기본 사항: 커패시터 유형의 특성을 이해하여 커패시터를 적절하고 안전하게 사용

커패시터는 아날로그 전자 회로와 디지털 전자 회로 모두에 필요한 에너지 스토리지 장치입니다. 커패시터는 파형 생성 및 형상, 직류 차단, 교류 신호 커플링, 필터링 및 평활화, 에너지 스토리지 등에 대한 타이밍에 사용됩니다. 폭넓은 사용으로 인해 다양한 플레이트 재료, 절연 유전체 및 물리적 형태를 사용하는 많은 커패시터 유형이 등장했습니다. 커패시터 유형마다 적용되는 응용 분야가 다릅니다. 다양한 옵션이 제공된다는 것은 모든 커패시터를 정렬하여 성능 특성, 신뢰성, 수명, 안정성, 비용의 측면에서 설계에 가장 적합한 선택 옵션을 찾을 수 있다는 것입니다.

커패시터를 의도된 회로 응용 분야에 적절히 연결하려면 각 커패시터 유형의 특성을 잘 알고 있어야 합니다. 여기에는 커패시터의 전기, 물리 및 경제적 특성이 포함됩니다.

이 기사에서는 다양한 유형의 커패시터와 해당 특성 및 주요 선택 기준을 설명합니다. Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation 및 AVX Corporation의 예제를 사용하여 주요 차이점과 특성을 보여줍니다.

커패시터란?

커패시터는 내부 전기장에 에너지를 저장하는 전자 기기이며, 저항기 및 인덕터와 함께 기본 수동 소자 전자 부품입니다. 모든 커패시터는 동일한 기본 구조, 즉 전기장을 가하면 극성을 나타낼 수 있는 유전체라는 절연체에 의해 분리되는 두 개의 전도성 플레이트로 구성됩니다(그림 1). 정전 용량은 플레이트 면적 A에 비례하고 플레이트 사이의 거리 d에 반비례합니다.

그림 1: 기본 커패시터는 두 플레이트 사이의 전기장에 에너지를 극성 영역으로 저장하는 비전도성 유전체에 의해 분리되는 두 개의 전도성 플레이트로 구성됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

최초의 커패시터는 1745년에 개발된 라이덴병이며, 내부와 외부 표면을 금속박으로 채운 유리병으로 구성되어 있으며 원래 정전하를 저장하는 데 사용되었습니다. Benjamin Franklin이 이 커패시터를 사용하여 번개가 전기라는 사실을 입증했습니다. 이는 최초의 응용 제품 중 하나로 기록되어 있습니다.

기본 병렬 플레이트 커패시터의 정전 용량은 방정식 1을 사용하여 계산할 수 있습니다.

방정식 1

여기서,

C = 정전 용량(패럿)

A = 플레이트 면적(제곱미터)

d = 플레이트 사이의 거리(미터)

ε = 유전체의 유전율

ε = 유전체의 상대적 유전율 ε_r x 진공 유전율 ε₀ 상대적 유전율 ε_r을 유전체 상수 k라고도 합니다.

방정식 1에 따라 정전 용량은 유전체 상수와 플레이트 면적에 정비례하고, 플레이트 사이의 거리에 반비례합니다. 정전 용량을 높이려면 플레이트 면적을 늘리고 플레이트 사이의 거리를 줄일 수 있습니다. 진공의 상대적 유전율은 1이고 모든 유전체의 상대적 유전율은 1보다 크므로 유전체를 삽입하면 커패시터의 정전 용량도 커집니다. 커패시터는 일반적으로 사용된 유전체의 유형에 의해 참조됩니다(표 1).

표 1: 유전체별로 정렬된 일반 커패시터 유형의 특성 (표 출처: DigiKey)

열 항목에 관한 참고 사항:

• 커패시터의 상대적 유전율 또는 유전체 상수는 주어진 플레이트 면적 및 유전체 두께에서 실현 가능한 정전 용량의 최대값에 영향을 줍니다.
• 유전체 강도는 항복 전압에 대한 유전체의 저항 등급이며 유전체의 두께에 따라 달라집니다.
• 달성 가능한 최소 유전체 두께는 실현 가능한 최대 정전 용량과 커패시터의 항복 전압에 영향을 줍니다.

커패시터 구조

커패시터는 축, 원심, 표면 실장을 비롯하여 다양한 실장 구성으로 제공됩니다(그림 2).

