전기를 담아두는 부품 '콘덴서의 세계'

[쇼핑저널 버즈] 뿌리 깊은 나무가 바람에 아니 흔들린다고 했다. 기초의 중요성을 강조하는 말이다. 모든 학습 과정이 다 그렇듯이 로봇도 기초가 중요하다. 로봇을 만들기 위해서는 기초를 잘 다져놓아야 한다. 이번호에서는 콘덴서에 대해 알아보자.■ 콘덴서란?콘덴서(Condenser)는 전기(정확히는 전하)를 저장하는 부품이다. 콘덴서(Condenser)라는 이름은 전기를 압축(Condense)한다는 의미에서 붙은 명칭이지만 영문 표기로는 콘덴서 이외에 Capacitor(캐패시터)라는 표기를 많이 사용한다. 영문에서 콘덴서에는 축전기라는 의미도 있지만 실제로는 냉매를 압축하는 응축기라는 뜻으로 더 많이 사용된다. 콘덴서가 전기를 저장한다는 의미는 실제로는 전기의 전하를 저장하는 것이다. 콘덴서는 전하를 정해진 용량만큼 저장하고 다시 이 전하를 방출하는 기능을 함으로써 직류 차단과 교류 통과, 축전지, 필터 등의 기능을 한다. 콘덴서의 용량 단위는 F(패럿 또는 파라드: Farad)이며 이것은 물리학자 마이클 패러데이(Faraday, Michael [1791~1867])의 이름을 딴 단위이다. 이론적인 콘덴서의 동작은 아래 그림과 같다.

두 개의 전극 사이에는 유전체라고 불리는 물질로 절연되어 있다. 이때 양쪽 전극에 전압이 가해지면 두 개의 전극 사이에 전하가 충전되기 시작하며 순간적으로 전류가 흐른다. 하지만 전극 사이에 있는 물질에 전하가 더 이상 충전될 수 없을 때는 전류가 흐르지 않으며 다시 두 개의 전극 사이를 연결하면 충전되어 있던 전하가 회로를 따라 흐르게 된다. 이 과정을 콘덴서의 충전과 방전이라고 하며 콘덴서를 응용하는 모든 회로는 기본적으로 이 동작을 응용한 것이다. 이때 콘덴서가 충전할 수 있는 전하의 양을 정전용량(F: 패럿)이라고 하며 콘덴서의 정전용량은 콘덴서에 사용된 유전체의 종류, 전극의 넓이, 전극 사이의 간격에 의해 결정된다.

즉 콘덴서 용량은 유전체의 유전율과 전극의 면적에 비례하고 전극 사이의 거리에 반비례한다.

[콘덴서의 단위와 표시 기호]

■ 콘덴서의 종류전해콘덴서

이 콘덴서는 유전체로서 얇은 산화막을 사용하며 전극으로 알루미늄을 사용하고 있다. 유전체를 매우 얇게 할 수 있으므로 콘덴서 체적에 비해 큰 용량을 얻을 수 있다. 특징은 극성(플러스 전극, 마이너스 전극이 정해져 있다)이 있다는 것이다. 보통은 콘덴서 자체에 마이너스극을 나타내는 표시가 있다. 그리고 동작전압과 용량(전기를 충전할 수 있는 양)도 표시되어 있다. 극성을 잘못 연결하거나 전압이 너무 높으면 폭발(펑 소리를 내며 흩날리므로 매우 위험하다)해 버린다. 이 콘덴서는 1μF부터 수천μF, 수만μF 등 비교적 큰 용량을 얻을 수 있어 주로 전원의 평활 회로, 저주파(수십~수천 헤르츠) 회로에 많이 사용된다.

위쪽의 사진은 용량, 전압이 다른 전해 콘덴서의 예이다.왼쪽에서부터1μF(50 V)[지름 5mm 12mm]47μF(16 V)[지름 6mm 5mm]100μF(25 V)[지름 5mm 11mm]220μF(25 V)[지름 8mm 12mm]1000μF(50 V)[지름 18mm40mm] 이다.다만 사이즈에 대해서는 정해져 있는 것은 아니고 메이커에 따라서 다르다. 여기에 나타낸 것은 어디까지나 참고로 해주기 바란다.

