지난번에는 커패시터의 기본 개념에 대해 알아보았는데요, 이번에는 실제 회로에서 커패시터가 어떻게 동작하는지 살펴보려고 합니다.
특히 직접 회로를 구성해 보거나 시뮬레이션을 진행해 보면 커패시터의 역할을 더 쉽게 이해할 수 있는데요.
이번에는 TINA 시뮬레이션을 활용하여 커패시터의 기능을 눈으로 확인하고, 다양한 활용 예시도 함께 알아보겠습니다.
또한, 유명한 커패시터 제조업체와 신뢰성 시험소에서 주로 사용하는 커패시터에 대해서도 폭넓게 다뤄볼게요.
목차
1. 회로에서 커패시터의 역할
2. 대표적인 커패시터 활용의 예
3. TINA 시뮬레이션으로 보는 커패시터
4. 커패시터로 유명한 회사들
5. 커패시터의 용량별 역할
6. 신뢰성 시험소에서 쓰는 커패시터의 종류
7. 결론
1. 회로에서 커패시터의 역할
커패시터는 단순히 전하를 저장하는 부품이 아니라, 전자회로에서 매우 중요한 역할을 합니다.
전압을 안정화하고, 신호를 필터링하며, 타이밍을 조절하는 기능도 수행하는데요. 이 때문에 전자회로에서 빠질 수 없는 필수 부품이라고 할 수 있습니다.
하나씩 정리해 보면 아래와 같아요!
- AC 신호의 필터링: 커패시터는 DC와 AC를 분리하는 역할을 하며, 전원 회로에서 리플을 제거하는 데 필수적으로 사용됩니다.
- 디커플링 및 바이패스: 전압 변동을 줄여 회로가 안정적으로 동작할 수 있도록 돕습니다.
- 발진 및 타이밍 회로: 클럭 생성 및 진동하는 회로를 구성할 때 필수적인 부품입니다.
- 전력 저장 및 방출: 순간적으로 많은 전력이 필요할 때 커패시터가 에너지를 방출하여 회로의 안정성을 유지합니다.
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전자기기를 뜯어보면 빠지지 않고 등장하는 부품 중 하나가 바로 커패시터(Capacitor)입니다. 이름만 들으면 어려워 보이지만, 쉽게 말해 전기를 저장하고 필요할 때 꺼내 쓰는 부품이에요. 스
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커패시터에 대한 기본을 먼저 알고 싶으시면 위의 포스팅을 참고해 주세요!
2. 대표적인 커패시터 활용의 예
우리 주변의 거의 모든 전자기기에는 커패시터가 사용되고 있습니다.
간단한 리모컨부터 자동차, 스마트폰까지 다양한 기기에 활용되는데요. 대표적인 활용 사례를 살펴보겠습니다.
- 스위칭 전원 공급장치(SMPS): 전압을 안정적으로 공급하기 위해 사용됩니다.
- 오디오 회로: 소리를 깨끗하게 만들고 왜곡을 줄이는 역할을 합니다.
- RF 및 통신 장비: 고주파 신호를 걸러내고 신호 간섭을 방지합니다.
- 자동차 전장 부품: ECU 등 전자제어 장치에서 안정적인 신호 처리를 돕습니다.
- 의료기기: 정밀한 신호 처리가 필요한 장비에서 필수적으로 사용됩니다.
3. TINA 시뮬레이션으로 보는 커패시터
이론적인 설명만으로는 이해하기 어려울 수도 있는데요. 직접 시뮬레이션을 활용하면 커패시터가 어떻게 동작하는지 더욱 직관적으로 파악할 수 있습니다.
TINA 같은 시뮬레이션 툴을 사용하면 커패시터의 필터링 역할을 쉽게 확인할 수 있습니다.
- 저주파 필터링: 커패시터 값을 조정하면서 신호 변화 과정을 확인할 수 있어요. 위처럼 TINA에 회로를 구성하면 어떻게 될까요?
주파수를 1500Hz 정도로 입력하면, 45도 정도 위상차가 생기고 진폭이 줄어드는 걸 확인할 수 있어요.
주파수를 4kHz 정도로 입력하면, 90도 정도 위상차가 생기고 진폭이 더 줄어드는 걸 확인할 수 있어요. 이해가 되시나요?
마지막으로 20kHz를 보면 진폭이 확연하게 줄어드는 걸 확인할 수 있어요. 이렇게 R-C값을 조정해서 낮은 주파수만 통과시킬 수 있도록 진폭을 조정할 수 있는 걸 확인할 수 있죠.
- 고주파 필터링 : 위와 반대로 고주파에서는 저항과 커패시터의 위치를 변경하면 고주파 필터회로를 구성할 수 있어요.
20kHz의 주파수를 입력할 경우 저항양단에는 거의 진폭이 줄지 않는 형태로 위상변화도 없이 출력되는 것을 확인할 수 있죠.
100Hz의 주파수를 넣어보니 아까 Low Pass Filter와 다르게 저주파에서는 진폭이 확연하게 주는 걸 확연하게 알 수 있죠? 이렇게 LPF와 HPF의 차이를 TINA Simulation을 사용하면 금방 알 수 있습니다.
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저는 지금까지 네 번의 이직을 했고, 지금은 다섯 번째 직장에서 일하고 있어요. 이전 직장들 중에서 세 번째까지는 주로 회로 설계 관련 일을 했었는데, 그때 여러 가지 설계 툴을
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TINA의 사용방법은 위의 포스팅을 보시면 이해가 되실 거예요 ^^!
