캐패시터의 특성

소개글

캐패시터의 특성에 대한 보고서 자료입니다.

목차

- 목 차 -
콘덴서(캐패시터)

Ⅰ. 개 요
ⅰ) 캐패시터의 구조와 원리
ⅱ) 캐패시터 용량의 단위


Ⅱ. 캐패시터의 분류
․ 유전체, 형상, 기능에 따른 분류

Ⅲ. 개념 및 내용
ⅰ ) 기초개념
ⅱ) 물리적 한계
ⅲ) 유전체 & 손실계수
ⅳ) ESR & ESL

본문내용

이 유전율이 무려 15000 이나 되는 물질도 있다. 같은 부피에 서 진공 캐패시터에 비해 무려 15000배의 용량에 해당된다. (다만 유전율이 큰 물질은 다른 특성에 대해서는 예외인 경우가 많다.)
(참고) 유전체를 넣으면 전기장이 강화된다고 하였다. 실제로 그런가 확인해보면,
전기장은 + 에서 - 방향이다. 늘어선 분자들을 보면 - 극성은 + 쪽으로 끌려가고 + 극성은 - 쪽으로 끌려간 결과는 가해진 전기장을 상쇄하는 방향이다.
좀 더 자세히 살펴보면,
(1)은 유전체가 없는 경우. 그리고 (2)는 유전체를 넣었을 경우. 파란 화살표는 전극 에 모인 전하에 의한 전기장이고 노란 화살표는 유전 분극에 의한 전기장이다. (1),(2) 를 더하면 (3)이 된다. 즉 같은 전압을 가했을 경우 1번과 3번의 전기장은 동일하다. (E=V/d, 즉 전기장은 전압과 거리에 의해서만 결정) 그러나 보이는 전기장이 동일하니 저장된 에너지도 같다고 하시면 안된다. 겉보기에는 전기장이 같아도 그 안에는 (2)번 의 파란색 화살표 만큼 전하들이 전기장을 모아 놓고 있는 것이다. 따라서 같은 전하 에서 유전체를 넣으면 전기장은 약해짐 이라는 결론을 내릴 수 있다. 즉, 같은 전하에 서 전기장이 약해진다는 뜻은 캐패시턴스도 더 크다는 뜻이 된다.
3) 유전체 & 손실계수
다양한 어플리케이션에 맞추어 효율적인 엔지니어링을 달성하기 위해 온갖 유전체를 사 용하게 되는데, 그렇기 때문에 많은 종류의 캐패시터가 존재한다. 유전체의 특성에 따라 서 캐패시터의 특성이 많이 달라지기 때문이다. 앞서 유전체는 전기적 극성을 갖고 있 는 분자를 재정렬 시킴으로서 전기장을 강화시킨다고 하였다.
이상적인 캐패시터는 에너지의 손실이 없는 소자이지만, 유전체를 넣은 실제의 캐패시 터는 유전체 분자를 재정렬하는, 전기적 충방전의 과정에서 에너지가 손실될 수 밖에 없 다. 분자를 제자리에서 돌리는데도 힘은 필요하기 때문이다. 캐패시터를 구성하는 도선을 초전도체로 만들지 않는 이상, 저항을 갖게 되고 저항을 따라 전류가 흐르면 이 또한 손 실이 된다. 이 두 손실을 합쳐서 Dissipation Factor (DF 또는 Tangent delta)로 표시한 다. 이 수치가 높다면 그만큼 손실이 크다는 것이고 손실된 에너지는 열로 바뀌어 캐패 시터의 수명을 단축시키거나 심한 경우 단번에 파괴시키기도 한다. 따라서 전류가 많이 흐르는 전원 회로에 들어가는 캐패시터에게는 매우 중요한 스펙이다. (주파수마다 손실이 다르기 때문에 DF 는 특정 주파수에 대해서 정의 한다. 비슷한 손실 개념인 ESR(Equivalent Series resistance) 은 이 손실이 모든 주파수에서 같다고 가정하는 것이 다.) 유전체가 절연체라고는 하지만 저항이 무한대는 아니다. 저항이 무한대가 아니란 말은 전압을 가하면 미소하게나마 전류가 흐른다는 뜻이기도 하다. 