[햄린이의 무선공학] 컨덴서
지난편에 저항얘길 했었지. 복습삼아 몇가지만 되집어 보자. 저항은 직류든 교류든 모두 통과 시키는데 전류량을 제한한다. 이렇게 전류를 제한 시키는 정도를 수치화 한게 저항값이야. 저항값은 저항체의 단면적에 반비례하고 길이에 비례한다. 저항으로 인해 전류가 제한되므로 저항과 전류는 반비례 한다. 옴의 법칙,
I = V/R
옴의 법칙을 전압을 기준으로 외우는 경우가 많았을 거야.
V = IR
그런데 회로를 다룰때 회로 전체에 공급되는 전원(voltage source)의 전압은 변하지 않는다는 전제를 깔고 시작한다는 걸 기억해 두자. 그래서 일단 전원의 전압은 상수로 두고 저항을 적절히 조절하여 전류를 통제하는 방식으로 회로를 꾸민다는 것도 기억해두자. 저항을 직렬연결하고 분압회로를 만드는 것도 기억해두고. 그리고 전력은 저항체에 흐르는 전류량으로 계산한다는 것도 기억해 두고 말이지.
P = I⋅V = I⋅(I⋅R) = (I^2)⋅R
전압이 1볼트인 전원을 쇼트시키나 전압이 100볼트인 전원에 쇼트시키나 난리나는 것은 마찬가지야. 쇼트란 뭐야? 저항치가 0에 가까운 저항체를 전극 사이에 연결 했다는 뜻이지. 그럼 이 저항체에 흐르는 전류량은 옴의 법칙에 따라 무한대가 되지. 저항치가 0에 가까운 저항에 무한대의 전류가 흐르면 이 저항체가 소모하는 전력도 무한대가 되지. 어떤 저항체가 무한대의 전력을 소모한다면 그 소모한 전력(에너지)는 어디로 갔겠어. 열이 났거나 운동을 했거나 그럴거잖아. 열이 무한대로 나면 난리나는 거지.
잠깐! 전력 계산식에서 저항이 0에 가깝다며? 그럼 전류가 무한대가 되든말든 전력은 0에 가깝게 되야 하는거 아냐? 어쩔땐 옴의 법칙이고 어쩔땐 전력식인지 약간 말장난 같은데 잘 생각해봐. 우리가 어떤 법칙이나 공식을 대할 때 목적을 잘 살펴봐야해. 회로를 다루며 옴의 법칙을 적용하는 이유는 저항을 이리저리 조합해서 전류량을 조절해 보자는 목적이야. 그러니 전압은 고정시켜놓고 회로를 본다는걸 기억해둬. 이제 회로가 꾸며 졌으면 저항은 고정시킨거지. 이제 이 저항에 전류가 얼마나 흐를지 따져보는게 전력 계산식이야.
그럼 일상적으로 전압을 무섭게 생각하는데 이유는 뭐겠어? 1볼트라면 뭐 대수롭지 않아도 1천볼트면 무섭잖아. 왜그래? 우리 몸은 저항이 매우 높지. 그래서 흘릴 수 있는 전류량이 적잖아. 예를들어 1mA가 흐른다고 해보자. 1볼트에 1mA면 0.001와트지. 그런데 1000볼트에 1mA면 1킬로와트가 되는거야. 어때? 무섭지? 0.001와트도 작은건 아닌데 오랫동안 붙잡고 있어도 충분히 견딜만 한데 1킬로와트를 단 1초라도 잡고 있으면... 어휴~ 생각만 해도 끔찍하지. 이럴때 따지는게 저항체의 내압이야. 내압이 1킬로와트되는 저항체가 있다고 해봐. 전열기 같은 것이지. 1킬로와트 급 전열기면 한겨울에도 뜨끈뜨끈하잖아.
컨덴서
컨덴서를 영어사전에서 찾아보면 '충전기'라고 나오지. 정확히는 커페시터(capacitor)라고 하는데 왜 우린 이걸 컨덴서라고 했는지 몰라. 컨덴서란 암튼 전기를 다루는 부품인데 전하들을 가둬둘 수 있는 장치를 말해. 뭔가 가둬 둔다고 해서 컨덴서라고 했지.
