커패시터

두 판 사이에 전하를 모음

커패시터는 가까이 마주 본 두 금속판이다. 사이에는 전기를 통하지 않는 절연체, 곧 유전체가 끼어 있다.

전압을 걸면 한 판에 + 전하가 모이고, 맞은편 판에는 같은 양의 − 전하가 모인다. 사이가 막혀 있어 전하는 건너가지 못하고 양쪽 판에 쌓이기만 한다.

담을 수 있는 전하의 양이 용량 C다.
Q = C · V, 즉 전하는 용량에 전압을 곱한 값이다.
단위는 패럿(F)이다. 실제 값은 작아서 µF, nF, pF를 쓴다.

판이 넓을수록, 사이가 좁을수록, 유전체가 셀수록 C가 커진다.
C가 크다는 말은 같은 전압에서 더 많은 전하를 담는 큰 그릇이라는 뜻이다.

충전, 전압이 천천히 오른다

빈 커패시터에 전압을 걸면 전압이 한 번에 오르지 않는다. 곡선을 그리며 천천히 차오른다.

처음에는 비어 있어 전류가 확 들어간다. 전하가 쌓일수록 커패시터 전압이 공급 전압에 가까워지고, 밀어 넣을 차이가 줄어 전류가 잦아든다.

차오르는 빠르기는 시정수 τ = R · C가 정한다.
1τ가 지나면 약 63%, 5τ가 지나면 사실상 다 찬다(99%).
C가 크거나 R가 크면 τ가 길어져 더 느리게 찬다.

충전 곡선은 Vc = V(1 − e^(−t/τ))다.
시작은 가파르고 끝은 평평해지는 모양이 핵심이다.

방전, 끊으면 도로 내보낸다

충전된 커패시터를 공급에서 떼고 회로를 이으면, 담아둔 전하가 거꾸로 빠져나간다. 이것이 방전이다.
전압은 Vc = V0 · e^(−t/τ)로 떨어지고, 전류 방향은 충전 때와 반대다.

C를 키우면 곡선이 완만해져 천천히 차고 천천히 빠진다. V를 키우면 도달 높이가 올라간다.
충전이든 방전이든 모양은 같은 지수곡선이다. 한쪽은 올라가고 한쪽은 내려갈 뿐이다.

전압이 위치 에너지처럼 천천히 변한다는 점이 커패시터의 성격이다. 갑자기 바뀌지 못한다.

DC는 막고 AC는 통과

다 차고 나면 커패시터 전압이 공급과 같아져 전류가 0이 된다. 그래서 변하지 않는 DC는 결국 막힌다.

반대로 AC는 계속 방향이 바뀌어 커패시터가 찰 틈 없이 충전과 방전을 반복한다. 그 충전·방전 전류가 마치 전류가 통과하는 것처럼 보인다. 그래서 AC는 통과시킨다.

막는 정도는 주파수가 정한다.
임피던스 Xc = 1 / (2πfC)로 나타낸다.
주파수 f가 높을수록 Xc가 작아져 더 잘 통과한다. 낮으면 크게 막는다.

이 성질로 두 가지를 한다.
하나는 전원의 출렁임을 메워 매끈하게 만드는 평활이다. 에너지를 잠시 저장하는 역할이다.
다른 하나는 DC는 끊고 신호만 넘기거나 특정 대역만 골라내는 필터와 커플링이다.

정리, 전하를 담는 그릇

저항은 전류를 막아 열로 버리지만, 커패시터는 전하를 담았다 도로 내놓는다. 에너지를 버리지 않고 저장한다.

담은 에너지는 E = ½ C V²다.
전압을 갑자기 바꾸지 못하는 성질이 평활과 백업, 타이밍에 두루 쓰인다.

핵심은 세 가지다.
전압이 천천히 오르고, 끊으면 담아둔 전하를 내보내며, DC는 막고 AC는 통과시킨다.