안녕하세요.
Edward입니다.
이번에는 콘덴서(캐패시터)에 대해서 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.
이 내용은 전자회로 입문을 위해 필요한 지식을 공유하기 위해 제작된 포스팅입니다.
이전 포스팅은 "저항"에 대한 설명으로 아래 링크를 참고해주세요!
콘덴서(Capacitor)란?!
축전기(capacitor 커패시터) 또는 콘덴서(condenser)란 전기 회로에서 전기 용량을 전기적 퍼텐셜 에너지로 저장하는 장치이다. 축전기 내부는 두 도체판이 떨어져 있는 구조로 되어 있고, 사이에는 보통 절연체가 들어간다. 각 판의 표면과 절연체의 경계 부분에 전하가 비축되고, 양 표면에 모이는 전하량의 크기는 같지만 부호는 반대이다. 즉, 두 도체판 사이에 전압을 걸면 음극에는 (-) 전하가, 양극에는 (+) 전하가 유도되는데, 이로 인해 전기적 인력이 발생하게 된다. 이 인력에 의하여 전하들이 모여있게 되므로 에너지가 저장된다.
- 출처 위키백과
위 내용과 같이 캐패시터 혹은 콘덴서라 불리는 소자는 전기 에너지를 저장하는 장치입니다. (이하 콘덴서라 부르겠음.)
아래 이미지를 참조해서 간단하게 설명하면 "2장의 금속판을 마주 보게 한 소자"입니다.
이런 금속판 사이에는 공기뿐일 수도 있고, 절연체 혹은 유전체가 들어갈 수도 있습니다.
흔히 사용하는 전해 캐패시터의 경우에는 금속판 사이에 유전체가 들어가 있습니다^^
콘덴서의 동작 설명
콘덴서 동작의 중요 포인트는 금속판 사이에 있는 유전체, 절연체, 공기가 아닙니다.
가장 중요 포인트는 "금속판 자체"입니다.
실제 전기는 판과 판 사이의 공간에 모이는 것이 아닙니다. 공간에는 일종의 힘이 작용할 뿐이며,
전기가 모이는 곳은 금속판 그 자체입니다.
위 이미지를 참조하면 콘덴서의 동작에 대해 이해하기 쉬울 거예요!
우선 <그림 a>는 스위치가 "OFF"가 되어 있습니다. 이래서는 전기가 흐르지 않겠죠??
만약, 이 스위치를 "ON"하면, <그림 b>와 같이 전류가 흐릅니다. "다만 한 순간 동안만 입니다."
콘덴서가 망가져서 Short(단락)이 되었다면 모를까,
정상적인 상태라면 2장의 금속판이 절연체를 사이에 두고 마주 보고 있을 뿐이므로 전류가 흐르지 않습니다.
** 여기서부터가 중요합니다. **
위 회로의 전지(전원)의 +에서 나온 전기는 콘덴서의 위쪽 금속판에 +로 가득 채웁니다.
마찬가지로 전지(전원)의 -에서 나온 전기가 콘덴서의 아래쪽 금속판에 -로 가득 채웁니다.
이 전기를 채우는 데에 걸리는 시간만큼 전류가 흐르는 것입니다.(콘덴서에 전기가 모인다.)
이때 콘덴서에 전류가 한순간 동안만 흐른다고 합니다.
그래서 콘덴서에 전기가 다 모이면 전기는 더 이상 어디로도 갈 수 없기 때문에, 전류는 흐르지 않게 됩니다.
이 상태에서 <그림 c>와 같이 다시 스위치를 OFF 합니다. 이때 전지와 콘덴서는 분리됩니다.
전지가 분리되어도 콘덴서의 전극에 전기는 계속 존재합니다. 회로상 어디로도 갈 수 없다고도 볼 수 있지만,
정확하게는 +와 -가 끌어당기는 힘이 금속판 사이에 작용해서 전기가 그대로 머물게 됩니다.
자, 그래서 콘덴서에 대해 좀 더 다양하게 설명하면 다음과 같아요.
1. 전기가 모이는 걸 "충전"이라고 한다.
2. 금속판의 면적이 클수록 많은 전기가 모인다.
3. 충전할 수 있는 전기의 양을 콘덴서의 "용량"이라고 한다. (즉, 콘덴서 용량은 금속판 크기에 비례!)
4. 금속판의 간격이 좁을수록 용량이 커짐. (금속판 사이가 좁으면 +와 -가 서로 끄는 힘이 강해짐)
5. 금속판 사이에 어떤 절연체를 사용하냐에 따라 용량이 변함. (절연성이 높을수록 용량이 커짐)
콘덴서의 역할
콘덴서의 역할은 "충전"과 "방전"을 반복하는 단순한 소자일 뿐입니다.
위에서 전기가 모이는 것이 "충전"이라고 했죠?? 그렇다면 반대로 전기를 소모하는 것이 "방전"이라고 합니다.
실제로 우리가 알고 있는 디커플링 콘덴서, 바이패스 콘덴서 등 여러 용어들은 콘덴서의 기본 역할인 "충전"과 "방전"을 응용한 것입니다.
그러니 이 기본만 제대로 이해하고 있다면 콘덴서를 확실하게 이해할 수 있습니다!
자, 지금까지 내용을 보면, DC(직류)에 관한 콘덴서의 내용을 설명했습니다.
그렇다면 교류는 어떻게 될까요?? "진짜 콘덴서는 교류를 통과시킬까요??"
<그림 a>는 콘덴서가 완전 충전이 된 상태입니다. 이 상태에서 전지를 거꾸로 연결하면 어떻게 될까요??
극성이 반대로 인가되겠죠. 여기서 가장 중요한 것이 전류 방향입니다.
전지를 거꾸로 뒤집으면서 콘덴서 위쪽은 + 전기가 -측으로 흐릅니다. 마찬가지로 콘덴서 아래쪽도 + 전기가 -측으로 흐릅니다.
하지만 방향은 반대로 흐르죠???!! 그리고 다시 <그림 c>처럼 전지를 원래 방향대로 돌려놓으면, 전류 방향이 다시 반대로 흐릅니다.
이 것이 교류(AC)에서의 콘덴서 동작입니다. 결국 "충전"과 "방전"을 번갈아 가면서 하는 것이죠!!
그래서 이 전지를 거꾸로 뒤집고, 원 위치시키는 작업을 반복적으로 하게 된다면, "충전"과 "방전"이 반복되면서 마치 전기에너지가 통과하는 것처럼 동작하게 되는 것을 볼 수 있을 거예요.
이렇게 반복적으로 전지를 바꾸는 것을 교류라고 하고, 이를 주파수라고도 표현합니다.
마지막으로 중요한 팁 전달드릴게요~
"콘덴서는 전압을 충전해서 전류를 출력하는 소자"입니다.
이거 굉장히 중요한 내용이에요! 별 5개짜리!!
이 내용을 정확하게 이해한다면 추후 회로 설계나 분석할 때 많은 도움이 됩니다.
필자는 이 내용 하나를 이해하기 위해서 5여 가지의 제품을 만들었습니다.
그리고 나중에 인덕터라는 소자도 설명드릴 텐데요.
인덕터란 소자는 "전류를 충전해서 전압을 출력하는 소자"입니다.
콘덴서의 내용은 정말 너무나도 많습니다.
그래서 1편과 2편으로 나뉘어 있습니다.
다음 시간에는 2편에서 콘덴서의 주요 내용을 이어서 설명하겠습니다.
감사합니다 ^^
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