【전자회로 기본Ⅰ】 2강 - 커패시터

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이전 포스팅에서는 저항기에 대하여 학습하였음

저항기란 저항을 띄는 회로장치로 전류의 흐름을 방해하는데 이때의 저항은 옴의 법칙을 통해 구할 수 있음

$R=\frac{V}{I}$

온도가 변할때의 저항은 저항온도계수를 통해 구할 수 있고 이때 제조 공정상의 편차인 허용오차를 고려한다면

$R'=R(1±x±\alpha \Delta T)$

그리고 저항기의 종류로는 탄소피막 저항기, 금속피막 저항기, 시멘트 저항기 그리고 칩 저항기 등이 있음

저항값은 표준 저항값을 이용해 대량 생산에 용이하게 했고 탄소피막 저항기와 금속피막 저항기는 띠의 색상으로 저항값을 표현함

마지막으로 회로에서 오차가 없는 이상적인 경우와 오차가 있는 경우의 $V_{out}$을 구했음

 

https://nate0707.tistory.com/99

【전자회로 기본Ⅰ】 1강 - 저항기

 

1. 커패시터 개요

 

- 커패시터

 

커패시터(Capacitor)란 전하를 저장하는 회로 소자로 두 도체판이 떨어져 있는 구조에 그 사이로 유전체가 들어감

* 유전체는 절연체라고 불리는데 전기장 안에서 극성을 지니게 되는 절연체임

 

커패시터 모형

 

도체와 달리 유전체는 절연체이므로 전하가 통과하진 않음

양전하와 음전하가 서로 다른 단자에 모이면서 내부에 전기장을 형성

양전하에 대해서 유전체의 음전하가, 음전하에 대해서는 유전체의 양전하가 늘어서게 되어 극성을 지님

이로인해 유전체가 갖는 고유한 유전율에 따른 유전 상수만큼 전기장의 전위차는 감소

유전체는 감소한 전위차에 해당하는 에너지를 저장하게 됨

 

배터리도 커다란 커패시터로 볼 수 있음

배터리 내부에 전기에너지가 사용되는 것은 커패시터에 저장된 전하가 전기에너지로 사용되는 것

커패시터가 전하를 저장할 수 있는 능력인 정전용량과 내부에 사용되는 유전체 및 구조에 따라 종류가 분류됨

 

- 유전체

 

일반적으로 중심의 양자를 중심으로 원형의 궤도로 전자가 운동하는데, 외부에 전기장이 형성되면 전자의 궤도 운동이 변함

 

 

모든 원자들이 같은 방향으로 타원을 형성하게 되고 타원을 중심으로 양자가 있는 쪽은 + 전자가 멀리 이동하는 부분은 - 극성이 됨

이러한 현상을 유전분극 현상이라고 하는데 이는 유전체의 물질에 의해 결정됨

유전분극이 잘 일어날수록 커패시터 용량도 커짐

 

- 커패시터 용량

 

커패시터 용량을 결정하는 것은 커패시터 양쪽 단자의 면적, 양 단자 사이의 거리, 내부 유전체 재료의 특성임

 

 

커패시터의 용량에 관한 식은 다음과 같음

커패시터 용량에 관한 식

 

2. 커패시터 종류

 

커패시터의 종류에는 전해 커패시터, 탄탈 커패시터, 필름 커패시터, 세라믹 커패시터, 적층형 세라믹 커패시터 등이 있음

 

- MLCC$(Multi-Layer Ceramic Capacitor)$

 

MLCC는 적층 세라믹 축전기로 단자 표면을 통해 접촉되는 여러 개의 개별 축전기가 병렬로 쌓여 있는 구조

이때 층의 개수, 갯수에 따른 층간 거리, 칩 내부의 유전체 물성에 따라 커패시터의 용량값이 달라짐

 

 

소형화로 인해 기판 표면 실장 기술인 SMT 공법에 사용되는 커패시터임

* 이때 SMT란 표면에 부품을 장착하고 납땜하는 기술을 의미함

 

- 알루미늄 전해 커패시터

 

알루미늄 전해 커패시터는 알루미늄 산화피막을 유전체로 사용한 것으로 전해 콘덴서라고 불림

이는 전해질을 유전체로 사용하는 극성 커패시터이므로 양극과 음극 단자가 있어 올바른 극성으로 회로에 연결해야 함

전해 커패시터는 정전 용량 밀도가 높기 때문에 작은 부피에 많은 양의 전하를 저장할 수 있음

 

# 알루미늄 커패시터 구조

 

양극 알루미늄박 표면에 형성된 산화피막을 유전체로 하여 음극용 알루미늄박, 전해액, 전해지로 구성됨

양극 알루미늄박에 에칭 처리로 표면을 거칠게 하여 유효 면적을 넓히고

전해지는 양극과 음극이 연결되는 쇼트를 방지하며 전해액을 보호함

전해액은 음극 알루미늄과 함께 음극 역할을 함

 

양극 및 음극 전극으로 알루미늄박을 사용하여 양박 사이에 전해지를 끼우고 이것을 감아 전해액을 함침 시킨 구조

* 함침이란 화학 가스나 액체로 된 물질을 물체 안에 침투하게 하는 것

 

알루미늄 전해 커패시터

 

# 특징

 

정전용량이 크고 가격이 저렴함

시간에 따라 전해액이 증발하여 정전용량이 저하됨

일반적 수명은 10년으로 전해액이 누설될 수 있어 회로에 영향을 줄 수 있음

극성이 있어 역극성으로 전압을 가하면 폭발할 수 있음

등가 직렬저항 ERS가 커서 리플전류에 의한 열손실로 자기발열을 하여 수명이 단축됨

 

