⊙ 콘덴서
1. 콘덴서의 동작원리
콘덴서(condenser)란 그림2와 같이 두 도체를 서로 가까이 한 것으로 전기를 저장해 둘 수가 있는데(여기에서 전기저장을 충정이라함 : 充電 : charge)이와 같은 콘덴서에는 그림1과 같이 여러 가지가 있다.

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<그림1>                              <그림2>

그림2(a)와 같이 금속판을 가까이 놓아 서로 마주 보도록 한다음 전지를 연결하면 전기는 있는데서 없는 쪽으로 균형이 잡혀 안정된 상태가 될 때까지 이동하므로 그림2(b)와 같이 금속판 a에는 +가 나타나고 금속판 b에는 -가 각각 나타나게 된다.
그런데 금속판 a의 +와 b의 -는 서로 가까이 있어 흡인력이 작용하기 때문에 전지를 제거해도 +와 -는 금속판(극판이라함)에 그대로 남아 있게 되는 것이다.(이것을 충전이라 함). <이것은 마치 여름철에 처녀총각이 아무런 생각없이 바람을 쏘이려고 강가에 나갔으나 강건너편에 이성이 보이자 마음이 끌려 점심때가 되어도 점심식사를 하러 가는 것도 잊고 강가에 머뭇거리며 남아있는 것과 같다.>
콘덴서가 충전할 수 있는 정도 즉 용량(容量 : capacity : 약호 C)은 마주보는 극판의 면적(대향면적이라 함)이 넓을수록 전하가 머물러 있을 곳이 많아지기 때문에 커지고 또 극판이 가까울수록 흡인력이 증가하여 커지며 극판사이에 유전체(절연물)의 종류에 따라서도 용량은 커진다.절연물을 극판사이에 넣으면 그림3(b)와 같이 정전유도 작용에 의해서 절연물에 +와 -의 전하가 발생하여 그림3(c)와 같이 극판이 접근한 것과 같으므로 용량이 커지는 것이다.
<강가에서 뚝이 길면 보다많은 사람이 서서 강건너편의 이성(異性)을 바라볼 수 있고(극판의 대향면적이 넓으면 용량이 커짐) 강의 넓이가 좁을수록 이성의 매력을 느낄수 있어 마음이 더욱 끌리며(극판이 가까울수록 용량이 커짐)나룻배가 있다면 더욱 기대하는 바가 커지는 것과 같은 것이다(절연물이 있으면 더욱 용량이 커짐)>

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<그림3>

이와 같이 콘덴서에 충전할 수 있는 정도 즉 용량의 크기는 극판의 면적과 간격 및 유연체(절연물)에 따라서 결정된다. 이처럼 콘덴서의 용량은 여러 가지 조건에 따라서 달라지므로 콘덴서는 1V의 전압을 공급했을 때 1쿠울롬의 전하가 충전되는 콘덴서의 용량을 1패러드(farad :F)라 정했다. 이것이 콘덴서의 용량의 기본단위이다.
1F(패러드)는 실용적으로는 단위가 너무 크기 때문에 다음과 같은 보조단위를 많이 이용하고 있다.
1/106F=1μF(마이크로 패러드)
1/106μ1F=1μμF(마이크로 마이크로 패러드)
*1μμF는 1pF(피코 패러드)라고도 함
106pF=1μF, 1012pF=1F 0.0001μF=100pF

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<그림4>                                  <그림5>

그림4와 같이 꼭같은 전압을 공급할 지라도 용량이 큰 콘덴서에는 용량이 적은 것보다 더 많은 전하가 담아집니다. 이것은 그림5와 같이 용량이 큰 물탱크에는 더 많은 물이 흘러 들어갈 수 있는 것과 같다.
또 그림6과 같이 같은 용량의 콘덴서일지라도 더 높은 전압을 공ㄱ브하면 공급할수록 비례하여 더 많은 전하가 담아진다. 이것은 그림7과 같이 물은 같은 높이가 될 때까지 이동하므로 물을 공급하는 측의 높이가 높을수록 빈 물탱크에 더 많은 물이 담아지는 것과 같은 것이다.
이상의 결과를 종합하면 콘덴서에 충전되는 전기량(Q)은 콘덴서의 용량(C)에 비례하고 공급전압(V)에도 비례한다.

