 정전용량 C는 절연체의 유전율 ε, 전극의 표면적 S, 절연체의 두께 d로 결정됩니다.

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C : 정전용량(커패시턴스)
ε : 절연체의 유전율
S : 전극 표면적
d : 절연체의 두께

정전용량 C는 절연체의 유전율 ε을 증가시키고, 전극의 표면적 S를 넓히며, 절연체의 두께 d를 얇게 함으로써 증가시킬 수 있습니다.

2. 커패시터 전압 및 전류

커패시터는 내부가 절연되어 있기 때문에 직접적인 전류의 흐름은 없습니다. 그러나 인가되는 전압의 변동에 따라 충전과 방전을 수행함으로써, 마치 커패시터에 전류가 흐르고 있는 것처럼 보입니다. 커패시터에 흐르는 전류의 크기는 전압의 시간적 변화가 클수록 증가하며, 이는 다음과 같은 식으로 표현됩니다.

Ic = C · dVc / dt

Ic : 커패시터 전류 (A)
C : 정전용량 (F)
dVc/dt : V-t 곡선에서 선 기울기

(예 1) 충전 및 방전 파형의 경우

충전되어 있지 않은 커패시터에 저항을 통해 직류 전원으로부터 충전한 후 방전시킬 때의 커패시터 전압과 전류에 대해 설명하겠습니다.
회로도에서 스위치를 충전 측으로 ON하면, 커패시터에는 V0/R1의 피크 전류가 흐릅니다. 그 후, 커패시터의 전압 Vc가 높아짐에 따라 전류가 낮아져, Vc=V0에 도달하면 충전이 완료되어 전류는 0이 됩니다.

다음으로, 스위치를 방전 측으로 ON하면, 커패시터에는 V0/R2의 피크 전류가 흐릅니다. 그 후, 커패시터의 전압 Vc가 낮아짐에 따라 전류가 낮아지고, Vc=0이 되면 방전이 완료되어 전류는 0이 됩니다.

여기서 이해해야할 점은 커패시터의 전류 Ic의 크기는 커패시터의 전압 Vc의 변화 크기에 따라 결정된다는 것입니다. 또한 스위치 ON 상태일 때 V0/R의 전류가 흐르게 되는데, 여기서 만약 R=0이라면, 이론적으로 무한대의 전류가 흐르게 되어 순간적으로 충전이나 방전이 완료될 수 있습니다.

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그러나 현실에서는 커패시터 자체가 가지고 있는 저항 성분(ESR)이나 배선 저항 및 리액턴스 성분의 영향으로 인해 무한대의 전류가 흐르지는 않습니다. 그럼에도 커패시터는 배터리에 비해 저항 성분이 훨씬 작기 때문에 순간적인 충방전이 가능한 부품이라고 할 수 있습니다.

(예 2) 교류 파형의 경우

커패시터에 교류 전압을 인가했을 경우의 커패시터의 전압과 전류에 대해 설명하겠습니다.
예 1에서 커패시터에 흐르는 전류의 크기는 커패시터의 전압 변화의 크기를 따른다고 했지만, 이는 교류 파형의 경우에도 동일하게 적용됩니다.

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① 전압이 0V에서 상승할 때 : 전류는 크게 흐르지만, 전압의 상승 속도가 늦어짐에 따라 전류는 저하되고, 전압이 최대로 도달한 시점(전압의 변화는 0)에서 전류는 0이 됩니다.
② 전압이 최대값에서 하강을 시작할 때 : 마이너스 전류가 흐르기 시작하고 전압이 0이 된 포인트(전압 변화는 최대)에서 전류는 최대가 됩니다.
③ ,④의 영역 : 상기와 같은 방식으로 생각하면 교류 파형의 전압과 전류의 관계를 이해할 수 있습니다.

이 전압과 전류의 파형을 보면, 전압 파형이 정현파일 경우 전류 파형도 정현파가 되고, 전류 파형은 전압 파형보다 1/4주기 정도 앞당겨져 있음을 알 수 있습니다(전류의 위상이 90° 정도 앞당겨져 있음). 또한 전압의 변화가 클수록 더 큰 전류가 흐른다는 점에서, 전압의 변화가 큰 고주파일수록 흐르는 전류가 커진다는 것을 알 수 있습니다. 이때 흐르는 전류(실효값)는 다음의 식으로 나타낼 수 있습니다.

Ic = 2πf · C · Vc

Ic : 커패시터 전류 (Arms)

π : 원주율 (3.14)

f : 주파수 (Hz)

C : 정전용량 (F)

Vc : 전원 전압 (Vrms)

3. 커패시터의 기본적인 사용법

앞서 언급했듯이, 커패시터는 다음과 같은 성질을 가지고 있습니다.
①충전과 방전을 순식간에 할 수 있다. ②직류는 통과시키지 않지만 교류는 통과시킨다. ③교류는 주파수가 높을수록 통과하기 쉽다. 이러한 성질은 전기 회로에서 다양한 용도로 활용됩니다.

대표적인 사용법의 회로 예시를 소개합니다.

【방전 회로】

방전 회로는 커패시터에 축적된 전하를 방전시켜 연결된 부하를 동작시키는 회로입니다. 큰 전류를 순간적으로 방전할 수 있기 때문에 카메라의 스트로브나 비상 시의 백업 전원으로 사용됩니다. 회로 예시에서는 스위치를 전원 측에 연결하면 커패시터가 충전되고, 전원 전압까지 전하가 축적되면 충전은 멈춥니다. 스위치를 부하(전구)측에 연결하면 커패시터는 방전을 시작하고 전구는 점등됩니다.

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【평활 회로】

평활 회로는 교류를 정류한 후 맥류를 평활화하여 직류로 변환하는 회로입니다. 대표적인 예로는 전원 회로가 있습니다. 교류의 입력 전압을 다이오드 브릿지로 정류(회로예에서는 전파 정류)한 전압의 파동(리플, 맥류)을 커패시터에 의해 보다 평탄하게 합니다.

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【디커플링 회로】

디커플링 회로는 이름 그대로 신호의 결합을 분리하기 위해 커패시터를 이용하는 회로입니다. 이 예에서는 기본 직류에 주파수가 높은 교류 성분(노이즈)이 포함된 신호 경로에 그림과 같이 커패시터를 넣음으로써, 주파수가 높은 노이즈 성분만 커패시터를 통과하여 분리되고 이후에 노이즈가 전달되지 않도록 합니다. 스위칭 전원 공급장치에서 스위칭 노이즈를 제거하는 용도가 이에 해당합니다.

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