축전기(Capacitor)란?
축전기(Capacitor)는 전하를 저장할 수 있는 장치입니다.
기본적으로 두 개의 극판이 평행하게 배치되고, 그 사이에 유전체가 들어가는 구조입니다. 두 극판에 전압을 인가하면 전하가 축적됩니다.
정전용량(Capacitance)이란?
축전기는 정전용량(Capacitance)이라는 값으로 전하를 저장하는 능력을 나타냅니다.
1V의 전압을 인가했을 때 1C의 전하가 저장되는 정전용량을 1F(farad)이라고 합니다.
다시 말해 정전용량은 절연된 두 도체에 전압을 인가했을 때 저장되는 전하량과 전압의 관계를 나타냅니다.
이를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있습니다.
정전용량과 유전율의 관계
축전기의 정전용량은 구조에 따라 달라집니다.
도체의 면적이 클수록 정전용량은 커지고, 두 도체 사이의 거리가 가까울수록 정전용량은 커집니다.
이 식에서 A는 도체의 면적, d는 도체 사이의 거리를 의미합니다.
또한 정전용량에는 ε(유전율)이라는 값이 영향을 줍니다.
유전율은 물질이 가지고 있는 고유한 정전 특성입니다. 절연체의 단면적이나 길이와는 관계가 없으며, 해당 매질이 전하를 저장할 수 있는 특성을 나타냅니다.
축전기의 직렬·병렬 연결
축전기는 회로에서 여러 개를 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용할 수 있습니다.
연결 방식에 따라 각 축전기에 걸리는 전압과 전하의 관계가 달라집니다. 이에 따라 등가 정전용량을 계산하는 방법도 달라집니다.
축전기를 직렬 연결한 경우
축전기를 직렬로 연결하면 각 축전기에 유도되는 전하(Charge, Q)는 동일합니다.
이러한 특성을 이용하면 직렬로 연결된 축전기의 등가 정전용량을 구할 수 있습니다.
따라서 직렬로 연결된 축전기의 경우, 등가 정전용량의 역수는 각 정전용량의 역수의 합과 같습니다.
축전기를 병렬 연결한 경우
축전기를 병렬로 연결하면 각 축전기에 걸리는 전압은 동일합니다.
이러한 특성을 이용하면 병렬로 연결된 축전기의 등가 정전용량을 구할 수 있습니다.
따라서 병렬로 연결된 축전기의 등가 정전용량은 각 정전용량의 합과 같습니다.
축전기의 기본 원리 정리
축전기는 전하를 저장하는 대표적인 PCB 수동소자입니다.
정전용량은 도체의 면적과 거리, 유전체의 유전율에 따라 달라집니다. 또한 축전기를 직렬 또는 병렬로 연결하면 등가 정전용량을 계산하는 방법도 달라집니다.
따라서 PCB와 전기회로를 이해하기 위해서는 정전용량, 유전율, 직렬·병렬 연결의 기본 원리를 함께 이해하는 것이 중요합니다.
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