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<그림6>                              <그림7>

이것을 식으로 나타내면 Q∝C·V가 된다. 그런데 콘덴서용량의 단위결정에서 설명한 바와 같이 공급전압 1V DPT 1쿠울롬의 전하가 충전되는 콘덴서의 용량을 1F라 정했으므로 이것을 Q∝C·V에 대입하면 1∝1×1이 되어 좌측항 1과 우측항 1×1이 같으므로 비례기호(∝)를 등호(=)로 바꾸어 Q=C·V로 놓을 수 있다.
위의 식에 의하면 콘덴서에 많은 전기를 저장하려고 할 때는 가급적 용량을 크게 하고 공급전압을 높게 하면 된다는 것을 알 수 있다.
위의 식에서 V나 C를 이항하면(옯기면) C=Q/V, V=Q/C의 식이 얻어진다.
콘덴서의 용량(C)의 3가지 중 임의의 두가지를 알면 남은 한가지는 위의 식들에 의하여 구할 수 있다.

21-8.gif (6799 bytes)그림8(a)와 같이 콘덴서에 직류(DC)를 공급하면 C에 충전되는 동안만 잠시 순간적으로 전류가 흐르고 그 뒤에는 전혀 전류가 흐르지 않는다(직류는 C를 통과하지 않음). 그러나 그림8(b)와 같이 교류(AC)를 공급하면 +와 -가 바뀌는 대로 충전(charge)과 방전(discharge : 중화되는 것을 말함)
이 계속되어 도선에는 교류전류가 흐르므로 교류는 C를 통과하는 것이 된다(교류는 C를 통과함)즉 콘덴서는 직류를 통과시키지 않으므로 지류에 대해서는 무한대의 저항으로서 작용하거나 교류는 통과시키므로 교류에 대해서는 적은 저항으로 작용함.





         <그림8>

2. 콘덴서의 연결
콘덴서를 연결하는 방법도 저항을 연결하는 방법과 같이 병렬연결, 직렬연결, 직병렬연결법의 3가지가 있다.
①병렬연결(parallel connection) : 그림9와 같이 전류가 흐르는 길이 여러갈래의 길이 되도록 콘덴서를 두 단자에 공통으로 연결하는 방식인데 보다 큰 용량을 필요로 할 때 이용합니다. 병렬로 연결했을 때 합성용량은 병렬로 연결된 모든 콘덴서의 용량을 합한 것과 같다.

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<그림9>

이것을 식으로 나타내면 Ct=C1+C2+C3가 된다.
용량이 0.1μF, 0.2μF, 0.5μF인 3개의 콘덴서가 병렬로 연결되었다면 합성용량
Ct=0.1+0.2+0.5=0.8μF가 되는 것입니다.
0.5μF콘덴서 5개를 병렬로 연결하면 Ct=0.5+0.5+0.5+0.5+0.5=0.5×5=2.5μF가 된다. 꼭같은 용량의 콘덴서를 병렬로 연결했을 때의 합성용량을 구하려면 1개의 용량에 개수를 곱하면 된다. 또 1000pF의 콘덴서와 1pF의 콘덴서를 병렬로 연결하면 Ct=1000+1=1000pF가 된다.
이상의 결과에 의하면 월등히 적은 용량과 큰 용량의 콘덴서를 병렬로 연결하면 월등히 적은 용량은 무시된다는 것을 알 수 있다. 콘덴서를 병렬로 연결하면 그 중 가장 큰 용량의 콘덴서보다도 용량이 더욱 커진다.
② 직렬연결(series connection) :그림10과 같이 전기의 통로가 외길이 되도록 연결하는 방식인데 더욱 적은 용량을 얻으려고 할 때 이용한다. 직렬로 연결했을 때의 합성용량은 각 콘덴서의 용량역수(逆數)총합의 역수와 같다. 이것을 식으로 나타내면 합성용량 이 된다.(저항연결공식참조).