그림 2: 커패시터 실장 또는 구성 유형은 축, 원심 및 표면 실장을 포함합니다. 표면 실장은 현재 매우 널리 사용됩니다. (이미치 출처: DigiKey)

축 구조는 금속박 및 유전체의 대체 계층을 기반으로 하거나, 원통형으로 롤링되는 양쪽 측면의 금속화된 유전체를 기반으로 합니다. 산입된 탭 또는 원형 전도성 엔드캡을 통해 전도성 플레이트에 연결될 수 있습니다.

원심 유형은 일반적으로 대체 금속 계층과 유전체 계층으로 구성됩니다. 금속 계층은 끝에서 브리지됩니다. 원심 구성과 축 구성은 스루홀 실장을 위한 것입니다.

또한 표면 실장 커패시터는 대체 전도성 계층 및 유전체 계층을 사용합니다. 각 끝의 금속 계층은 표면 실장용 납땜 캡에 의해 브리지됩니다.

커패시터 회로 모델

커패시터 회로 모델은 세 수동 회로 소자를 모두 포함합니다(그림 3).

그림 3: 커패시터 회로 모델은 정전 용량, 유도 및 저항 소자로 구성됩니다. (이미치 출처: DigiKey)

커패시터 회로 모델은 유전체 저항과 함께 전도 소자 저항을 나타내는 계열 저항 소자로 구성됩니다. 이를 등가 직렬 저항 또는 유효 직렬 저항(ESR)이라고 합니다.

유전체 효과는 AC 신호가 커패시터에 적용될 때 발생합니다. AC 전압은 주기마다 변경되도록 유전체 분극을 일으켜 내부 가열을 초래합니다. 유전체 가열은 금속에 따라 달라지며 유전체의 열 발산 상수로 측정됩니다. 열 발산 상수(DF)는 커패시터 정전 용량 및 ESR의 함수이며 방정식 2를 사용하여 계산할 수 있습니다.

방정식 2

여기서,

X_C = 정전 용량 리액턴스(Ω)

ESR = 등가 직렬 저항(Ω)

열 발산 상수는 정전 용량 리액턴스 조건으로 인해 종속되는 주파수로서 무차원 수이며, 주로 백분율로 표시됩니다. 열 발산 상수가 작으면 가열량이 작아서 손실이 적습니다.

유효 직렬 유도 용량 또는 등가 직렬 유도 용량(ESL)이라고도 하는 직렬 유도 소자가 있습니다. 이는 리드 및 전도 경로 유도 용량을 나타냅니다. 직렬 유도 용량 및 정전 용량은 직렬 공진을 발생합니다. 직렬 공진 주파수 이하에서 장치는 주로 정전 용량 동작을 사용하고, 직렬 공진 주파수 이상에서는 장치가 더 유도적입니다. 이 직렬 유도 용량은 많은 고주파 응용 분야에서 문제가 될 수 있습니다. 제조업체는 원심 및 표면 실장 부품 구성으로 표시되는 계층형 구조를 사용하여 유도 용량을 최소화합니다.

병렬 저항은 유전체의 절연 저항을 나타냅니다. 다양한 모델 부품의 값은 커패시터 구성과 구조용으로 선택된 재료에 따라 달라집니다.

세라믹 커패시터

세라믹 커패시터는 세라믹 유전체를 사용합니다. 두 가지 클래스의 세라믹 커패시터(클래스 1 및 클래스 2)가 있습니다. 클래스 1은 이산화 티타늄과 같은 상유전체 세라믹을 기반으로 합니다. 이 클래스의 세라믹 커패시터는 안정성이 우수하고, 정전 용량 온도 계수가 양호하고, 손실이 적습니다. 고유한 정확성으로 인해 이 클래스의 세라믹 커패시터는 발진기, 필터 및 기타 RF 응용 분야에서 사용됩니다.

클래스 2 세라믹 커패시터는 티탄산 바륨과 같은 강유전체 재료를 기반으로 하는 세라믹 유전체를 사용합니다. 이러한 재료의 높은 유전체 상수로 인해 클래스 2 세라믹 커패시터는 단위 볼륨당 높은 정전 용량을 제공하지만 클래스 1 커패시터보다 정확성과 안정성이 낮습니다. 따라서 정전 용량의 절대값이 중요하지 않은 바이패스 및 결합 응용 분야에서 사용됩니다.

Murata Electronics의 GCM1885C2A101JA16은 세라믹 커패시터의 한 예입니다(그림 4). 클래스 1 100pF 커패시터는 허용 오차 범위가 5%이고, 정격 전압은 100V이며, 표면 실장 구성으로 제공됩니다. 이 커패시터는 온도 등급이 -55°C ~ +125°C인 자동차에서 사용하기 위한 것입니다.