유전율이 높은 유전체는 높은 부피대 용량비를 달성할 수 있지만 보통 이 절연 저항도 작다. 보통 leakage current 스펙이나 절연 저항 스펙으로 이러한 유전체의 특성을 표시한다. 가끔 유전체를 타고 가던 전하가 유전체 사이에 끼어 오도가도 못하는 경우가 발생하는 데, 이 현상을 유전 흡수(Dielectric Absorption)라 합니다. 이 현상에 의해서 캐패시터에 전압을 충전하고 나서 양쪽 터미널을 쇼트시켜 완전히 0v 로 방전시킨 뒤라도, 다시 터 미널을 열어두면 유전체 사이에 숨어있던 전하가 다시 튀어나와 캐패시터 양단에 전압이 다시 나온다. 전하를 저장했다가 그 값을 읽어야 하는 회로에서는 작으면 작을수록 좋다. 그 밖에도 이 유전체 재질에 따라 캐패시터가 견딜 수 있는 온도라던가, 온도에 따른 캐패시턴스 변화량, 캐패시터의 수명 등이 결정된다.
4) ESR & ESL
이상적인 캐패시터는 주파수가 올라감에 따라 저항이 0으로 접근해가는 임피던스 특성 을 갖고 있다. 하지만 이는 이상적인 유전체에 해당한다. 유전체에 전기장을 가하고 그 내부의 분자들이 완전히 정렬하는데는 시간이 필요하다. 이는 캐패시터의 응답 속도에 한계가 있다는 뜻과 같다. 또한 전기장이 유도되는 곳에 캐패시턴스가 존재하는 것처럼 자기장이 유도되는 곳이라면 언제나 인덕턴스가 존재한다. 도선에 전류가 흐르기만 해도 생성되는 것이 자기장이다 보니, 필연적으로 어디에나 인덕터가 따라 붙게 된다. 특히 캐 패시터의 부피를 줄이기 위해서 아래와 같이 돌돌 말아 만들기도 하는데요. 이렇게 돌돌 말린 구조에서는 전류가 흐르면서 자기장이 증폭되기 때문에 더더욱 큰 인덕턴스를 갖는 다.
이렇게 생성되는 인덕터, 저항등으로 인하여 실제 캐패시터의 임피던스는 아래 그래프 와 같이 복잡하게 나타난다. ( 각 캐패시터의 ESR. * 캐패시터에 따른 ESR 만을 고려한 그래프이므로 큰 의미는 없다.)
그래프에서 볼 수 있듯이 실제 캐패시터는 특정 주파수 이상에서 캐패시터가 아니라 인 덕터가 된다. (주파수가 올라감에 따라 저항이 커짐) 이 주파수 이상에서는 캐패시터로서 의 존재가치가 사라진 것이다. 어떤 유전체를 가지고 또 어떻게 만드냐에 따라 이 주파 수가 결정된다. 초고속 회로에 사용되는 캐패시터에는 가장 중요한 스펙이 된다. 위의 모든 특성을 정리하여 아래와 같은 회로 모델로 나타내면.
ERS : 손실을 나타냄 ESL : 인덕터를 나타냄 절연 흡수(DA) : 저항 캐패시터 직렬 네트워크 절연 저항 : 병렬저항
간단한 모델이지만 대부분의 경우 이 정도로 충분하다. 또한 그 대부분의 80%는 ESR, ESL 만이 중요하다. 다음은 ESR 과 ESL 에 대한 그래프이다.
ESL이 낮으면 낮을 수록 높은 주파수에서까지 좋은 캐패시터가 되고, ESR 또한 낮을 수록 특성이 좋아진다. 그런데 낮은 ESR의 뾰족한 피크는 실제로도 너무 날카로운 임피 던스 커브가 가끔 문제가 된다. ESR 이 필요 이상으로 낮으면 가끔 발진(oscillation) 이 일어나기도 한다. 발진이 일어나면 원하는 신호가 완전히 묻혀버리거나 파워라인이 문제 가 생겨 회로가 정상적으로 동작하지 않기도 하고 심한 경우 타버리기도 한다.
<참고> 유전율표

키워드

커패시터,   캐패시터,   콘덴서,   condenser,   capacitor,   Capacitor,   Condenser