캐패시터란 전기를 축적하는 기능을 갖고 있는 소자의 한 종류이다. 캐패시터란 캡이라고도 불리며 이전에는 콘덴서라고도 불렸다. 명심할 것은 콘덴서 와 캐패시터 둘다 같은 의미 라는 것이다. 캐패시터는 전기를 축적하는 기능 외에도 직류 전류를 차단하고 교류 전류를 통과 시키려는 목적으로도 사용된다.
캐패시터 기능
DC 전원에 캐패시터를 병렬로 연결하여 전하를 축적하면, 전원과 연결이 끊어진 후에도 전위차가 한동안 유지되어 에너지를 저장하고 방전할 수 있다. 캐패시터는 이런 방식으로 소형 충전식 배터리처럼 여러 전자회로에서 타이밍을 조절하는 부품으로 사용된다.
또한, 캐패시터는 DC 전류에 섞인 펄스, 전기적 ‘잡음’, 교류전류, 오디오 신호, 기타 파형을 차단하는 데 사용된다. 캐패시터의 이런 기능 덕분에 전원 공급기에서 제공되는 출력 전압을 평탄하게 만들 수 있고 신호의 스파이크를 제거하여 디지털 회로의 부품들이 오동작 하지 않도록 막아준다. 또한 오디오 회로에서 주파수 응답을 조절할 수 있으며 DC 전류로부터 보호해야 하는 분리된 부품 또는 회로 부품을 커플링 시킬 수 있다.
작동원리
캐패시터는 2개의 판으로 단순하게 구성되어 있습니다. 2개의 판에는 단자가 붙어있어 DC 전원에 연결된다. 또한 2개의 판 중간엔 유전체라고 불리는 얇은 절연층으로 분리 되어 있다. 유전체의 성분은 일반적으로 고체나 페이스트 형태로 되어 있다. 캐패시터의 크기를 최소화 하기 위해서 캐패시터의 양 극에 사용되는 극판은 아주 얇은 금속 필름이나 메탈릭 플라스틱 판으로 만들어져 있다. 그리고 여기서 판을 돌돌 말아 작은 원통형 패키지로 만들어서 크기를 더욱 줄일 수 있다.
캐패시터의 판이 전도체이기 때문에 DC 전원에 연결 되게 되면 양쪽의 판이 양전하와 음전하로 가득차게 된다. 상호 인력의 결과로 평형상태가 유지 되긴 하나 시간이 지남에 따라 전압을 점점 떨어지게 된다. 이는 자연스러운 방전이라고 볼 수 있는데 캐패시터의 양극에 병렬로 저항기를 설치하면 캐패시터의 방전되는 방전률을 확인 할 수 있으며, 저항기로 방전을 제한할 수도 있다.
캐패시터의 유형
캐패시터를 모양으로 분류하면 원통형, 디스크형, 표면 실장형으로 분류 된다. 원통형 캐패시터는 동축 리드 또는 래디얼 타입으로 회로 기판에 설치하기 편리한 장점을 가지고 있다. 특히 래디얼 리드 형태의 캐패시터가 회로기판에 삽입하기가 쉬워 자주 사용 된다. 원통형 캐패시터는 작은 알루미늄 캔으로 포장하고 한쪽 끝만 밀봉한다. 그 후에 다른쪽 끝을 절연체 원판으로 막은 후 마무리 한다. 위의 그림에서 검은색 캐패시터가 그 대표적인 원통형 캐패시터 이다.
다음으로 디스크 캐패시터는 절연 세라믹 케이스로 되어 있으며 래디얼 리드 형태로 되어있다. 위의 그림에서 납작한 것들이 현재 많이 쓰이는 소형 세라믹 캐패시터로서 주로 에폭시에 담그거나 직사각형 태블릿 형태로 제작되어 사용한다 마지막으로 표면 실장형 캐패시터이다. 위의 사진에나와 있진 않지만 사각형 모양으로 각각 길이가 수 mm이며 2개의 전도성 패드가 양쪽 끝에 위치한다.