전하(charged particle)는 전기를 띈 입자라는 뜻이지. 입자는 그냥 우리가 아는 모든 원자가 포함되. 원자에 전압이 가해져서 전자가 튕겨나가면 양의 성질을 띈 입자라 해서 양전하, 튕겨나간 전자를 받아들여 잠시 전자를 붙들어 둔 원자를 음전하라고 하지. 수소나 산소처럼 원자가 가지고 있는 전자의 갯수가 작은 원자는 전자를 양성자가 소수의 전자를 붇들고 있어서 전자들이 잘 튕겨져 나가지 않아. 그런데 금속처럼 전자가 많은 원자는 쉽게 전자가 튕겨져 나가거나 빨려들어와.
컨덴서는 금속판을 마주보게 만든 거야. 이 금속판 양쪽에 전압을 가하면 음극에서 전자들이 음극으로 몰려가지. 그럼 양극에 있던 금속판의 원자들은 양전하가 되어 버리고 음극에 있던 금속판의 원자들은 음전하가 되지. 전압이 무한정 쎄진 않으니까 금속판의 모든 원자들이 전하가 되는것은 아니야. 아주 일부분의 원자들이 전하를 띄게 되지. 금속판이 전하를 가지게 되는걸 충전(charge)라고 한다네. 그런데 자연은 항상 중성이 되려고 하니까 가했던 전압을 제거하면 곧바로 원상복귀하게 되거든. 이걸 방전(dis-charge)이라고 한다네. 가만 놔두면 다시 원상복귀 되는걸 자연방전이라고 하지.
전압을 가한다고 모든 원자가 전리되진 않는다고 했지? 충전되는 용량이 있는데 그 정도는 두 금속판이 마주보는 면적에 비례하지. 그리고 두 금속판의 간격에는 반비례해. 멀리 떨어진 금속판은 컨덴서 역활을 못한다는 얘기야. 두 금속판 사이에 뭘 넣느냐에 따라 충전과 방전되는 속도가 달라져. 충전지는 충전시키는데 몇시간 걸리고 방전되는데는 몇개월이 결리기도 하지. 물론 충전된 전하들에서 전자들을 뽑아쓰면 금방 닳기도 하고 말이야. 공기는 전하가 월상복귀 하는데 전혀 방해를 하지 못해서 금방 방전되고. 리튬이라는 희귀한 물질(희귀한 모래 류, 희토류)은 전하들을 잘 가둬두는 성질이 있어서 충전지에 많이 사용되지.
그런데 이 컨덴서의 양 금속판 사이에 전하가 꽉차면 더이상 전자의 이동이 중지되지. 충전 되기 전까지 전자의 이동이 순간적으로 이뤄지다가 갈만큼 가면 더이상 이동하지 않는다고. 잠깐동안 전자가 이동 했으니 전류가 흐른거지. 그리고 꽉자면 더이상 전자의 흐름이 없으니 전류도 멈추고. 전류가 멈췄다는 얘기는 저항이 엄청 커졌다는 얘기잖아.
충전된 컨덴서에서 전압을 끊으면 자연 방전 된다고 했지? 그리고 다시 전압을 가하면 잠시 전류가 흘러서 충전됐다가 전류 흐름이 멈춘다고. 그런데 말이지, 교류처럼 전류의 흐름이 시시각각으로 뒤집어 지는 전원을 줬다고 해보자. 한번 충전 시켜놓고 양극과 음극이 바뀌면 어떻게 되겠어. 방전이 훨씬 급속히 이뤄지겠지. 이런 이유로 컨덴서는 극성이 항상 같은 직류는 통과시키지 못하고 극성이 시시각각으로 변하는 교류는 통과시킨다고 해. 전류가 흐른다는 얘기지. 저항에서도 얘기 했지만 우리는 전류에 대해 집중하는거야.
컨덴서는 교류에 대해서만 전류를 흐르게 하고 직류는 흐르지 못하는 성질이 있지. 그래서 교류에 대한 저항을 우리는 임피던스라고 부른다네. 교류는 또 주파수랑 관련이 있잖아. 그래서 컨덴서의 임피던스를 이렇게 계산하지.
X_c = 1/(ωC) = 1/(2πfC)
오메가 ω 는 주파수를 각도로 계산한거야. 한 회전 각도가 2π 니까 여기에 주파수 f 를 곱한거지. 어때? 교류의 냄새가 풀풀나지? 암튼 컨덴서의 교류에 대한 저항을 임피던스 X_c 라고 하지. 저항의 저항값은 물질의 전도특성(금속, 탄소 등)으로 정해지지만 임피던스는 주파수와 마주보는 금속판의 크기로 정해지는거야. 그래서 컨덴서의 저항인 임피던스 X_c는 금속판의 면적에 반비례, 금속판의 간격에 비례하지.
