콘덴서 기초

콘덴서가 무엇이며 일반적으로 어떤 역할을 하는지 이해하기 위해 다소 딱딱한 내용을 다루겠습니다. 콘덴서는 대부분의 회로 기판에서 다양한 기능을 수행하는 소형(대부분의 경우) 전기/전자 부품입니다. 콘덴서가 활성 전류가 흐르는 회로에 배치되면, 마이너스 측의 전자가 가장 가까운 판에 축적됩니다. 마이너스는 플러스로 흐르며, 이것이 마이너스가 활성 리드인 이유입니다(단, 많은 콘덴서는 극성이 없습니다). 판이 더 이상 전자를 유지할 수 없게 되면, 전자는 유전체를 지나 다른 판으로 이동하게 되며, 이로 인해 전자가 회로로 다시 밀려납니다. 이를 방전이라고 합니다. 전기 부품은 전압 변동에 매우 민감하기 때문에, 전압 스파이크가 발생하면 고가의 부품이 손상될 수 있습니다. 콘덴서는 직류(DC) 전압을 다른 부품에 적합하도록 조정하여 안정적인 전원 공급을 제공합니다. 교류(AC) 전류는 다이오드에 의해 정류되므로, 순수한 AC 대신 0V에서 피크 전압까지의 DC 펄스가 발생합니다. 전원 라인의 콘덴서가 접지에 연결되면 DC는 통과하지 못하지만, 펄스가 콘덴서를 채우면서 전류 흐름과 유효 전압을 감소시킵니다. 공급 전압이 0으로 떨어지면 콘덴서가 충전된 내용을 방출하기 시작하며, 이 과정이 출력 전압과 전류를 매끄럽게 만듭니다. 따라서 콘덴서를 부품과 직렬로 배치하면 스파이크를 흡수하고 전압 골짜기를 보완하여 부품에 일정한 전원을 공급할 수 있습니다.

콘덴서의 종류는 매우 다양하며, 회로에서 각기 다르게 사용됩니다. 익숙한 원통형 캔 모양의 콘덴서는 보통 전해 콘덴서입니다. 이는 유전체로 분리된 하나 또는 두 개의 금속 시트로 만들어집니다. 유전체는 공기(가장 단순한 형태의 콘덴서)나 다른 비전도성 물질일 수 있습니다. 유전체로 분리된 금속 판 포일은 과자 롤처럼 말려서 캔 안에 들어갑니다. 이들은 대용량 필터링에는 적합하지만 고주파에서는 효율적이지 않습니다.

옛날 라디오 시절부터 기억하시는 분들이 있을 법한 콘덴서입니다. 다중 섹션 캔 콘덴서입니다. 이 특정 모델은 4개의 섹션으로 구성된 쿼드 콘덴서입니다. 이는 단순히 하나의 캔 안에 각각 다른 값을 가진 4개의 개별 콘덴서가 들어있다는 뜻입니다.

세라믹 디스크 콘덴서는 고주파에는 이상적이지만, 대용량 필터링에는 적합하지 않습니다. 왜냐하면 세라믹 디스크 콘덴서는 더 높은 용량을 얻기 위해 크기가 너무 커지기 때문입니다. 전압 소스를 안정적으로 유지하는 것이 필수적인 회로에서는 보통 대형 전해 콘덴서와 세라믹 디스크 콘덴서를 병렬로 연결합니다. 전해 콘덴서가 대부분의 역할을 수행하고, 작은 세라믹 디스크 콘덴서는 대형 전해 콘덴서가 놓치는 고주파를 필터링합니다.

탄탈 콘덴서도 있습니다. 크기는 작지만 세라믹 디스크 콘덴서보다 크기 대비 더 큰 정전용량을 가집니다. 비용은 더 비싸지만 소형 전자 기기의 회로 기판에 널리 사용됩니다.