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<그림10>

용량이 0.3μF인 콘덴서 3개를 직렬로 연결하면 합성용량 eqn2.gif (452 bytes)가 되는 것이다.
콘덴서의 용량은 직렬로 연결할수록 감소한다. 위의 결과에 의하면 꼭 같은 용량의 콘덴서가 직렬로 연결되었을 때 합성용량은 1개의 용량을 개수로 나눈것과 같다는 것을 알 수 있다. 또 1000pF와 1pF를 직렬로 연결했을 때의 합성용량eqn3__htm_eqn1.gif (591 bytes)가 되어 월등히 적은 용량의 콘덴서에 큰 용량의 콘덴서를 직렬로 연결하면 그 중 큰 용량의 콘덴서는 무시된다. 콘덴서를 직렬로 연결하면 합성용량은 그 중 가장 적은 용량보다도 더욱 적어진다.
③ 직병렬연결(seriec parallel connection) : 그림11과 같이 직렬연결과 병렬연결이 조합된 것으로 적당한 용량을 얻고자 할 때 이용한다. 직렬연결법이나 병렬연결법만으로는 꼭 맞는 용량을 얻을 수 없는 때가 있다.

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<그림11>                                 <그림12>    

이러한 경우에 직병렬ㅇ녀결법을 이용하는 것이다. 예를 들어서 100MF(μF를 MF로 표시하기도 함)의 콘덴서만 여러개 있는데 꼭 75MF가 필요하다면 직병렬연결법을 이용해야 한다.
100MF를 2개만 직렬로 연결하여도 50MF가 되어 25MF나 부족되므로 그림12와 같이 100MF 4개를 지렬로 연결하여 25MF를 만든 다음 100MFZHSEPS서 2개가 직렬로 연결된 합성용량 50MF에 병렬로 연결하여 75MF의 용량을 얻는 것이다. 직병렬연결회로의 합성용량을 계산할 때는 직렬로 된 부분과 병렬로 된 부분만으로 나누어 계산한 다음 종합해가면 된다.
그림12와 같은 회로의 합성용량을 계산하려고 할 때는 ab사이의 직렬로된 부분만의 합성 용량(Cab) 50MF를 구하고 다음에는 cd사이의 직렬로 된 부분만의 합성용량(Ccd)25MF를 구하여 50MF(Cab)와 25MF(Ccd)는 병렬로 연결되어 있으므로 병렬합성용량(CAB)을 구하면 75MF가 되는 것이다.
지금까지는 콘덴서의 연결공식을 응용하였는데 여기에서는 참고로 그러한공식이 어떻게 유도되어 나왔는가를 생각해보기로 하겠다.
※병렬연결시의 합성용량을 구하는 공식유도

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   <그림13>                                  <그림14>

그림13과 같이 콘덴서를 병렬로 연결하면(a)그림은 (b)그림과 같고 (b)그림은 다시 (c)그림과 같으므로 대향면적을 넓힌 것과 같아서 용량이 커진다.
그림14와 같이 V를 공급하였을 때 Q의 전하가 흘러서 C1에 Q1의 전하가 충전되고 C2에는 Q2, C3에는 Q3의 전하가 각각 충전되었다고 하면 Q=Q1+Q2+Q3가 된다. 그런데 Q=C·V의 공식에 의하면 Q1=C1·VQ2=C2·VQ2=C3·V가 되므로 이것을 위의 식에 대입하면
Q=Q1+Q2+Q3=C1·V+C2·V+C3·V=V(C1+C2+C3)
V를 이항하면 Q/V=C1+C2+C3가 된다. 그런데 Q/V=C의 공식에 의하면 Q/V는 V의 전압이 공급 되고 Q의 전하가 충전된 회로의 용량(C)을 나타내는 것이므로 그림21·14의 회로에서는 C1, C2, C3의 병렬합성용량이 된다. 따라서 병렬합성용량을 Ct라 놓으면 Ct=C1+C2+C3가 되는 것이다.

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<그림15>                                <그림16>