- 탄탈 커패시터

 

탄탈 커패시터란 유전체에 탄탈 금속을 사용한 전해 콘덴서로 탄탈 금속분 표면에 오산화 탄탈 피막을 형성하여 유전체화함

 

탄탈 커패시터 구조

 

# 특징

 

온도 및 주파수, DC 전압에 의한 정전용랸 변화가 적음

인가 전압의 변동에 의해 발생하는 ringing 현상이 발생하지 않음

수지 몰드 구조로 인해 기판 휨에 의한 스트레스에 강함

용량 정밀도가 높으며 소형화가 가능함

높은 전압의 제품이 없음

단점으로는 쇼트 가능성이 있고 유극성임

* 쇼트란 회로 설계상 접촉되면 안되는 두 도체, 즉 서로간의 부하가 거의 없는 상태에서 전류적으로 접촉되는 현상

 

3. MLCC 특성

 

- 등가 회로

 

커패시터의 내부 구조에 의한 등가회로는 다음과 같음

등가회로 커패시터는 층의 개수와 개수에 따른 층간 거리, 칩 내부의 유전체 물성에 따라 용량 값이 달라짐

 

실제  커패시터의 경우 전극이 존재함

이 전극에 전류가 흐르고 이로 인한 기생 인덕터(ESL)가 생김

기생인덕턴스(ESL)은 고주파 대역에서 높은 임피던스로 작용하는 인덕터가 되기에 고속도, 고주파수 동작을 해야하는 시스템에서 큰 문제가 됨

또한 전극 자체가 가지고 있는 저항은 기생 저항(ESR)이 만들어냄

기생저항(ESR)은 저항으로 작용하기 때문에 열을 발생시킴

 

- 임피던스

 

임피던스란 회로에 전압이 인가되었을 때 전류의 흐름을 방해하는 값을 의미함

저항과 임피던스는 서로 비슷한 역할을 하지만, 다른 전기 신호에 대해 다르게 작용함 

저항은 주로 직류 회로에서 작용하며 전류의 크기를 제한하는 역할을 하고 임피던스는 교류회로에서 작용하며 주파수에 따라 전류와 전압의 상관 관계를 설명함

 

커패시터의 임피던스는 주파수가 커질수록, 용량값이 클수록 작아짐

이는 용량 리액턴스라고 함

$x_C=\frac{1}{2 \pi fc}$

$x_C$ : Capacitance reactance, f : Frequency, C : Capacitance

 

- 주파수의 특성

 

커패시터의 임피던스는 주파수가 증가함에 따라 감소하다가 특정 주파수부터 증가함

등가회로에서 C에 의한 임피던스는 계속해서 작아지지만, 직렬 인덕턴스 $L_S$가 증가하기 때문임

이로인해 커패시터 내부 구조에 의한 임피던스 증가현상이 일어남

 

https://techweb.rohm.co.kr/product/nowisee/7549/ 참고

 

이때 임피던스가 증가하기 시작하는 주파수를 자기공명주파수라고 함

* SRF : Self Resonance Frequency

커패시터를 적용함에 있어서 SRF 주파수가 넘어가지 않는 영역에서 사용해야 함

SRF를 넘어선 주파수라면, 이 캐패시터는 더 이상 C가 아니라 L로 동작하기 때문임

 

- 전압 특성

 

커패시터는 인가되는 DC 전압에 의해 용량이 변할 수 있음

 

 

- 온도 특성

 

 

커패시터의 종류에 따라 온도 특성이 다르게 나타나며 설계제품의 사용 온도 환경을 고려하여 해당 온도에서의 커패시턴스를 확인해야함

 

4. 커패시터 기능

 

- 배터리

 

고용량의 커패시턴스는 배터리 기능을 함

전원의 순간전 단절이나 부하전류의 순간적인 증가로 인해 발생하는 전원라인의 전압 강하 완화

 

 

- 커플링, 직류전원 차단

 

커플링이란 직류와 교류가 결합된 신호에서 교류만 통과시키는 기능을 말함

이는 직류 DC를 차단하는 DC Blocking 기능을 함

특정 IC나 회로는 DC 전류의 인입이 제한되므로, 이럴 경우 DC를 차단하기 위해 DC Bolcking용 커패시터를 이용함

 

- 바이패스

 

DC 전원을 만들어내는 전원회로는 기능 구조상, 또는 전원회로 입력 전원의 특성상 출력 전원에 DC 이외의 AC 신호가 포함되어 있음

바이패스$(Bypass)$ 커패시터는 주로 DC 전원라인에 포함되어 있는 AC 신호를 접지로 빼주는 역할을 함

 

- 디커플링

 

디커플링$(Decoupling)$은 커플링이 되지 않는다는 뜻으로 다른 회로나 단자에 영향을 주지 않게 하기 위한 용도로 사용됨

외부로부터 입력되는 노이즈를 차단하는 역할을 함

IC와 IC 사이, 또는 동일 IC에서 단자 사이의 커플링을 차단함

디커플링은 바이패스와 같은 원리이기 때문에 구분하지 않고 사용됨

 

 

5. 커패시터 회로

 

- 주파수에 대한 커패시터의 임피던스

 

다음은 여러 주파수에 따른 커패시터의 임피던스를 나타낸 것임

이때 커패시터는 병렬로, 인덕터는 직렬로 연결해야함

 

커패시터는 용량이 클수록 저주파에서 SRF를 형성함

위와같이 커패시터의 용량이 클수록 공진주파수지점이 왼쪽으로 이동하는 것을 알 수 있음