정전 용량과 손실 계수(dissipation factor)는 어떻게 올바르게 측정할 수 있나요?
정전 용량과 손실 계수를 올바르게 측정하는 비결은 측정기의 설정입니다.
높은 정전 용량 값을 가지는 커패시터의 경우 전압 설정은 매우 중요합니다. 일부 커패시터 미터의 경우 시험할 부품에 인가된 전압이 충분하지 않아 정전 용량이 낮게 읽힙니다.
주파수 설정도 중요합니다. 정전 용량은 주파수에 따라 변하기 때문에, 업계 표준은 시험 주파수를 1MHz, 1kHz 또는 120Hz로 지정하고 있습니다(표 1 참조).
EIA 클래스 II 커패시터의 경우 노화 현상에 대한 인지도 중요합니다. 클래스 II 재료의 경우, 정전 용량은 시간에 따라 감소합니다. 따라서, 마지막 가열 시간(Time Of the Last Heat, TOLH) 이후 1000시간이내에는 정전 용량이 오차 이내여야 한다는 업계 관례가 받아들여져 왔습니다.
정전 용량의 범위에 따라 서로 다른 시험 주파수/전압에서 정전 용량을 측정해야 할 필요는 무엇인가요?
측정기의 주파수 설정은 부품의 기생성분에 따라 달라집니다. 부품 값을 보다 정확하게 판독하기 위해서는, 측정 주파수가 부품의 자기 공진 주파수(Self-Resonance Frequency, SRF)로부터 멀리 떨어져 있어야 합니다. 업계의 사용자들이 정전 용량 값에 따른 서로 다른 측정 주파수를 표준으로 설정했습니다(표 1 참조). 10uF 이상의 정전 용량은 탄탈럼 커패시터의 범주로 고려되었습니다. 세라믹 커패시터의 범위가 탄탈럼 커패시터의 범위까지 확대되기 시작함에 따라 업계는 탄탈럼 측정에 사용하는 주파수 표준을 세라믹 커패시터에 도입하였습니다.
인가되는 전압 또한 커패시터의 정전 용량에 따라 달라집니다. 일반적으로 10uF 이하에서는 1.0±0.2Vrms의 전압이 인가되지만, 10uF 이상에서는 0.5±0.1Vrms의 전압이 인가됩니다. 정전 용량이 높은 커패시터들의 임피던스는 매우 낮아서, 측정을 할 수 있을 정도의 충분한 전류를 공급하려면 전원 공급 장치는 1.0±0.2Vrms에서 공급되는 전류보다 더 많은 전류를 공급해야 합니다. 인가 전압을 낮춤으로써, 전원 공급 장치는 높은 정전 용량의 커패시터들을 측정할 수 있을 만큼 충분한 전류를 공급할 수 있게 됩니다.
정전 용량에서 Cp와 Cs의 차이는 무엇인가요?
임피던스 분석기는 Cp로 알려진 병렬 정전 용량 또는 Cs로 알려진 직렬 정전 용량을 측정할 수 있습니다. 회로 모델은 커패시터의 정전 용량 값에 따라 달라집니다(그림 1 참조).
C가 작고 임피던스가 크면, C와 Rp의 병렬 임피던스는 Rs보다 영향이 커져 정전 용량 측정을 위한 측정기의 설정은 Cp여야 합니다. C가 크고 임피던스가 작으면, C와 Rp의 병렬 임피던스는 Rs보다 영향이 작아 정전 용량 측정을 위한 측정기 설정에는 Cs를 사용해야 합니다. 경험적으로 임피던스 설정을 선택하는 좋은 방법은 커패시터의 임피던스가 10kΩ 이상이면 Cp를, 10Ω 이하에서는 Cs를 사용하는 것입니다.
어떻게 하면 품질 계수(quality factor, Q)를 정확하게 측정할 수 있나요?
품질 계수는 커패시터가 이론적으로 순수한 커패시터로서 동작하는 정도에 대한 측정으로, 이는 손실 계수(dissipation factor, DF)의 역수입니다. 일반적으로 정전 용량 값이 330pF 이하이면 Q로, 330pF 초과이면 DF로 표현합니다.
특정 커패시턴스 범위에 부합하는 정밀한 인덕턴스 코일을 사용하는 Q 미터로 정확한 Q 값을 얻을 수 있습니다. 0.5~330pF 범위에 걸쳐 적절하게 측정하기 위해서는 대체로 여러 개의 코일이 필요합니다. 330pF을 초과하는 커패시터의 경우, 손실 계수에 역수를 취하여 품질 계수를 계산할 수 있습니다(공식 1 참조).
커패시터의 허용 리플 전류는 얼마인가요?
커패시터에서 전압의 오르내림이 발생할 경우, 이에 대한 반응으로 충전 또는 방전 전류가 커패시터로 들어가거나 나오게 됩니다. 커패시터로 들어가거나 나오는 전류를 리플 전류라고 합니다. 이 전류는 원론적으로는 직류가 아니기 때문에 유효 값으로 표시됩니다. 커패시터는 리플 전류가 있으면 열을 발생시키기 때문에 상한은 반드시 설정되어야 하며, 이 상한 값이 허용 리플 전류로 알려진 값입니다.
보다 자세한 내용은 MLCC에 대한 Digi-Key의 Another Teaching Moment 비디오를 시청해 보시기 바랍니다:
https://www.youtube.com/watch?v=0r_0AgFr-U4
MLCC에 대한 기사:
https://www.digikey.kr/ko/articles/multilayer-ceramic-capacitors-mlccs
커패시터의 클래스:
세라믹 커패시터의 온도 계수 이해
영문 원본: Measuring a Capacitor