콘덴서와 코일 - 다양한 역할을 가진 전자회로의 기본 부품

전자회로에 빠뜨릴 수 없다고 할만큼 많은 곳에서 사용되는 콘덴서와 코일. 전자회로의 기본인 콘덴서와 코일의 역할, 역사, 원리를 설명합니다.

전기를 축적하고 출력하는 콘덴서

콘덴서는 전자기기를 제어하는 전자회로에 반드시라고 해도 좋을 정도로 필수 내장되는 전자부품입니다.

Capacitors. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Capacitors_(7189597135).jpg#mw-jump-to-license

◆ 콘덴서의 기능

전압 안정
콘덴서의 가장 알려진 작용은, 전압을 가하면 충전되고 부하를 연결하면 방전을 하는 성질입니다. 이러한 작용에 의해 전압이 변동하는 경우에는 그 변화를 흡수하여 전압을 안정시키는 작용을 합니다.

교류전류를 출력
콘덴서는 직류전류를 통과시키지 않고, 교류전류만을 통과시킵니다. 이것은 변위전류라는 콘덴서에서 발생하는 특유의 현상 때문입니다. 이 성질을 이용하여 교류전류만을 출력하여 그 주파수를 판독함으로써 신호로 처리할 수 있습니다.

이 작용이 가장 사용되고 있는 것이 커플링 콘덴서입니다. 바이어스 전압을 제거하고 회로 사이를 결합할 수 있습니다.

노이즈를 차단
직류전류를 차단하고 교류전류를 통과시키는 성질은 또 하나의 작용을 가지고 있습니다. 그것은 소음을 제거하는 작용입니다. 직류전류를 필요로 하는 전자기기는 교류전류가 불필요한 노이즈입니다. 이 노이즈를 제거하는 위해 직류와 교류의 엇갈린 신호 통로에 접지된 콘덴서를 설치합니다. 이렇게하여 교류 성분을 콘덴서로 제거하여 순수한 직류전류만을 출력할 수 있습니다.

◆ 콘덴서의 원리
콘덴서는 절연체를 사이에 둔 2개의 금속판으로 구성되어 있는 것이 기본입니다. 이 금속판이 전극이 되고 절연체로는 공기나 절연필름 등이 사용됩니다. 이 사이에 끼우는 절연체는 유도체라고 합니다.

전극에 직류전압을 걸면 전극에 전기의 근원이 되는 전하가 흘러갑니다. 전원의 플러스가 연결된 쪽은 플러스의 전하(양전하), 마이너스가 연결된 쪽은 마이너스의 전하(음전하)가 축적됩니다. 그러나 전극 사이는 절연되어 있어서 전류는 흐르지 않습니다. 이 때, 양전하와 음전하는 자석처럼 서로를 당기는 성질을 가지고 있습니다.

전극에 축적되는 전하의 양(정전 용량)이 정해져 있어서 양이 가득차면 더 이상 전하가 흘러들어가지 않습니다. 이 상태에서 전압을 거는 것을 중단하여도 양전하와 음전하의 당기는 힘(쿨롱 힘)에 의해 전하가 전극에 남아있습니다. 이것이 콘덴서의 충전원리입니다.

다음으로, 전극에 LED와 같은 부하를 연결하면 축적된 전하가 흐르기 시작합니다. 이것이 콘덴서의 전기방출입니다. 전극에 축적되어 있던 전하가 방전되면 방출이 끝나고 LED가 점등되지 않습니다.

콘덴서의 충전과 방전은 이러한 기본적 원리로 이루어지고 있습니다.

그럼 직류전압이 아닌 교류전압을 건 경우는 어떨까요?

직류전압을 걸었을 경우에는 정전용량까지 충전되고 더 이상 전기가 흐르지 않습니다. 그러나 교류전압을 건 경우에는 2개의 전극에 흐르는 플러스와 마이너스의 전하가 1초에 주파수의 횟수만큼 번갈아 바뀝니다. 이 때 실제로는 절연체를 넘어 전기가 흐르는 것은 아니지만, 전하의 교체가 반복되는 것으로 인해 교류전류가 흐르고 있는 것과 동일한 움직임을 합니다.

이것이 콘덴서가 직류전류를 차단하고 교류전류를 통과시키는 원리입니다.

◆ 콘덴서 용어와 단위
콘덴서에 대해 사용되는 용어 또는 단위로는 다음의 세 가지가 대표적입니다.

• 정전용량(커패시턴스)
콘덴서가 저장할 수 있는 전하의 양을 나타냅니다.
• Q(쿨롱)
전하량의 단위입니다. 1A(암페어)의 전기를 1초 동안 흐르게 할 때 축적되는 전하량이 1Q입니다.
• F(패럿)
정전용량의 단위입니다. 콘덴서의 정전용량이 1F일 경우에 1Q의 전하량을 축적하면 전극 사이의 전위차는 1V(볼트)입니다.