이거 시험에 곧잘 나오더라고. 컨덴서의 용량은 금속판의 면적에 비례 간격에 반비례(간격이 가까울 수록 컨덴서 용량은 커짐). 임피던스 X_c는 컨덴서 용량에 반비례하니까, 면적에 반비례, 간격에 비례. 저항이랑 반대지? 그러니까 직렬연결과 병렬연결 했을 때 총 용량 계산법도 반대야.
직류의 주파수는 얼마게? 0이지. X_c에서 f -> 0 이라고 하면 X_c는 무한대가 될거고. 그래서 '직류는 컨덴서를 통과하지 못한다'라고 하는 논리에 부합하지. 그리고 옴의 법칙은 직류나 교류에 상관없는 법칙이니까 임피던스를 저항으로 적용할 수 있다는 것도 기억해둬. 당연 하지만 임피던스의 단위도 옴(Ω)이야.
컨덴서의 연결
컨덴서도 직렬과 병렬로 연결할 때 총 용량 계산법은 저항이랑 반대지.
컨덴서의 용도
컨덴서의 용도는 맥동류에서 교류 성분을 뽑아내서 쓰던가 살리던가 둘중에 하나의 용도로 쓰지. 앞서 몇가지 예를 봤으니까 따로 설명하진 않겠어. 그리고 저항치 계산에 주파수가 들어가는걸 보면 뭔가 필터의 역활로도 쓰일것 같지? 다음편에 코일을 다룰 테니까 그때 묶어서 얘기해 볼께.
먼저 예고 하자면, 공진회로나 필터나 같은거야. 원하는 주파수의 교류만 뽑아쓰는게 필터잖아. 공진회로도 그런거지. 다만 전력을 전달 할 때 손실이 없어야 한다는 조건이 있어. 안테나를 만들때 공진 주파수 뿐만 아니라 임피던스가 꼭 50옴을 맞춰야 한다고 하잖아. 저항이 없으면 좋을텐데 꼭 50옴을 고집하는 이유가 뭐냔 말이지. 모든 무전기의 전파 출력 단자가 임피던스 50옴에 맞춰 있어서 그런거야. 두 시스템 사이에 임피던스가 일치해야 손실이 없다는 이론은 들어 봤겠지. 무전기라는 전자회로와 안테나라는 전파 방사기 사이에 전력을 전달할 이상적인 조건은 주파수와 임피던스의 일치라는 것이야.
컨덴서의 저항인 임피던스를 결정하는 요인이 주파수와 컨덴서 용량으로 두가지 요인으로 늘어 나는데 나중에 코일까지 합세하면 요인이 점점 더늘어나서 신경 쓸일이 많아질거야. 그래서 괸시리 임피던스 망해라 하는데 그러지 말고 이참에 친해보자고.
컨덴서의 또다른 용도로 생활 주변에서 쓰이는게 전원 잡음 제거용이지. 형광등 안정기 등에 두루 붙어있는걸 봤을거야. 교류의 전원이 깔끔하지 못하면 전구 수명도 짧아지고 우웅~ 하는 소리도 나고 그러는걸 잡아보겠다고 붙여놓기도 하지.
기계식 스위치를 딸깍 할때마다 접촉 잡음이 생기는데 그걸 잡아보겠다고 붙이는 경우도 많지. 햄린이에게 해당하는 용도라면 전건의 접점에 불필요한 잡음을 제거할 요량으로 붙이는 경우가 있어. 접접이 붙었다 뗄때 지직~~ 하는 요동이 생기지. 이 요동치는 전압을 잡아보려는거야. 아래 동영상을 참조하라구.
다만 아주 고속으로 전건을 치고자 하는 경우 간혹 오동작을 일으키기도 하니까 주의 해야 한다구. 컨덴서라는 부품은 대개 정밀도가 아주 형편없는 물건이야. 온도에도 영향을 받고 양 극판 사이에 넣는 전해물질 이란게 못믿을 것이어서 용량이 제멋대로 바뀌거든. 그래서 전원장치 수리를 보면 죄다 배나온 컨덴서 교체라는걸 봤을거야. 이런 부품을 마지못해 쓸수 밖에 없던 시절도 있었지. 지금은 되도록 전자회로를 수학으로 대체하는 SDR이란게 주류지만 안테나 만은 어쩔 수 없지.
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어때? 컨덴서도 별거 없지? 다음은 코일과 공진회로를 볼께.
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