※콘덴서의 직렬연결공식유도
콘덴서를 직렬로 연결하면 그림15와 같이(a) 그림(b)와 같고 (b)그림은 다시(c)와 같으므로 마치 극판의 간격이 커진 것과 같아져서 용량이 감소된다. 그림15(a)에서도 도선의 길이가 짧아졌다면 그림15(b)와 같고 그림15(b)에서 콘덴서의 극판사이에 들어있는 도체는 용량과는 아무런 작용이 없으므로 도체가 없다고 가정하면 그림15(c)와 같다(절연체는 용량을 증가시키나 도체는 작용이 없음).만약 절연체가 있다면 용량이 커지므로 무시할 수 없다.
그림16과 같이 C1, C2, C3의 직렬회로에 V를 공ㄱ브하여 Q의 전하가 이동한다면 직렬회로는 어느 곳이나 전류의 크기가 같으므로 C1에 Q가 충전되고 C2, C3에도 모두 꼭같은 Q의 전하가 충전된다.
Q의 전하가 충전되어 그림16과 같이 각 콘덴서에 V1, V2, V3의 전압이 각각 걸린다면 V=Q/C의 공식에 의하면 V1=Q/ C1, V2=Q/C2, V3=Q/C3가 된다.
그런데 부하회로에 걸리는 전압의 총합은 언제나 전원전압과 같으므로 V=V1+V2+V3라 놓을 수 있다.
이 식에 위의 식을 대입하면V=V1+V2+V3=Q/C1+Q/C2+Q/C3+Q)1/C1+1/C2+1/C3) 즉
V=Q(1/C1+1/C2+1/C3)여기에서 (1/C1+1/C2+1/C3)을 이항하면 eqn4__htm_eqn1.gif (392 bytes)가 된다.
이 식에서 Q/V는 V의 전압이 걸리고 Q가 충전되는 회로안의 용량을 나타내는 것이므로 그림16에서는 C1, C2, C3의 직렬합성용량이다. 따라서 직렬 합성용량을 Ct라 놓으면eqn5__htm_eqn1.gif (362 bytes)이 된다.
콘덴서는 비록 용량이 적다고 할지라도 Q=C·V의 식에 이하면 전압이 높을 경우에는 많은 전하가 충전하여 위험하므로 고압이 걸려있던 곳에 있는 콘덴서는 합선시켜서 방전시키고 만지는 습관을 길러야 한다.
콘덴서에는 용량의 크기와 내압(견딜 수 있는 전압 : 사용시의 최고한도의 전압 : 동작전압 :
working volt : WV)이 표시되어 있으니 주의하여 사용하여야 한다.. 특히 전해질액을 넣어 만든 전해콘덴서는 + -의 극성이 틀린다거나 내압이 부족하면 신품일지라도 폭발하는 수가 있으니 사용하는데 각별히 주의를 요한다.
전해콘덴서에서는 반드시 + -가 표시되어 있다. +로 표시된 리이드 (콘덴서에서 나오는 선)는 반드시 +전압이 걸리는 쪽에 연결해야 한다.

☞ 콘덴서의 용량값 읽기

직접 읽는 방법

전해콘덴서나 탄탈 콘덴서의 정전 용량, 정격 전압 및 극성 표시는 직접 몸체에 표시하고 있으므로 직접 읽을 수 있다.

전해콘덴서가    10㎌ / 16V  로 표시되어 있을때   * 정전 용량 :10 [μF]   * 정격 전압 : 16 [V]      * 극성표시 : (-)부호가 있는 쪽이 (짧은 단자)(-)리이드 단자.                       

탄탈콘덴서가    + 10  16V 로 표시되어 있을때    * 정전 용량 : 10 [μF]    * 정격 전압 : 16 [V]   * 극성표시 : (+)부호가 있 는쪽이 (+)리이드 단자. 

문자에 숫자로 표시되는 경우

마일러 콘덴서나 세라믹 콘덴서 등은 무극성이며, 정전 용량을 문자와 숫자를 조합하여 표시한다.

정전 용량 : 콘덴서 몸체의 3개의 숫자 중에서 앞의 두자리는 정수, 나머지 숫자는 배수를 나타내며, 용량의 단위는 [pF]이다.

허용 오차 : 한 개의 문자로 나타내고 10[pF] 이상은 [%], 10[pF] 이하는 [pF]으로만 표시한다.

정격 전압 : 숫자와 문자의 조합으로 표시하며, 단위는 [V]이다. 정격 전압의 표시가 없는 것은 일반적으로 50[V]을 나타낸다.

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<그림17>

※ 꼭같은 콘덴서 2개를 직렬로 연결하여이용하면 전압이 2배로 높은 곳에 이용할 수도 있다.
그러나 이와 같이 이용할 때에 그 중에서 콘덴서 하나가 나빠지면 다른 콘덴서까지 내압이 q족되어 나빠지기 쉬우니 가급적이면 이와 같은 사용법은 취하지 않는 것이 좋다.