전기와 자기를 작용시키는 코일

콘덴서와 마찬가지로 코일도 전자회로에 필수적이라고 할 수 있는 소자입니다. 코일은 인덕터 또는
인덕션 코일이라고 불립니다. 이는 인덕터라는 소자에 일반적으로 코일이 많이 사용되고 있기 때문입니다.

◆ 코일의 작용

전류의 안정
코일은 코일에 흐르는 전류나 주위의 자기장이 변화하면 그것을 방해하는 방향으로 전류와 자기장을 발생시키는 성질이 있습니다. 이 성질을 이용하여 전류의 변화를 흡수하고 안정시킬 수 있습니다.

전압의 승강
교류전압의 승강에 사용되는 트랜스는 코일을 응용한 것입니다. 환상의 철심에 감겨진 두 코일 중 한쪽에 전기를 흐르게 하면 그로 인해 발생한 자속이 다른 쪽 코일에 전류를 발생시킵니다. 교류전류는 전류의 방향이 항상 바뀌기 때문에 이 전류와 자기장 방향의 변화를 방해하는 전류와 자기장이 발생합니다. 이러한 전자기 유도의 원리를 응용한 것이 트랜스이며, 코일이 가진 대표적인 기능 중 하나입니다.

교류에 대해 저항처럼 작용
코일에 직류전류를 통과시키면 코일은 순간 그 흐름을 방해하지만 이후 단순한 도체로 작용하여 직류전류를 순조롭게 통과시킵니다. 그러나 교류전류의 경우는 전류의 방향이 계속해서 바뀌어 코일도 그것을 계속해서 방해하려고 합니다. 따라서 교류전류에는 코일이 저항처럼 작용하는 현상을 리액턴스(reactance)라고 합니다.

◆ 코일의 원리
코일은 전선을 감은 구조를 하고 있습니다. 코일에 전기가 흐르면 전선 주위에 자기장이 발생합니다. 코일의 작용은 이 자기장과 전류의 관계 때문입니다.

코일에 전기가 흐르면 자기장이 발생하는 것과 마찬가지로 자기장을 갖는 것, 즉 자석을 코일에 접근시키거나 떼어놓으면 코일에 전류가 발생합니다. 이것을 전자유도라고 합니다. 이 때 흐르는 전류는 유도전류라고 합니다.

러시아의 물리학자 렌츠는 자기장 변화의 반대 방향에서 유도전류가 발생한다는 것을 밝혀냈습니다. 이것이 렌츠의 법칙입니다. 코일은 자기장의 방향에 따라 한 방향으로 전기가 흐릅니다. 이것은 오른나사의 법칙으로 알려져 있는데, 유도전류도 이 법칙에 따라 흐릅니다.

이렇게 전류의 변화에 의해 자기장이 발생하고, 자기장의 변화에 의해 전류가 발생하는 전자유도가 코일의 원리입니다.

◆ 코일에 관련된 용어와 단위

• 유도성 리액턴스
코일은 직류전기를 통과시키지만, 교류전류에 대해서는 저항과 같은 작용을 보여줍니다. 이러한 작용에 의한 전류방해를 유도성 리액턴스라고 합니다. 유도성 리액턴스를 회로 내의 저항으로 간주하고, 단위는 Ω(옴)을 사용합니다.
• 임피던스
회로 전체에서 저항으로 작용하는 모든 것을 합한 것을 말합니다. 회로 내의 코일의 리액턴스, 콘덴서의 리액턴스, 저항(저항)을 합친 것이 임피던스입니다. 이쪽도 마찬가지로 Ω 단위를 사용합니다.
• 인덕턴스
코일에 흐르는 전류의 크기가 변화할 때, 그것을 방해하려고 하는 작용의 크기를 인덕턴스라고 합니다. 전류가 흐르는 코일 자체에 작용하는 것을 자기인덕턴스, 두 코일의 한쪽에 변동하는 전류를 흘려 다른 쪽에 작용하는 것을 상호 인덕턴스라고 합니다.

리액턴스와 달리 변화를 방해하려고 하는 힘의 크기를 나타내므로 저항과 다릅니다. 인덕턴스의 단위는 H(헨리)로, 1H는 초당 1A의 전류변화가 있을 때 1V를 발생시키는 인덕턴스입니다.

마무리

전기와 자기가 밀접하게 관계하는 콘덴서와 코일은 전기회로에서 없어서는 안될 존재로서, 콘덴서와 코일은 모두 전기와 자기의 작용에 의해 다양한 특성을 만들어내고 있습니다. 콘덴서와 코일은 전기와 자기의 관계를 잘 활용하여 많은 전자기기를 작동시키고 있는 것입니다.

출처 참조 번역
コンデンサとは? | 村田製作所
コンデンサの役割を学ぶ｜APS
コイルとは? | 村田製作所
コイルの種類と時定数を学ぶ｜APS
コンデンサとコイル｜機器開発入門
エレクトロニクス入門 インダクタ編　No.2「インダクタの基礎知識②」｜TDK株式会社