그림 4: GCM1885C2A101JA16은 허용 오차 범위가 5%이고 정격 전압이 100V인 클래스 1, 100pF 세라믹 표면 실장 커패시터입니다. (이미지 출처: Murata Electronics)

필름 커패시터

필름 커패시터는 얇은 플라스틱 필름을 유전체로 사용합니다. 전도성 플레이트를 호일층 또는 두 개의 얇은 금속 피복층(플라스틱 필름의 각 측면에 하나씩)으로 구현할 수 있습니다. 유전체에 사용되는 플라스틱에 따라 커패시터의 특성이 결정됩니다. 필름 커패시터는 다양한 형태로 제공됩니다.

폴리프로필렌(PP): ESR 및 ESL이 낮고 항복 전압 등급이 높아서 허용 오차 범위와 안정성이 특히 양호합니다. 유전체의 온도 제한으로 인해 리드 장치로만 사용할 수 있습니다. PP 커패시터는 회로에서 높은 전력 또는 높은 전압이 발생하는 응용 제품(예: 스위치 모드 전원 공급 장치, 밸러스트 회로, 고주파 방전 회로)에 사용되거나, 오디오 시스템에서 신호 무결성을 위해 낮은 ESR 및 ESL이 중요한 응용 제품에 사용됩니다.

폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET): 폴리에스테르 또는 마일라 커패시터라고도 하는 이 커패시터는 높은 유전체 상수로 인해 용적 측정에 가장 효과적인 필름 커패시터입니다. 이 커패시터는 일반적으로 원심 리드 장치로 적용되며, 범용 정전 용량 응용 분야에 사용됩니다.

황화 폴리페닐렌(PPS): 이 커패시터는 금속화된 필름 장치로만 제조됩니다. 이 커패시터는 온도 안정성이 특히 양호하므로 양호한 주파수 안정성이 필요한 회로에 적용됩니다.

PPS 필름 커패시터의 예로는 Panasonic Electronics Corporation의 ECH-U1H101JX5가 있습니다. 이 100pF 장치는 허용 오차 범위가 5%이고, 정격 전압은 50V이며, 표면 실장 구성으로 제공됩니다. 또한 작동 온도 범위는 -55°C ~ 125°C이며 일반 전자 제품에 사용됩니다.

폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN): PPS 커패시터와 마찬가지로 이 커패시터는 금속화된 필름 설계에만 사용할 수 있습니다. 또한 온도 허용 오차 범위가 높고 표면 실장 구성으로 제공됩니다. 높은 온도 성능과 높은 전압 성능이 필요한 응용 분야에 집중됩니다.

폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 또는 테플론 커패시터는 높은 온도 허용 오차 범위와 높은 전압 허용 오차 범위로 유명합니다. 이 커패시터는 금속화된 구조와 호일 구조 모두로 제조됩니다. PTFE 커패시터는 주로 고온에 노출되어야 하는 응용 제품을 찾습니다.

전해 커패시터

전해 커패시터는 높은 정전 용량 값과 높은 용량 효율로 유명합니다. 이는 액체 전해질을 플레이트 중 하나로 사용하여 실현됩니다. 알루미늄 전해 커패시터는 4개의 개별 계층(알루미늄 호일 음극, 전해질에 적신 종이 분리기, 매우 얇은 알루미늄 산화층을 형성하기 위해 화학적으로 처리된 알루미늄 양극, 다른 종이 분리기)으로 구성됩니다. 이 집합체를 말아서 밀봉된 금속 캔 안에 넣습니다.

전해 커패시터는 극성이 있는 직류(DC) 장치입니다. 즉, 인가 전압을 지정된 양극 단자와 음극 단자에 적용해야 합니다. 인클로저에 반응을 관리하고 손상 가능성을 최소화하기 위한 압력 방출 다이어프램이 있지만, 전해 커패시터를 올바르게 연결하지 않으면 폭발성 고장이 발생할 수 있습니다.

전해 커패시터의 주요 이점은 높은 정전 용량 값, 작은 크기 및 상대적으로 낮은 비용입니다. 정전 용량 값은 허용 오차 범위가 넓고 누설 전류가 상대적으로 높습니다. 전해 커패시터의 가장 일반적인 응용 분야는 선형 및 스위칭 전원 공급 장치의 필터 커패시터입니다(그림 5).

그림 5: 전해 커패시터의 예입니다. 정전 용량은 모두 10µF입니다. (이미지 출처: Kemet 및 AVX Corp.)