4. 커패시터로 유명한 회사들
커패시터를 생산하는 회사들은 많지만, 그중에서도 특히 신뢰도가 높은 브랜드들이 있습니다. 우수한 커패시터를 찾고 계신다면 아래 회사들의 제품을 참고해 보시면 좋겠습니다.
- Murata(무라타): 세라믹 커패시터 시장에서 세계적인 인지도를 가지고 있습니다.
- TDK: 자동차 및 산업용 커패시터 분야에서 강한 경쟁력을 보유하고 있습니다.
- Panasonic: 고품질 전해 커패시터를 다수 제조하고 있습니다.
- Nichicon: 장수명 및 고내압 전해 커패시터를 전문적으로 생산합니다.
- Samsung Electro-Mechanics(삼성전기): MLCC(적층 세라믹 커패시터) 분야에서 세계적인 기술력을 보유하고 있습니다.
5. 커패시터의 용량별 역할
커패시터는 용량에 따라 그 역할이 달라지는데요. 용량이 적은 커패시터와 큰 커패시터는 서로 다른 용도로 사용됩니다.
- 낮은 용량(수 pF ~ 수십 nF): RF 신호 필터링 및 튜닝 회로에서 사용됩니다.
- 중간 용량(수십 nF ~ 수 μF): 전원 회로에서 디커플링 및 바이패스 역할을 합니다.
- 높은 용량(수십 μF ~ 수천 μF): 전력 저장 및 전압 변동 방지 용도로 사용됩니다.
- 극초고용량(수 mF 이상, 슈퍼커패시터 포함): 에너지 저장 장치로 활용되며, UPS와 같은 시스템에서 중요한 역할을 합니다.
6. 신뢰성 시험소에서 쓰는 커패시터의 종류
신뢰성 시험소에서는 고전압이나 고전류 환경에서 돌입전류(Inrush Current) 제어나 서지 보호를 위해 사용커패시터를 사용해요.
이런 용도의 커패시터는 신뢰성 시험소에서 고전압 펄스 생성, 전력 서지 시뮬레이션, 방전 테스트 등에 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 커패시터 종류는 다음과 같습니다.
🔹 고전압·고전류 돌입전류 테스트에 사용되는 커패시터 종류
1️⃣ 펄스 커패시터 (Pulse Capacitor)
- 필름 커패시터(MKP, MPP)
- 폴리프로필렌 필름을 사용해 높은 절연 내전압을 가짐
- 높은 dv/dt 특성을 가지며, 순간적인 고전압·고전류 충·방전 가능
- 고전압 돌입전류 발생, 서지 보호, 방전 테스트용으로 사용됨
- 대표적인 제품: CDE (Cornell Dubilier) 940C 시리즈, WIMA FKP1/FKP4
- 유리 섬유 필름 커패시터 (Glass-Film Capacitor)
- 고온, 고압 환경에서도 안정적
- 높은 에너지 밀도로 강한 서지 테스트 및 방전 실험에 사용됨
2️⃣ 고전압 세라믹 커패시터 (High Voltage Ceramic Capacitor)
- 디스크형 세라믹 커패시터 (Y-cap, X-cap)
- 고전압 펄스 시험 및 서지 보호 역할
- EMI 필터 및 파워 서플라이 돌입전류 제어 용도로 사용
- 대표적인 제품: TDK UHV 시리즈, Murata DE 시리즈
- MLCC (다층 세라믹 커패시터) 고전압 타입
- 1kV~10kV 이상의 고전압 테스트에 사용
- 빠른 응답 속도로 고주파 펄스 회로에서 활용됨
3️⃣ 고전해 커패시터 (High Voltage Aluminum Electrolytic Capacitor)
- 전력 시스템에서 대용량 에너지 충·방전 용도로 사용
- 돌입전류 및 서지 보호를 위해 큰 용량 (수천 μF 이상)과 높은 정격 전압 (450V~1,000V 이상) 필요
- 대표적인 제품: Nichicon GG 시리즈, KEMET ALS 시리즈
4️⃣ 슈퍼커패시터 (Supercapacitor, EDLC)
- 초고용량을 활용한 돌입전류 완화 및 임시 전력 공급
- 충·방전 속도가 빠르고, 서지 완화 용도로도 사용됨
- 대표적인 제품: Maxwell BMOD 시리즈, AVX SCM 시리즈
🔹 신뢰성 시험소에서 사용 예시
✔ 서지 테스트 (Surge Test)
✔ 돌입전류 시험 (Inrush Current Test)
✔ 방전 회로 (Discharge Circuit) 시뮬레이션
✔ 고전압 내성 테스트 (High Voltage Withstand Test)
이런 테스트에서 필름 커패시터(특히 폴리프로필렌 계열)나 고전압 세라믹 커패시터가 많이 사용되며, 대용량 고전해 커패시터는 순간적인 충·방전 시뮬레이션에 활용됩니다.
7. 결론
오늘은 커패시터가 전자회로에서 수행하는 다양한 역할에 대해 알아보았습니다. 단순히 전하를 저장하는 부품이 아니라, 전자기기의 성능과 안정성을 결정하는 중요한 요소라는 점이 인상적이었는데요.
특히 시뮬레이션을 활용하면 이론적으로 배운 개념이 실제 회로에서 어떻게 적용되는지를 쉽게 이해할 수 있습니다. 앞으로 커패시터를 직접 선택하고 활용할 때 오늘 배운 내용을 참고하시면 더욱 도움이 될 것입니다.
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