탄탈콘덴서

전극에 탄탈이라고 하는 재료를 사용하고 있는 전해 콘덴서이다. 알루미늄 전해와 같이 비교적 큰 용량을 얻을 수 있다. 또한 온도 특성(온도의 변화에 의한 용량의 변화)이 좋고 주파수 특성도 전해 콘덴서보다 우수하다. 알루미늄 전해 콘덴서는 그라프트지 등에 전기분해액을 깊이 스며들게 한 것을 금속 알루미늄으로 사이에 두어 휘감은 구조를 하고 있지만 탄탈 전해 콘덴서의 경우는 탄탈-파우더를 소결해 굳혔을 때 틈새를 이용하는 구조로 되고 있다. 이 콘덴서도 극성이 있어 통상 콘덴서 자체에＋의 기호로 전극을 나타낸다. 가격은 전해 콘덴서보다 고가이기 때문에 온도에 의한 용량 변화가 엄격한 회로 어느 정도 주파수의 높은 회로 등에 사용한다. 또 알루미늄 전해 콘덴서에서 발생하는 스파이크 전류가 나오지 않기 때문에 아날로그 신호계에는 탄탈-콘덴서를 사용하는 것이 상식이라고 한다. 탄탈 콘덴서도 전해 콘덴서와 같이 플러스·마이너스의 극성을 가지고 있다. 전극(리드선이 긴 쪽)의 플러스측을 나타내는 기호가 콘덴서 자체에 기록되고 있다.

세라믹콘덴서 와 적층 세라믹콘덴서

세라믹콘덴서에는 전극간 유전체로서 티탄산바륨 등의 유전율 큰 것이 사용되고 있다. 이 콘덴서는 유도계수(코일의 성질)가 적고 고주파 특성이 좋은 것이 특징으로 고주파 회로(수만~수십MHz)에 잘 사용된다. 형태는 원반형을 하고 있으며 용량은 비교적 작다. 사진의 좌측은100pF(피코페러드：10-12F)의 것으로 원반 직경이 3mm 정도이다. 우측은 103으로 인자되고 있어10×103pF 즉 0.01μF이다. 원반 직경은 약 6mm였습니다. 전해 콘덴서와 같은 전극의 극성은 없다.

세라믹은 강유전체 물질로 아날로그 신호계 회로에 사용하면 신호의 일그러짐이 생길 수 있으므로 사용할 수 없다. 적층 세라믹콘덴서는 전극간의 유전체로 고유전율계 세라믹을 다층 구조로 사용하고 있고 온도 특성, 주파수 특성이 뛰어나고 게다가 소형이라는 특징이 있다. 디지털 회로에서 취급하는 구형파신호는 비교적 높은 주파수 성분이 포함되어 있다. 이 콘덴서는 주파수 특성이 좋고 소형이라 바이패스용으로서 잘 사용된다. 온도 특성도 좋기 때문에 온도 변화를 싫어하는 회로에도 사용된다. 사진 왼쪽은 용량이 104로 표시되어 10×104pF=0.1μF 용량으로 폭 4mm 높이 3mm 두께 2mm이다. 사진 오른쪽은 용량이 103(10×103pF=0.01μF)의 것으로 둥근 부분의 직경이 2mm 높이가 4mm이다. 고밀도 실장을 하는 데는 우측의 것이 좋고 전극의 극성은 없다.

마일러콘덴서

얇은 폴리에스텔과 필름 양측 사이에 금속을 두어 원통형에 감은 것이다. 저가로 사용하기 쉽지만 오차는 대체로 ±5%에서 ±10% 정도이다.

가변용량콘덴서

용량을 변화할 수 있는 콘덴서는 주로 주파수의 조정 등에 사용한다. 이 사진은 주로 트리머를 유전체로 사용하는데 그 밖에도 폴리에스테르, 필름 등을 유전체로 사용하기도 한다. 프린트 기판에 실장하도록 만들어져 있다. 사진의 오른쪽은 바리콘으로 불리는 가변 용량 콘덴서로 라디오의 튜너 등에 사용된다.■ 콘덴서의 동작

콘덴서의 기본 동작은 전하의 충전과 방전이므로 이를 이용하여 여러 가지 전기적인 동작을 한다. 가장 기본적인 동작은 직류는 통과시키지 않고 교류만 통과시키는 동작이다. 콘덴서는 직류가 가해지면 전하가 충전되고 다시 충전된 전압과 반대되는 방향의 회로가 연결되면 방전이 일난다. 만일 이 과정을 빠른 속도로 반복하면 어떻게 될까? 콘덴서의 양쪽 끝에는 충전과 방전으로 인한 교류 전류가 흐르게 될 것이다. 콘덴서가 직류는 통과시키지 않고 교류만 통과시킨다는 것은 바로 이런 동작을 가리키는 말이다. 콘덴서는 이와 같은 기본 동작을 이용하여 다음과 같은 다양한 회로를 구성하는 데 사용된다.

정류회로

지연 회로

Low-Pass Filter

High-Pass Filter

글/ 석승호 수원직업전문학교 지능로봇과정 담임교사[ 관련기사 ]▶ 디지털텍,알루미늄 전해 고분자콘덴서 특허 취득▶ 대우전자부품, 하이브리드카 콘덴서 사업 중국 진출월간로봇(www.jejisa.kr)'IT 제품의 모든것'-Copyright ⓒ ebuzz.co.kr, 무단전재 및 재배포 금지