그림 5에서 왼쪽부터 Kemet의 ESK106M063AC3FA는 10µF, 20%, 63V, 원심 리드 알루미늄 전해 커패시터입니다. 이 커패시터는 최대 온도 85°C에서 작동하며 작동 수명은 2,000시간입니다. 이 커패시터는 필터링, 감결합, 바이패스 작동을 비롯한 범용 전해 응용 분야에 사용됩니다.

알루미늄 전해 커패시터의 대안으로 액체 전해질을 고체 폴리머 전해질로 교체한 알루미늄 폴리머 커패시터가 있습니다. 폴리머 알루미늄 커패시터는 알루미늄 전해보다 ESR이 낮고 작동 수명이 더 깁니다. 모든 전해 커패시터와 마찬가지로 이 커패시터는 극성을 띄며 전원 공급 장치에서 필터 및 감결합 커패시터로 적용됩니다.

Kemet A758BG106M1EDAE070은 10µF, 25V 원심 리드 알루미늄 폴리머 커패시터이며, 폭넓은 온도 범위에서 수명이 길고 안정성이 뛰어납니다. 이 커패시터는 휴대 전화 충전기, 의료 전자 기기와 같은 산업 및 상용 응용 분야에 사용됩니다.

탄탈룸 커패시터는 다른 형태의 전해 커패시터입니다. 이 경우 탄탈룸 호일에서 산화 탄탈룸 계층이 화학적으로 형성됩니다. 용량 효율이 알루미늄 전해질보다 우수하지만 최대 전압 레벨이 일반적으로 더 낮습니다. 탄탈룸 커패시터는 알루미늄 전해질보다 ESR은 낮고 온도 허용 오차 범위는 높습니다. 즉, 납땜 공정에 대한 내성이 더 우수합니다.

Kemet T350E106K016AT는 10µF, 10%, 16V 원심 리드 탄탈룸 커패시터입니다. 이 커패시터는 필터링, 바이패스, AC 및 타이밍 응용 분야에 적합한 작은 크기, 낮은 누설 및 낮은 열 발산 상수를 이점으로 제공합니다.

마지막 전해 커패시터 유형은 산화 니오븀 전해입니다. 탄탈룸이 부족한 상황에서 개발된 니오븀 전해 커패시터는 전해질을 탄탈룸에서 니오븀 및 오산화 니오븀으로 대체했습니다. 높은 유전체 상수로 인해 단위 정전 용량당 작은 패키지 크기를 제공합니다.

산화 니오븀 전해의 예로는 AVX Corp의 NOJB106M010RWJ가 있습니다. 이 커패시터는 표면 실장 구성의 10µF, 20%, 10V 커패시터입니다. 탄탈룸 전해와 마찬가지로 이 커패시터는 필터링, 바이패스 및 AC 결합 응용 분야에 사용됩니다.

운모 커패시터

운모 커패시터(주로 실버 운모)는 엄격한 정전 용량 허용 오차 범위(±1%), 정전 용량의 낮은 온도 계수(일반적으로 50ppm/°C), 매우 낮은 열 발산 상수, 인가 전압을 포함하는 낮은 정전 용량 변화를 특징으로 합니다. 엄격한 허용 오차 범위와 높은 안정성으로 RF 회로에 적합합니다. 운모 유전체는 양 측면을 은도금하여 전도성 표면을 제공합니다. 운모는 대부분의 일반적인 전자 오염 물질과 상호 작용하지 않는 안정적인 미네랄입니다.

Cornell Dubilier Electronics의 MC12FD101J-F는 표면 실장 구성의 100pF, 5%, 500V 운모 커패시터입니다(그림 6). 이 커패시터는 MRI, 모바일 무선 통신, 전력 증폭기, 발진기와 같은 RF 응용 분야에서 사용됩니다. -55°C ~ 125°C 이상의 온도 범위에서 작동하도록 등급을 받았습니다.

그림 6: Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F는 RF 응용 분야를 위한 표면 실장 운모 커패시터입니다. (이미지 출처: Cornell Dubilier Electronics)

결론

커패시터는 전극 설계에 필수적인 부품입니다. 수년간 다양한 특성을 가진 광범위한 장치 유형이 개발되었으며, 일부 커패시터 기술은 특정 응용 분야에 특히 적합합니다. 설계자는 주어진 응용 분야에 가장 적합한 선택을 내릴 수 있도록 다양한 유형, 구성 및 사양을 정확히 이해하는 것이 좋습니다.