대부분의 캐패시터는 극성이 따로 정해져 있지 않기 때문에 연결에 있어서 자유롭다. 하지만 전해 캐패시터와 탄탈륨 캐패시터는 DC 전원을 연결할 때 정확한 방향으로 연결해야 문제가 되지 않는다. 그런 점을 주위하기 위해 제작할 때부터 단자의 길이를 다르게 하여 긴방향이 양극 짧은 방향이 음극으로 되게 제작한다. 자세히 보면 한쪽 끝에 표시가 있거나 띠를 둘러서 표시를 해 둔 구간이 있을 것이니 잘 참고해야 한다.
전해 캐패시터는 상대적으로 저렴하고 크기가 작지만 그럼에도 불구하고 고용량 제품이 출시된다. 이러한 특성 덕분에 전해 캐패시터는 가전제품 내의 전원공급기에서 많이 사용되고 있다. 전해 캐패시터의 충전은 주기적으로 전압을 가함으로써 유지 된다. 전해 캐패시터를 장기간 10년이상 방치한 후 사용한다면 캐패시터에 전원을 가했을 때 회로 단락이 발생할 가능성이 있다. 오래된 것은 사용하지 않는 것이 좋다.
무극성 캐패시터의 특징은 말그대로 극성이 없는 것이 장점이자 특징이다. 무극성 캐패시터의 케이스에는 무극성임을 알려주는 BP(바이폴라) 또는 NP(무극성)라는 문구가 새겨져 있다. 탄탈륨 캐패시터도 크기가 작지만 상대적으로 가격이 비싸고 전압 스파이크에 취약하다는 단점이 있다. 탄탈륨 캐패시터는 극성을 잘못 연결하는 경우에도 대단히 민감하게 반응하기 때문에 극성을 잘 맞추어서 설치 해야 한다. 보통 탄탈륨 캐패시터는 에폭시에 담그는 방식으로 제조된다. 그 외에도 플라스틱 필름 캐패시터, 단층 세라믹 캐패시터 등이 있다.
캐패시터 사용시 주의점
캐패시터 사용시 자주 발생하는 문제는 대부분 수명과 관련된 문제이다. 그도 그럴것이 충전과 방전을 함으로써 계속적으로 부하가 걸리기 때문이다. 대표적인 증상으로는 전체적인 성능저하, 유도 리액턴스문제, 비선형적인 응답, 저항률이 높아짐, 과도한 전류가 누설, 그리고 유전체의 기억 효과가 떨어지는 것이다.
그러므로 캐패시터를 사용하여 여러가지 구성을 할 때는 제조업체의 데이터시트를 주의 깊게 살펴봐야 이러한 문제를 피할 수 있다. 극성이 있는 캐패시터를 잘못된 DC 전원을 연결하게 되면 실질적으로 저항이 없는 상태가 된다. 아주 높은 전류를 일으킬 수 있고 이로 인해 캐패시터나 회로 내의 기타 부품을 망가뜨릴 수도 있다. 탄탈륨 캐패시터와 같이 전압 스파이크에 약한 부품은 극성이 뒤바뀐 경우에 위험한 결과가 발생할 수 있고 전류에 따라 폭발할 위험도 있다.
또한 무리한 전압 과부하로 인해 캐패시터의 DC 동작전압을 넘기면 유전체가 파손될 위험이 있고, 아크방전이 일어날 수도 있다. 정격전압이 서로 다른 캐패시터를 직렬이나 병렬로 연결하는 것은 좋은 방법이 아니다. 기왕이면 정격전압이 같은 캐패시터를 연결하는 것을 추천한다. 이 밖에도 캐패시터의 성능을 위하여 과도히 높은 주변 온도라던가 심한 진동이 있는 곳에서는 사용하지 않는 것을 추천하다.