수동소자 (커패시터, 인덕터, 릴레이)

myblack·2024년 9월 10일

릴레이 인덕터 커패시터 회로이론

회로이론

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능동소자와 수동소자

능동소자

외부에 전력을 공급할 수 있는 소자
ex) Mosfet, BJT, OPAMP

수동소자

외부에 전력을 공급할 수 없는 소자
[수동] 의 의미란 외부에서 전력을 공급받아 전기적인 신호를 조작하거나 변환하는 역할
종류 : 저항 / 커패시터 / 인덕터 / 다이오드 / 트랜지스터 / 센서

단위표

커패시터 (콘덴서)

커패시터 :

커패시턴스 C : 정전용량, 대전을 통해 전하를 저장할 수 있는 능력 [단위 : F]
1F는 1V 전압 가했을때 1Q 전하량 축적할 수 있는 능력 의미

커패시터 : 커패시턴스 성질을 지닌 전압을 충전,방전 시키는 소자
두 개의 극판 사이에 유전체 존재.

커패시터 수식

축적할수 있는 전하량 Q = C (정전용량) * V (전압)

커패시턴스 = (유전율) x (플레이트 면적) / (플레이트 수직 거리)

$C = {Q \over V} = ε_o {A \over d}$
$I(t) = C {dV_C(t) \over dt}$
저장되는 전기장 에너지 $E = C {Vc^2 \over 2}$

커패시터 충전&방전

충전과정

방전과정

충,방전 전압 그래프

커패시턴스 종류

프린징 커패시턴스 (Fringing Capacitance)
도전판 사이의 직선면 커패시턴스가 옆면, 뒷면의 방향으로 전기장 분포해 추가적 커패시턴스 형성

기생 커패시턴스 (Parasitic Capacitance) :

회로 요소와 주변 도체 간에 의도치 않게 생성되어 기생하고 있는 커패시턴스

ESR (등가 직렬 저항, Equivalent Series Resistance)

기생 직렬 저항 성분
ESR은 커패시터 내부에서 직렬로 존재하는 저항 성분
커패시터가 이상적인 정전용량만 가진다는 가정과 달리, 실제로는 전류 흐름에 따라 전력 손실이 발생함을 나타냄
커패시터에서 전극에 의한 저항 성분, 유전체 재료에 의한 유전 손실이 합해져 나타남
커패시턴스 성분 외 외부 단자의 리드선 등에 의해 생기는 저항 성분
전력손실, 충방전 지연, 고주파 임피던스 제한

ESL (등가 직렬 인덕턴스, Equivalent Series Inductance)

기생 직렬 인덕턴스 성분
ESL은 커패시터에서 리드선, 내부 배선 구조 등이 유도하는 인덕턴스 성분으로, 고주파에서 커패시터의 임피던스를 증가시키며, 필터 동작을 방해
커패시터에서 전극 및 단자 길이에 의해 나타남
기생 인덕턴스 ESL도 소자의 리드선 등에 의해 생성.
ESL로 C-L 간 공진 발생

부유용량 (Stray Capacitance) :
패턴 등의 선들끼리, 혹은 선과 그라운드 사이 형성되는 커패시턴스

커패시터 종류

용량 uf , 정격전압 V , 온도 등 허용 용량 존재
적층세라믹 [MLCC] , 알루미늄 전해, 탄탈 커패시터 등 존재
전기장 : 서로 다른 두 극성 존재, 전기력 작용.
ex) 같은 종류 밀어냄 / 다른종류 끌어당김
탄탈, 전해 커패시터 극성이 존재함. [띠 있는 부분 - 극성]
알루미늄 전해 커패시터 :
대용량, 유극성, 수명 및 용량 감소, 주파수 특성 안좋음
탄탈 전해 커패시터 :
비교적 대용량, 온도 특성 좋음, 유극성, 파손되면 단락
세라믹 커패시터와 MLCC(적층) :
좋은 고주파수 특성, 높은 사용온도, 작은용량 & 큰 오차율, 파손되면 단락