극성이 없음에도 불구하고, 오래된 종이 콘덴서의 한쪽 끝에는 검은색 띠가 있었습니다. 이 검은색 띠는 종이 콘덴서의 어느 쪽 끝에 금속 포일(실드 역할을 함)이 있는지 나타냈습니다. 금속 포일이 있는 쪽은 접지(또는 가장 낮은 전압)에 연결되었습니다. 포일 실드의 주 목적은 종이 콘덴서의 수명을 연장하는 것이었습니다.

i기기와 관련하여 우리가 가장 관심을 가질 만한 콘덴서입니다. 앞서 언급한 콘덴서들에 비해 매우 작습니다. 바로 표면 장착(SMD) 콘덴서입니다. 비록 이전 콘덴서들에 비해 매우 작지만 기능은 동일합니다. 이 콘덴서의 값 외에도 중요한 점 중 하나는 '패키지'입니다. 이 부품들의 크기에는 표준화가 적용되어 있습니다. 예를 들어 0201 패키지는 0.6mm x 0.3mm(0.02인치 x 0.01인치)입니다. 세라믹 SMD 콘덴서의 패키지 크기는 SMD 저항기의 패키지 크기를 따릅니다. 이 때문에 시각적으로는 콘덴서인지 저항기인지 구별하기가 거의 불가능합니다. 여기에 패키지 번호에 따른 각 크기에 대한 좋은 설명이 있습니다.

PCB 위의 SMD들

대형 SMD들

콘덴서의 값을 확인하는 방법은 몇 가지가 있습니다. 첫 번째는 당연히 콘덴서 자체에 적힌 표기를 확인하는 것입니다.

이 특정 콘덴서는 220μF(마이크로패럿)의 정전용량과 20%의 허용 오차를 가집니다. 이는 실제 값이 176μF에서 264μF 사이일 수 있음을 의미합니다. 전압 정격은 160V입니다. 리드의 배치 형태를 보면 방사형 콘덴서임을 알 수 있습니다. 두 리드가 모두 한쪽 면으로 나옵니다. 반면 축 방향 콘덴서는 리드가 콘덴서 몸체의 양쪽 끝에서 나옵니다. 또한 콘덴서 옆면의 화살표 띠는 극성을 나타내며, 화살표는 마이너스 핀을 가리키고 있습니다.

이제 가장 중요한 질문은, 콘덴서가 교체할 필요가 있는지 확인하기 위해 어떻게 점검하느냐는 것입니다.

회로에 설치된 상태에서 콘덴서를 점검하려면 ESR 미터가 필요합니다. 콘덴서를 회로에서 분리한 경우 멀티미터를 옴 측정 모드로 설정하여 사용할 수 있지만, '고장이 났는지 확인하는 용도로만' 사용해야 합니다. 이 테스트는 콘덴서가 완전히 죽었는지 여부만 보여줍니다. 콘덴서가 좋은 상태인지 나쁜 상태인지는 판단할 수 '없습니다'. 콘덴서가 올바른 값(정전용량)으로 작동하는지 확인하려면 콘덴서 테스터가 필요합니다. 물론 알 수 없는 콘덴서의 값을 결정할 때도 마찬가지입니다.

이 위키에서 사용된 미터는 일반 상점에서 구할 수 있는 가장 저렴한 제품입니다. 이러한 테스트에는 아날로그 멀티미터를 사용하는 것도 좋습니다. 이는 빠르게 변하는 숫자만 표시하는 디지털 멀티미터보다 바늘의 움직임을 훨씬 직관적으로 보여줍니다. 따라서 고가의 플루크(Fluke) 미터 없이도 누구나 이 테스트를 수행할 수 있어야 합니다.

테스트하기 전에 항상 콘덴서를 방전시키십시오. 그렇지 않으면 깜짝 놀랄 수 있습니다. 매우 작은 콘덴서는 스크루드라이버로 양쪽 리드를 연결하여 방전시킬 수 있습니다. 더 좋은 방법은 부하를 통해 방전시키는 것입니다. 이 경우 악어 클립 케이블과 저항기를 사용할 수 있습니다. 여기 방전 도구를 만드는 방법을 보여주는 훌륭한 사이트가 있습니다.

