커패시터 구조/종류
작성일 : 2023년 09월 25일 (Monday)
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커패시터
커패시터는 전기를 전기장의 형태로 저장하는 장치이다. 가장 기본적인 형태는 두개의 평행판에 사이에 유전체를 삽입한 구조이다. 커패시터는 콘덴서로도 불린다. (커패시터는 이상적인 소자로 커패시턴스만 포함하는 소자를 말하고, 실제로는 저항을 일부 포함하게 되는데 기판에 달린 것은 콘덴서라고 불린다.) 커패시터는 내부에 유전체(절연체)를 삽입하기 때문에 유전체의 특징에 대해 자세히 알고 있어야 커패시터의 동작을 이해할 수 있다. 커패시터는 용량성 리액턴스를 가지기 때문에 전압의 위상이 전류의 위상보다 90도 뒤진다.
전기용량의 단위인 패럿은 1V의 전위차를 주었을 때 1쿨롱의 전하를 대전시키는 용량을 말한다(즉, 1F = 1C/1V). 전하의 단위인 쿨롱은 전류 1A가 1초동안 흘렀을 때 이동한 전하의 양을 의미한다.
유전체와 유전율
유전율이란 전하를 꾀어내는 정도를 말한다. 즉, 유전체는 전기장 안에서 극성을 띄게 되는 (전하를 끌어 들여 저장하는) 물질을 말한다. 그렇다면 유전체가 어떻게 전하를 저장하고, 전기를 유도한다는 것일까? 그 답은 분극에 있다. 분극이란 극성에 따라 나뉜다는 말로 무극성 분자에 전기장을 인가하면 아래와 같이 분극된다. 아래와 같이 분극된 형태의 분자를 전기쌍극자라 부른다. 이 전기쌍극자가 전기장에 따라 배열되며 전하가 저장되고, 가해진 전기장이 사라지면 전기쌍극자가 다시 원래대로 돌아가려는 힘에 의해 전기가 흐른다.
분극이 되는 정도에 따라서, 유전체가 저장할 수 있는 전하량이 달라지게 되는데 이 분극이 되는 정도를 전화율 χe 이라 한다. 이 전화율에 1을 더하면 상대유전율 (또는 유전상수) εr 이 구해지고, 또 이 상대유전율과 자유공간의 유전율 ε0 을 곱하면 유전체의 유전율 ε을 계산할 수 있다. 아래 정리된 식에서 D는 전속밀도로, 전기장이 어느 유전체에 가해졌을 때, 분극되어 분극에 의해 생성된 전기쌍극자가 만들어낸 전속 (전기력선의 총합) 의 밀도가 얼마나 되는지를 나타내는 값이다.
$$ \overrightarrow{D} = {\epsilon}_0\overrightarrow{E} + {\chi}_0{\epsilon}_0\overrightarrow{E} = {\epsilon}_0(1 + {\chi}_0)\overrightarrow{E} = {\epsilon}_0{\epsilon}_r\overrightarrow{E} = {\epsilon}\overrightarrow{E} $$
상대 유전율
유전율 단위 F/m, 전기장 단위 V/m, 전화율/유전상수는 단위가 없는 상수, 전속밀도 단위 C/m2
유전체는 고체이고, 자유전하가 없어서 각 분자가 극성을 띄고, 그 전기쌍극자가 전기장의 방향으로 정렬하게 되는데 내부에서의 극성은 모두 상쇄되기 때문에 양 끝에 극성이 나타난다. 공유결합에 대해서 잘 모르고 있다면 왜 전기쌍극자가 제 자리에서 전기장을 통해 배열하게 되는지 이해하기 어려울 수 있어서 이 글을 참조하길 바란다.
커패시턴스의 합성 (병렬과 직렬)
커패시터를 직렬로 연결하면 전압이 커지고, 병렬로 연결하면 용량이 커진다. 다만, 여기서 중요한 점은 직렬 연결하면 가장 용량이 작은 커패시터가 완전히 방전되면 더 이상 전류가 흐르지 못하므로 단선(개방) 상태와 동일하므로 아래의 계산식을 이용해서 원하는 커패시턴스를 달성시키고 모든 커패시터를 균형적으로 사용하려면 직렬 연결시에는 용량이 같아야 한다.
$$ (series) \frac{1}{C_{Eq}} = \frac{1}{C_{1}} + \frac{1}{C_{2}} + \cdots + \frac{1}{C_{n}} $$
$$ (parallel) C_{Eq} = C_{1} + C_{2} + \cdots + C_{n} $$
직렬/병렬 연결시 등가 커패시턴스 식
분극포화
전기장이 유전체에 가해지면 분극이 일어나는데, 모든 전기쌍극자가 분극되면 전기장이 더 강하게 가해져도 더 이상 분극이 일어나지 않는다. 이를 분극 포화라고 하는데 이렇게 되면 더 이상 전속이 증가하지 않는다.
아래와 같은 히스테리시스 곡선에 따라 포화된다.
커패시터 기호
커패시터는 극성, 커패시턴스의 가변성에 따라 회로 기호가 다르다. 아래는 극성, 무극성, 가변, 불가변에 따른 커패시터 기호를 나타내었다.
커패시터의 종류
커패시터의 가장 일반적인 형태는 평행판 구조이다. 하지만, 요구되는 구조나 역할에 따라서 사용되는 커패시터가 다르다. 이번에는 커패시터의 종류에 대해서 알아보자. 아래는 커패시터 종류 별 일반적인 커패시턴스 및 절연내력을 범위로써 표현한 그래프이다.