회로 연결

직렬

병렬

커패시터의 역할

https://idskr.panasonic.com/blog/control/capacitor/technology/capacitor_structure

백업 용도
전원 순단 시나, IC의 구동 스피드가 급격히 빨라져 부하전류가 증가한 경우, 전원으로부터의 라인 전압이 강하하여 IC의 오동작을 초래하는 경우 존재
전원 라인 정상 시에 콘덴서가 축적한 전기를 IC 측에 공급하여 전원 라인 전압을 일시적으로 유지

디커플링 (Decoupling)
IC 등 전자부품이 전류를 순간적으로 끌어쓸 때, 전원 노이즈를 줄여주고 IC가 안정적인 전압을 유지하도록 함.
전원 공급선에서 발생할 수 있는 저주파 또는 중간 주파수 노이즈를 억제
다른 IC에서 발생한 전원 변동이 목적 IC에 영향을 주지 않도록 격리(Decouple)
바이패스 (Bypass)
특정 주파수 이상의 고주파 성분을 그라운드(GND)로 우회시키는 기능.
고주파 노이즈가 회로의 신호 라인에 영향을 주지 않도록 함.
DC 성분만 IC에 전달

디커플링은 "전원 격리" 기능에 집중 → IC 전압 안정화
바이패스는 "노이즈 우회" 기능에 집중 → 노이즈 제거 및 필터링
실제 회로에서는 같은 커패시터가 두 역할을 겸함 → 구분은 설계 맥락과 해석 관점의 차이

커플링 용도
직류 바이어스 전압을 제거하여, 교류 신호 전압만 후단 회로에 전달
Single Coupling : 직류 차단, 교류 통과 - 직류 교류 신호 분리
교류의 경우 시간에 따라 +/- 방향이 바뀌므로 충전되지 않음

디바운싱 역할 (채터링 방지)

채터링 : 기계 접점이 순간적으로 붙었다 떨어졌다 하는 반복적인 ON/OFF 현상
커패시터로 채터링 디바운싱

RC 스너버
순간적인 과도한 전기적 충격인 서지를 흡수, 제거해 보호하는 장치

인덕터 (코일)

암페어의 법칙

도선에 전류가 흐르면 항상 자기장이 발생한다는 법칙
자기력선은 전류 방향 중심으로 오른 나사 방향

자기력은 거리에 반비례, 전류 비례

자속과 투자율

자속 B는 자기력선에 직각인 일정 면 S(m2)을 통과하는 자기력선의 수
𝐵 = 𝜇𝐻
투자율은 물질이 얼마나 자화가 잘 되는지, 자기장 얼마나 잘 전달시키는지의 물리량
유도 기전력 E(V) = − N x dΦ/dt

인덕턴스(L) 는 전류의 변화량에 저항하는 물리량
NΦ = L x I
I = NΦ / L
인덕터는 코일이라고 부르며, 전류의 변화를 이용하여 전압을 유도해내는 소자
인덕터의 성질을 인덕턴스 L 라고 부름. [단위 : H ]

유도 기전력 : 전류가 변하면 방해하는 방향으로 전압을 유도함.

유도 기전력 크기
인덕턴스 저장 에너지

코일과 인덕턴스

L= μ0 x μr x N^2A / l
L = 인덕턴스 (H, 헨리)
𝜇0 = 자유 공간의 투자율 (4𝜋×10⁻⁷ H/m)
N = 권선 수 (turns)
A = 단면적 (m^2) → 𝐴=𝜋𝑟^2 (r: 코일의 반지름)
l = 코일의 길이 (m)

