글쓴이 : SOONDORI
“커패시터는 전기를 담을 수 있는 빈 깡통과 같다” 그것은 다들 알고 있는 사실인데… 구체적으로 어떻게?
1) 받은 만큼만 충전 : 땡땡 볼트를 공급하면, 커패시터 단자 전압은 즉시 땡땡 볼트로 급상승. 이때, 무조건 충전 전압 = 단자 전압이 된다.
2) 받지 않으면 잠시 머금기 : 공급 전압 OFF → 충전된 전기를 가지고 있으려는 속성의 발현 → 마지막 인가 전압이 최대한 유지된다. 물론, 화학적 자연 감모라는 게 있으니 당분간…
3) 할 수 있다면, 곧바로 내뱉기 : 공급 전압 OFF → 본성이 냉정하다. 마침, 전자 한 알이라도 굴릴 수 있는 경로가 있으면 즉시 그쪽으로 버리기 → 단자 전압은 0.0V까지 급격히 감소.
이하, 실물의 테스트 내용도 그러함.
(▲ 이상에서, 공급 전압 = 커패시터 단자 전압. 63V 내압의 커패시터이므로 더 높게!도 가능하다)
(▲ 파워서플라이 공급 전압 15V 조건에서 라인 OFF 했을 때. 곧바로 방전 시작하여 12.**V, 7.**V… 쭉~ 감소한다. 그 감소 시간은 곧 커패시터의 용량과 반비례하고)
위 반응의 관념적 해석은,
○ 200리터 공(空) 드럼이 있다고 가정하고 그 안에 전기를 상징하는 구슬을 넣는다. 공 드럼 내 구술의 수위가 점점 차오르면, 안에 담기는 에너지가 점점 많아지는 것과 같다. 계속 구슬을 넣으면 어느 순간, 차고 넘치게 될 것이고.
이제, 상상의 공 드럼을 부품으로서의 커패시터로 대체한다.
수위가 올라가는 것은 전기 에너지인 전하가 축적되는 현상. 넘치는 것은 제조사가 정한 커패시터 내압을 초과하는 것. 넘쳐서 튀어나온 구술은 그냥 바닥을 굴러가겠지만, 커패시터는… 갑자기 지글지글~ 하다가 펑! 바로 눈앞에서 그런 일이 벌어지면 조금은 황당하더라. 손톱만 한 것이 터져서 그렇지… 주먹만 한 것이었다면?
○ ‘현재 전압 < 부품 내압’이라는 사용상의 준칙만 준수한다면, 기본적으로 <커패시터의 현재 공급 전압 = 단자 전압>이고 양자는 커패시터 겉면에 표시된 부품 내압과는 아무 상관이 없다. 다른 말로 표현하면, 내압 미만에서 마음껏 충전/방전 전압을 설정할 수 있음. 그럴 듯하게 재정리하면,
커패시터 인가 전압 = 100프로 완충 전압 ≒ 완충 후 0.000….1초쯤 지난 시점의 방전 시작 전압
○ 어떤 두 개 커패시터의 공급 전압을 1000V와 12V로 달리할 때, 두 커패시터가 일시 방출할 수 있는 보관 중 에너지 밀도 차이는 어떻게 될까? 기본 공식은 다음과 같음.
에너지 밀도(e) = 1/2 × 전하량 × 전압^2
여기서,
1000uF 용량 한정에 의해 양자의 전하량이 같다고 할 때, e ≒ fx(전압의 제곱)
용량이 똑같다는 가정에서, 1000V 쪽이 12V 쪽보다 6,944배 크다. 1000 ÷ 12의 83배가 아니고.
○ 이번에는… 같은 전압으로, 최대한 오랫동안 전기 에너지를 담고 있도록 만들려면?
구슬, 전자, 전하, 뭐라고 하든 전기로 치환될 무엇을 담을 깡통의 크기 즉, 커패시터 용량을 무한대로 키우면 된다. 그 방법은 제조사가 알아서 할 일이고… 그러면서, “전기의 장기 보관에 좋~습니다!”를 강조하는 슈퍼-캡(Super CAP)이 등장하였다. (여기서, CAP은 Capacitor의 줄임말)
(▲ 겉면에 5.5V/0.047F가 표기됨. 내압이 5.5V이니 그 이하로 충전하라는 이야기이고, 저장 용량은 0.047F = 47mF = 47,000uF이다. 무려 4만 7천 마이크로 ‘패럿’ 아니 ‘패러드’ 또는 ‘파라드’ 또는 Whatever!)
슈퍼-캡은 흔히 보는 커다란 전해 커패시터의 능력을 초월하는 것이기 때문에… 기본 용량 단위가 앵무새 연상의 발음, 빠르게 ‘패럿(F, 본래는 패러드)’이고, 주로 메모리 백업용으로 사용한다. 그러니까, 디지털 FM 튜너를 처박아 놓고 3년 후 꺼내도 저장한 것이 그대로 살아있더라는…
만일 슈퍼캡이 없다면? 불량이라면? 미리 완충해 둔 큰 용량 또는 수천 uF 정도의 전해 커패시터를 그 자리에 그대로 붙여도 됨. 메모리 유지 기간은 몇 주쯤? 재수 좋으면 두 달쯤? 뭐… 그런 정도에서 타협.
○ 조금 다른 상상으로, 튜너의 백업용 버튼셀을 대체할 수 있을까?
전기를 내뱉기만 하는 버튼셀의 속성을 생각할 때, 그쪽 회로만으로 커패시터를 충전할 수는 없다. 우회 경로를 만들면, 당연히 슈퍼캡이나 큰 용량 커패시터로 대체할 수 있고. 그런데 굳이 왜?
* 관련 글 : 커패시터 보관 에너지를 가늠하는 간단한 실험
