콘덴서란? – 종류와 역할 (축전기, 콘덴서, 커패시터 차이점)

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콘덴서 / 蓄電器 / capacitor

전자/전기 계열에서 전기를 모으고 방출하기 위해서 사용하는 콘덴서는 영미권에서는 커패시터(condensor), 한자로는 축전기(蓄電器)라고 부른다.

많은 분들이 콘덴서라는 명칭을 많이 들어서 익숙하게 생각하지만 축전기, 커패시터 모두 같은 뜻이기 때문에 차이가 없다.

전자/전기에 관련된 공부나 일을 하는 분들은 다양한 종류의 커패시터 볼 수 있는데 이번 시간에는 콘덴서의 기능과 종류에 대해서 알아보자

1. 기능

  • 전압이 높은 경우 전하를 모으는 기능을 한다.
  • 전압이 낮으면 전하를 방출하여 전원 전압과 동일한 전위차를 유지
  • 전압의 급격한 변화를 막아주는 역할
  • 직류를 차단하고 교류는 흐를 수 있도록 해준다.
  • 저주파는 막고 고주파는 잘 통과시켜 노이즈를 잡아줌

캐패시터는 위와 같은 기능을 통해서 안정적으로 전기를 공급해 주는 역할을 하며 전하를 저장했다가 내놓기 때문에 다양한 용도로 활용할 수 있다.

2. 종류

콘덴서
콘덴서

전해 축전기

전기 분해를 통해서 양극 금속의 표면에 피막을 형성하고 주변을 감싸듯이 음극을 붙여서 제작하는 방식으로 알루미늄 혹은 탄탈을 많이 사용한다.

1. 알루미늄 전해 커패시터

PCB에 부착된 알루미늄 전해 커패시터는 크기가 작지만 고압에도 버틸 수 있는 제품은 음료수 캔보다 큰 경우도 있다.

알루미늄 콘덴서는 극성이 정해져있기 때문에 잘못 장착하거나 전압이 높으면 윗부분이나 아랫부분이 부풀며 터질 수 있으므로 주의가 필요하다.

2. 폴리머 전해 커패시터

알루미늄 전해 커패시터와 비교해서 수명이 길고 안정적이기 때문에 2010년 초중반 이후의 메인보드에 많이 사용되었다.

다만 전류 용량이 커질수록 가격이 크게 상승하며 부피도 커지기 때문에 많은 전압이 가해지는 제품에는 사용하기 적합하지 않다.

3. 무극성 전해 커패시터

주로 오디오 회로에 사용되는 콘덴서로 극성의 구분이 없기 때문에 반대 방향으로 전압을 가할 수 있다는 장점을 가진다.

무극성 커패시터 옆면에는 NP, BP라고 표시되어 있으며 가끔 극성이 반전되는 DC 회로에 적합하다.

4. 탄탈 전해 커패시터

공식 명칭은 탄탈럼 전해 커패시터로 저전압 영역에 많이 사용하고 있으며 SMD 실장이 가능해 소형 전자기기에 활용할 수 있다.

알루미늄 전해 커패시터와 비교하면 안전성과 손실률은 낮지만 과전압이 가해지거나 극성을 잘못 연결하면 쉽게 폭발하기 때문에 주의가 필요하다.

필름 축전기

폴리에틸렌, 폴리스티렌 등 플라스틱 필름을 유전체를 사용하며 양 극에 교대로 연결된 금속막과 절연체를 여러 번 감는 방식으로 만든다.

선형성, ESR, 온도계수, 정밀도가 높지만 전열체를 얇게 만드는 과정이 어렵기 때문에 가격이 비싸서 자주 보기는 어렵다.

  • 폴리에스테르 필름 커패시터 (상표 이름 마일러 콘덴서로 많이 부른다)
  • 폴리프로필렌 필름 커패시터 (고가의 오디오에 들어간다)
  • 메탈라이즈드 폴리프로필렌 커패시터 (오디오에 적용할 목적으로 설계된다)
  • 폴리스티렌 커패시터 (스티롤 혹은 스치롤 커패시터라고도 불린다)
  • X등급 안전 필름 커패시터 (쇼트 발생 시 화재 위험이 있는 회로에 활용)

세라믹 축전기

필름 커패시터와 비슷한 구조를 가지고 있지만 절연체를 세라믹으로 사용하는 방식으로 전 세계 점유율의 40% 정도를 일본이 차지하고 있다.

세라믹 커패시터는 특정한 전압 구간에서 높은 유전율을 보이기 때문에 높은 전기용량을 저장하여 현대 회로에서 중요한 역할을 담당한다.