노이즈 제거용 X, Y 커패시터
커패시터는 노이즈 제거에 사용되는 데 제거할 노이즈의 종류에 따라 X capacitor, Y capacitor로 불린다. X Capacitor는 두 활선 사이에 연결된 커패시터를 말하고, Y Capacitor는 활선과 접지 사이에 연결된 커패시터를 말한다. 즉, 차동모드 노이즈 제거에 사용되는 커패시터가 X Capacitor이고, 공통모드 노이즈 제거에 사용되는 커패시터를 Y Capacitor라고 한다.
X 캡과 Y 캡은 일반적으로는 전류가 흐르지 않도록 해야 하기에 누설전류가 작은 것을 쓰는 것이 중요하다.
X-CAP과 Y-CAP에 대한 대표적인 표준은 IEC 60601-1가 있다.
커패시터의 종류
커패시터는 구조에 따라 평행판 커패시터, 필름형 커패시터, MLCC 등이 존재한다. 구조 및 재료에 따라 특성이 다르므로 설계자는 각 구조 및 재료의 특성을 이해해서 용도에 맞게 활용해야 한다.
평행판 커패시터
가장 고전적이면서 널리 쓰인다. 평행판 구조로 되어 있는 커패시터는 세라믹 (Ceramic) 커패시터로도 불린다. 평행판 커패시터는 두개의 평행판 사이에 유전체를 삽입하여 만들어낸 커패시터이다. 유전체의 종류에 따라서 전기 용량이 달라진다.
$$ C = \frac{Q}{V} = \epsilon \frac{A}{d} $$
위 식에서 A는 면적이고, d는 두 평행판 사이의 거리를 의미한다. 평행판 커패시터는 커패시터의 원리 학습 시 유용하고 실제로는 MLCC나 필름 커패시터 등이 사용된다.
세라믹 커패시터 (SLC; Single Layer Capacitor)
세라믹 커패시터는 유전체를 세라믹으로 하는 커패시터를 말한다. 세라믹 커패시터는 극성이 없고, 주파수 특성이 좋고, 100V 정도의 절연내력을 가지고 있고, 가볍고, ESR/ESI(Effective Series Resistance/Inductance)가 작고, 가격도 저렴하다는 장점이 있다. 하지만, 다른 커패시터에 비해서 오차가 심하고, 온도계수가 커서 고온에 취약하고, 구조 상 높은 커패시턴스를 달성하기가 어렵다는 단점도 존재한다. 세라믹 커패시터는 높은 용량을 달성하기 위해서는 사이즈가 커질 수 밖에 없는데, 크기가 커지면 인성이 낮은 커패시터는 깨지기 쉬우므로 보통 PCB에 사용하는 경우에는 작은 세라믹 커패시터를 여러개 병렬로 다는 것이 유리하다.
SLC는 ESR이 작은 대신 높은 용량을 달성하기 어렵기 때문에 고주파 응용회로에 주로 사용된다.
MLCC (Multi Layer Ceramic Capacitor)
MLCC는 전자산업의 쌀이라는 이야기가 있다. 그만큼 MLCC는 이제 전자산업에서 없어서는 안될만큼 자주 쓰이고, 활용도가 매우 넓다. MLCC는 가격은 비싸지만, 세라믹 커패시터에 비해서 같은 용적에서 훨씬 높은 용량을 달성할 수 있고, SMD 타입이므로 공간 활용이 중요한 경우에 흔히 사용된다. 하지만, MLCC는 세라믹 유전체와 전극을 여러겹으로 쌓아올린 구조라서 ESR이 SLC에 비해 매우 높은 편이다. 고주파로 갈수록 ESR에 의한 영향이 커지므로 MLCC는 고주파 회로에는 사용할 수 없다.
세라믹은 일반적으로 경도가 굉장히 높고, 인성이 낮아서 충격에 약하다. 따라서, MLCC는 용도에 맞게 개발된다. 아래는 자동차 산업에서 쓰이는 MLCC다. 자동차 산업용 MLCC는 충격을 흡수할 수 있도록 설계되어야 한다.
필름 커패시터 (Film Capacitor, or Plastic Film Capacitor)
필름 커패시터는 유전체는 아래와 같은 구조나 원통형으로 만들어진다. 필름 커패시터는 극성이 없고, 용량 대비 가격이 저렴해서 널리 사용된다. 하지만, 필름을 감은 구조라서 구조 상 인덕턴스 성분이 크기 때문에 고주파에서는 사용하기 어렵다.
필름 커패시터는 유전체로 플라스틱 물질을 사용하기 때문에 플라스틱 필름 커패시터로도 불린다. 필름의 종류는 다양하다. 필름의 종류에 따라 특성이 천차만별이다. 대표적인 필름막 재료로는 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리프로필렌이 존재한다. 아래는 유전체로 사용되는 플라스틱의 성질을 나타낸 표이다.
그 중에서도 폴리에스테르 콘덴서는 특별히 마일러 콘덴서라고도 부른다. 고주파 특성이 필름 커패시터 치고는 비교적 양호해서 필터나 바이패스용으로 사용된다. 바이패스 커패시터(혹은 디커플링 커패시터)는 직류가 필요한 회로에서 불필요한 AC 성분이 제거될 수 있도록 하는 커패시터를 말한다.
필름 커패시터는 플라스틱 필름에 금속막을 생성해서 감는 형태가 있고, 애초에 플라스틱 필름과 금속 호일을 이중으로 감는 형태가 존재한다.
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