전기를 저장하는 커패시터

커패시터

커패시터는 전기를 일시적으로 저장하는 장치로서, 두 개의 도체판 사이에 절연체가 들어간 구조로 되어 있습니다. 커패시터는 전압을 걸면 각 도체판에 (+)와 (-)의 전하가 축적되고, 이로 인해 에너지가 저장됩니다. 커패시터가 저장할 수 있는 에너지의 양을 커패시턴스라고 하며, 단위는 패럿(F)입니다.

커패시터

커패시터는 다양한 용도로 사용됩니다. 예를 들어,

에너지 저장: 커패시터는 전압을 충전하거나 방전하여 에너지를 저장하거나 공급할 수 있습니다.
신호 결합: 커패시터는 직류와 교류가 섞인 신호에서 교류 신호만 통과시키고 직류 신호를 차단하는 역할을 할 수 있습니다.
발진: 커패시터는 인덕터와 함께 사용하여 충전과 방전을 반복하면서 특정 주파수의 파형을 만들 수 있습니다.
평활: 커패시터는 맥동하는 직류 신호를 일정한 직류 전압으로 만들어 줄 수 있습니다.
바이패스: 커패시터는 회로에 발생하는 노이즈 성분을 그라운드로 흘려보내어 안정된 직류 전원을 유지할 수 있습니다.

커패시터의 저항 값은 주파수에 따라 달라집니다. 직류에서는 저항 값이 무한대로 취급되고, 교류에서는 저항 값이 작아집니다. 이러한 주파수 의존적인 저항 값을 리액턴스라고 하며, 다음과 같은 공식으로 계산할 수 있습니다.

X = 1 / (2πfC)

여기서 X는 리액턴스, f는 주파수, C는 커패시턴스입니다.

커패시터를 여러 개 연결할 때에도 저항과 비슷한 방법을 사용할 수 있습니다. 단, 저항과 반대로 작용한다는 것을 기억해야 합니다. 즉,

커패시터를 직렬로 연결하면 전체 저항 값은 작아집니다.

커패시터를 병렬로 연결하면 전체 저항 값은 커집니다.

커패시터는 다양한 종류가 있습니다. 예를 들어,

전해 커패시터: 알루미늄이나 탄탈 등의 금속을 전극으로 하고 유기물질이나 수용액을 유전체로 하는 커패시터입니다. 큰 용량을 가지지만 극성이 있으므로 연결 방향에 주의해야 합니다 .
세라믹 커패시터: 세라믹 재료를 유전체로 하는 커패시터입니다. 작고 저렴하며 고주파 특성이 좋습니다. 다만 온도나 전압에 따라 용량이 변할 수 있습니다 .
필름 커패시터: 플라스틱 필름을 유전체로 하는 커패시터입니다. 정밀도가 높고 안정적이며 장수명입니다. 다만 크기가 크고 비싼 편입니다 .
슈퍼 캐패시터: 활성탄소나 그래핀 등의 재료를 사용하여 매우 큰 용량을 가지는 커패시터입니다. 배터리와 비슷한 기능을 하지만 충방전 속도가 빠르고 횟수 제한이 없습니다 .

커패시터는 전류와 전압 사이에 위상차가 발생합니다. 즉, 교류 회로에서는 인가된 전압과 흐르는 전류가 동일한 시간에 최대값과 최소값을 가지지 않습니다 . 이 때 전압과 전류 사이의 각도 차이를 위상차라고 하며, 일반적으로 커패시터에서는 전압이 전류보다 90도 늦게 오게 됩니다 . 이러한 현상은 축전과 방전의 반복 때문에 발생합니다 .

커패시터와 인덕터를 함께 사용하면 공진 현상이 발생할 수 있습니다 . 공진 현상은 특정 주파수에서 회로의 임피던스가 최소값이 되어서 매우 큰 전류가 흐르게 되는 현상입니다 . 이 때 공진 주파수는 다음과 같은 공식으로 계산할 수 있습니다.

f = 1 / (2π√(LC))

여기서 f는 공진 주파수, L은 인덕턴스, C는 커패시턴스입니다.

공진 현상은 필요에 따라 응용하거나 회피할 수 있습니다 . 예를 들어,

응용: 라디오나 TV 등에서 원하는 주파수의 신호만 선택적으로 받아들일 수 있도록 하는 역할을 합니다.
회피: 스위칭 회로나 변환기 등에서 원치 않는 공진으로 인해 회로 손상이나 성능 저하를 방지하기 위해 저항을 추가하거나 용량 값을 조절합니다.

정리

커패시터란 전기를 일시적으로 저장하는 전자 부품입니다. 두 개의 금속판 사이에 절연체(유전체)가 삽입된 구조로 되어 있습니다. 커패시터에 전압이 인가되면 각 금속판에 양전하와 음전하가 모이게 되고, 이때 발생하는 전기장을 통해 에너지를 저장합니다. 커패시터는 전류의 흐름을 방해하거나 위상을 바꾸는 리액턴스를 가지며, 이를 용량성 리액턴스라고 합니다. 커패시터의 용량은 전하를 축적할 수 있는 정도로 정의되며, 단위는 패럿(F)입니다. 커패시터는 교류 회로에서 필터링, 노이즈 제거, 공진 등의 역할을 수행합니다.

이렇게 커패시터에 대해서 알아보았습니다. 감사합니다.