소형화 제작이 가능하기 때문에 같은 크기의 전해 콘덴서와 비교했을 때 최대 100배 수준의 용량을 자랑하며 공통적으로 ESR, ESL 값이 매우 낮은 편이다.

하지만 선형성이 매우 떨어지고 전류를 가하면 부도체가 팽창과 수축을 하면서 소리가 나기 때문에 수 오디오 장비에서는 사용을 꺼린다.

세라믹 커패시터는 Class로 구분하며 1, 2를 많이 사용하는데 Class 1의 NP0는 높은 선형성과 낮은 온도계수를 보여주지만 용량이 매우 낮다.

반면 Class 2의 X7R은 선형성과 온도계수가 매우 높지만 용량이 매우 높기 때문에 용도에 맞는 제품을 구입하는 것이 가능하다.

1. 적층 세라믹 커패시터

산화티탄, 티탄산바륨, 스테아타이트 등 자기 유전체를 사용해 크기가 작고 정전용량이 크며 절연 특성이 우수해 소형 디지털 기기에 필수적으로 들어간다.

최근에 만들고 있는 소형 디지털 기기의 기판에 대부분 들어가기 때문에 백색, 황토색, 암갈색을 띠고 있으면 적층 세라믹 콘덴서일 확률이 높다.

용량이 낮으면 흰색에 가까워지고 높을수록 어두운 갈색을 띠기 때문에 용량 값을 표기하지 않아도 어느 정도 짐작이 가능하다.

2. 마이카 커패시터

실버 마이카 커패시터의 경우 음색 튜닝용으로 활용하기 좋기 때문에 사운드가 중요한 오디오 제품에서 많이 볼 수 있다.

3. 고압 세라믹 커패시터

수백 볼트에서 많게는 수천~수만 볼트 이상의 한계 전압을 가진 세라믹 커패시터로 용량이 크기 때문에 짙은 갈색을 띠고 있다.

그중에서도 Y등급 세라믹 커패시터는 과전압이 발생으로 파괴되는 경우 쇼트가 발생하지 않고 회로가 끊어지도록 설계한다.

오일 축전기

부도체를 기름을 사용하는 방식으로 온도가 높아지면 펌프나 대류를 사용하여 기름을 히트싱크로 보내서 냉각시킨 다음 다시 넣을 수 있다.

오일 커패시터는 일반적으로 높은 에너지를 필요로 하는 곳에서 많이 사용하고 따뜻한 음색 덕분에 오디오 커패시터로 쓰이기도 한다.

종이를 사용한 페이퍼 오일 커패시터 방식도 있는데 대역폭은 좁지만 빈티지스럽고 따뜻한 음색으로 오디오에 많이 쓰인다.

대중적이지 않은 방식이기 때문에 가격대가 상당히 높고 오디오 애호가들의 말에 따르면 길들이는 시간도 오래 걸린다고 한다.

가변 축전기

Variable Condenser 약어는 VC 흔히 바리콘으로 불리는 가변 커패시터는 전극을 움직여서 용량의 크기를 임의로 조절하고 변화하게 만들 수 있다.

그래서 라디오나 측정용 장비에 많이 쓰이며 현대에 들어서는 사용량이 줄어들고 있기 때문에 역사 속으로 사라질 전망이다.

1. 에어 바리콘

금속으로 제작 공기를 유전체로 사용하는 방식으로 70년대에 주파수를 사용하는 기기에 많이 사용했지만 최근에는 보기 어렵다.

2. 폴리 바리콘

플라스틱과 알루미늄막을 겹쳐서 만든 가변 콘덴서로 2015년까지 많이 사용했지만 DSP 수신기가 확산되면서 거의 사용하지 않는다.

슈퍼커패시터

이름 그대로 대용량을 자랑하기 때문에 울트라커패시터라고도 불리며 배터리와 비슷한 용도로 활용하기 위한 연구가 계속되고 있다.

그 이유는 용량이 크기 때문에 배터리와 비슷한 기능을 할 수 있으면서 특성상 고속 충전, 고속 방전이 가능하기 때문이다.

그래서 보통 기기 내부에 설치되어 설정용 메모리에 일시적으로 전력을 공급하거나 정전 시 동작하는 안전기기 등에 활용되고 있다.

장점

  • 전력 밀도가 크다.
  • 10만 번 이상 충전과 방전이 가능하다.
  • 전류의 크기에 따라서 고속 충전이 가능
  • 내부저항이 0.3mΩ 정도로 방전이 빠르다.
  • 온도가 낮아도 성능 저하가 적다

단점

  • 에너지 밀도가 배터리에 비해 떨어진다.
  • 가용 에너지에 비해서 가격이 비싸다.
  • 부식 등 내구성이 떨어진다.

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