멀티미터로 콘덴서를 테스트하려면 미터를 높은 옴 범위(10k에서 1m 옴 사이)로 설정하십시오. 빨간색 리드를 플러스에, 검은색 리드를 마이너스에 맞춰 콘덴서의 해당 리드에 갖다 댑니다. 미터는 0에서 시작하여 천천히 무한대 방향으로 이동해야 합니다. 이는 콘덴서가 작동 중임을 의미합니다. 미터가 0에 머물러 있다면 콘덴서가 미터의 배터리를 통해 충전되지 않는 것이며, 작동하지 않는다는 뜻입니다.

이는 SMD 콘덴서에도 적용됩니다. 동일한 테스트에서 멀티미터 바늘이 같은 방향으로 천천히 움직입니다.

콘덴서에 대해 수행할 수 있는 또 다른 테스트는 전압 테스트입니다. 콘덴서는 판 양단에 전하의 전위차, 즉 전압을 저장한다는 것을 알고 있습니다. 콘덴서에는 플러스 전압을 가진 양극과 마이너스 전압을 가진 음극이 있습니다. 콘덴서가 작동하는지 확인하는 한 가지 방법은 전압을 충전한 다음 양극과 음극 사이의 전압을 읽는 것입니다. 이를 위해서는 콘덴서를 전압으로 충전하고 콘덴서 리드에 DC 전압을 인가해야 합니다. 이 경우 극성이 매우 중요합니다. 플러스와 마이너스 리드가 있다면 극성이 있는 콘덴서(전해 콘덴서)입니다. 플러스 전압은 양극으로, 마이너스는 콘덴서의 음극으로 연결합니다. 테스트할 콘덴서의 표기를 확인하는 것을 잊지 마십시오. 그런 다음 콘덴서 정격 전압보다 낮은 전압을 몇 초 동안 인가합니다. 이 예시에서는 160V 콘덴서를 9V DC 배터리로 몇 초 동안 충전합니다.

충전이 완료되면 배터리를 콘덴서에서 분리합니다. 멀티미터를 사용하여 콘덴서 리드의 전압을 측정합니다. 전압은 9V 근처로 읽혀야 합니다. 콘덴서가 멀티미터를 통해 방전되기 때문에 전압은 0V로 빠르게 떨어질 것입니다. 콘덴서가 전압을 유지하지 못한다면 결함이 있는 것이므로 교체해야 합니다.

물론 가장 쉬운 방법은 정전용량 미터로 콘덴서를 확인하는 것입니다. 여기 5% 허용 오차를 가진 FRAKO 축 방향 GPF 1000μF 40V 콘덴서가 있습니다. 정전용량 미터로 이 콘덴서를 확인하는 것은 매우 간단합니다. 이 콘덴서에는 플러스 리드가 표시되어 있습니다. 미터의 플러스(빨간색) 리드를 그곳에 연결하고 마이너스(검은색) 리드를 반대쪽에 연결합니다. 이 콘덴서는 1038μF를 표시하며, 허용 오차 내에 있습니다.

SMD 콘덴서는 부피가 큰 프로브로 테스트하기 어려울 수 있습니다. 프로브 끝에 바늘을 납땜하거나, 스마트 트위저(집게)에 투자할 수 있습니다. 스마트 트위터를 사용하는 것이 가장 좋습니다.

일부 콘덴서는 고장을 판단하기 위해 테스트가 필요하지 않습니다. 육안 검사로 콘덴서 상단이 부풀어 오른 징후가 보이면 교체해야 합니다. 이는 전원 공급 장치에서 가장 흔한 고장입니다. 콘덴서를 교체할 때는 동일하거나 더 높은 값의 콘덴서로 교체하는 것이 가장 중요합니다. 절대 더 낮은 값의 콘덴서로 대체하지 마십시오.

교체하거나 점검할 콘덴서에 표기가 없는 경우 회로도가 필요합니다. 여기의 아래 이미지는 회로도에서 사용되는 콘덴서 기호들을 보여줍니다.

이 iPhone 회로도 발췌 부분은 콘덴서의 기호와 콘덴서 값들을 나타냅니다.

이 위키는 콘덴서에 대해 무엇을 살펴봐야 하는지에 대한 기본 사항만을 다루고 있으며, 결코 완전하지 않습니다. 일반적인 전자 부품에 대해 더 배우려면 온/오프라인에서 이용 가능한 많은 좋은 강의들이 있습니다.

Eaton Electronics

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