커패시터의 개념과 종류

1. 커패시터의 역사적 배경

 

 커패시터(capacitor)는 전기공학에서 필수적인 구성 요소 중 하나로, 전기 에너지를 저장하는 장치로 알려져 있다. 커패시터의 기원은 18세기 중반으로 거슬러 올라가는데, 초기 커패시터는 네덜란드의 과학자 피터르 판 무센브루크(Pieter van Musschenbroek)가 1745년에 발명한 레이덴 병(Leyden jar)이다. 레이덴 병은 금속으로 코팅된 유리병으로, 금속 부분 사이에 전하를 저장할 수 있는 최초의 장치로 이해하자

 

19세기에 들어서면서, 물리학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 커패시터의 이론적 기초가 정립 되었는데, 패러데이는 전기장과 전하 간의 관계를 연구하면서, 전기 유도와 정전 용량(capacitance)의 개념을 확립했다. 

2. 커패시터의 기본 개념

커패시터는 두 개의 도체판(plates) 사이에 유전체(dielectric)라는 절연체가 놓인 구조로 이루어져 있다. 이 도체판에 전압이 가해지면, 하나의 도체판은 양전하(+), 다른 도체판은 음전하(-)가 축적되는데, 이러한 전하의 분리로 인해 커패시터는 전기 에너지를 저장할 수 있게 된다.

 

커패시터의 기본 특성 중 하나는 정전 용량(C), 즉, 커패시터가 저장할 수 있는 전하의 양을 분석하는 2가지 수식을 가지게 되는데 첫수식이 회로적으로 해석하여​ 정전 용량(Farad, F 단위), Q 저장된 전하(Coulomb, C 단위), V 도체판 간의 전압(Volt, V 단위)로 분석해둔 거라면 후자는 거리와 단면적 유전률로 소자 자체를 분석해 둔것으로 보면된다

 

이를 좀더 직관적으로 접근해보면 정전 용량은 도체판의 면적, 유전체의 특성, 그리고 두 도체판 사이의 거리 등에 의해 결정되는 소자라 이해하자

3. 커패시터의 특성

커패시터는 여러 가지 중요한 특성을 가지고 있다. 먼저, 커패시터는 직류(DC) 전류를 차단하고, 교류(AC) 전류는 통과시키는 성질이 있다. 이는 커패시터가 전기회로에서 필터링, 바이패스, 커플링 등에 사용되는 이유 실제 전기를 저장하여 활용 한다고 이해하자

 

결론적으로 커패시터의 전압은 전하량의 축적 분에 비례 하므로 다음과 같은 수식으로 나타낼수 있다.

4. 커패시터의 종류

커패시터는 유전체의 종류와 구조에 따라 다양한 형태로 제작될 수 있으며 다양한 형태로 활용된다.

• 세라믹 커패시터: 주로 높은 주파수 응용에 사용되며, 작은 크기와 높은 안정성
• 전해 커패시터: 큰 정전 용량을 제공하며, 전원 공급 장치의 필터링 및 저장 용도로 많이 사용
• 필름 커패시터: 안정성이 뛰어나며, 고주파 및 고전압 응용에서 사용

5. 실제 회로에서의 커패시터 역할

 커패시터는 다양한 전자 회로에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 전원 공급 회로에서 커패시터는 전압 리플(voltage ripple)을 줄이고, 일정한 전압을 유지하는 데 사용된다. 또한, 오실레이터 회로에서는 주파수를 결정하는 요소로, 필터 회로에서는 특정 주파수 대역을 통과시키거나 차단하는 데 활용되기도 한다.

 

 특히, 교류 회로에서의 커패시터 역할 주파수에 따라 임피던스(impedance)가 변화하는 특성을 이용하여, 신호 처리와 필터링에 광범위하게 사용되는데, 예를 들어, 고주파 신호가 흐르는 경로에서는 저항이 낮아 신호를 쉽게 통과시킬 수 있지만, 저주파 신호에 대해서는 저항이 높아 신호를 차단할 수 있는 필터의 역할을 통해 RF(무선 주파수) 회로에서 매우 중요하게 사용되므로 통신으로 시작해서 거의 모든 분야에 사용된다 이해하면 된다.