전자기 유도 현상 : 코일과 자석의 상대적 운동으로 자기장 형성되어 코일에 전류 흐름

패러데이 법칙

전자기 유도로 발생한 유도기전력 크기, 변하는 자기장이 전기장 만듬.
시간에 따라 변화하는 자기장이 도선 내부에서 유도 기전력을 발생시킴
※ 기전력 : 전압 올리는 힘
E = −N dΦ/dt
E = 유도 기전력(전압, V)
N = 권선 수 (turns)
Φ = 자기선속 (Weber, Wb)
→ 자기선속(Φ)은 자기장의 총량을 의미
Φ = BA
B = 자기장 세기 (T, Tesla)
A = 단면적 (m²)
자기선속이 빠르게 변화할수록 유도 기전력이 커짐
인덕터의 권선 수 N이 많을수록 더 큰 유도 기전력이 발생

렌츠 법칙(Lenz's Law)

렌츠 법칙은 유도된 전류는 항상 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다는 법칙
패러데이 법칙에서 음수(-) 표시
코일에 자기장이 증가하면 반대 방향의 자기장을 만드는 전류가 유도됨.
코일에 자기장이 감소하면 자기장을 유지하려는 방향의 전류가 유도됨.

자기인덕턴스와 상호 인덕턴스

자기 인덕턴스

V = L dI/dt
V = 유도 기전력 (전압, V)
L = 자기 인덕턴스 (H, Henry)
dI/dt = 전류 변화율 (A/s)

자기 인덕턴스는 코일(인덕터) 자체가 변화하는 전류에 의해 자기장을 형성하고, 이 자기장이 다시 원래의 코일에 유도 기전력을 발생시키는 현상

상호 인덕턴스

상호 인덕턴스는 두 개 이상의 인덕터가 자기장을 공유하여 한 인덕터의 전류 변화가 다른 인덕터에 영향을 미치는 현상을 의미

상호 인덕턴스 M = [VL(유기기전력)] / [di(t)/dt (시간당 코일에 가해지는 전류)]

직렬

가동접속 (Series Aiding Connection)
코일을 감은 방향이 같은 경우, 전류의 방향이 같아지고 유기되는 자기장의 방향 또한 같은 방향으로 생성
L = L1+L2+2M
차동접속 (Series Opposing Connection)
코일을 감은 방향이 다른 경우, 전류의 방향이 달라지고 유기되는 자기장의 방향 또한 다른 방향으로 생성
L = L1+L2-2M

병렬

가동

차동

결합계수

2개 코일(인덕터) 사이의 자기적 결합의 정도를 표시
k = M / √L1L2 (0＜k＜1)
1에 가까울수록 결합 강함.
상호 인덕턴스에 의해 한 코일에 변화하는 전류가 있을 경우, 다른 코일에 유도 기전력이 발생
V2 = 𝑀 x di1/𝑑𝑡
V2 = 두 번째 코일에 유도된 전압
di1/𝑑𝑡 = 첫 번째 코일의 전류 변화율

회로

직렬
병렬

인덕터 종류

코어 종류에 따른 인덕터

1. Air coil 인덕터
코어 없이 코일로 감은 인덕터, 코어 없어 투자율 낮아 용량이 작음
2. 페라이트 코어 인덕터
투자율 높고 저항 큰 페라이트 소재 코어에 코일 감은 인덕터.
인덕터 용량 크고 와전류 손실 적음

역할/모양 분류

1. 파워 인덕터
전원 회로에 쓰이는 인덕터, 수십 A까지도 사용 되도록 굵게 만들어짐
2. 원환체 (Toroid) 인덕터
페라이트 코어에 링 형태로 감은 인덕터
원모양으로 감아 감은 수 대비 높은 자기장
3. Axial 인덕터
리드타입 저항처럼 외부 코팅
비드 (Bead)
페라이트 소재 코어에 코일 감음. 고주파에서 저항으로 작용
고주파 노이즈를 저항성분 이용해 열 에너지로 소비해 제거
트랜스포머 (변압기)
두개의 코일을 코어 양쪽에 감아 전자기 유도 현상으로 변압
1차측 전력 = 2차측 전력