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/// 교육 · 기초 회로 · 03

커패시터와 RC: 충전 · 방전 · 시정수 · 필터

저항은 전류를 막고, 커패시터는 전하를 담는다. 둘을 하나씩 이으면 시간을 다루는 회로가 된다. 스위치 떨림 거르기, 전원 켜짐 지연, 잡음 걸러내기, PWM 을 아날로그로 바꾸기가 모두 여기서 나온다.

커패시터는 무엇을 하나

커패시터는 얇은 절연체를 사이에 둔 두 판이다. 전압을 걸면 판에 전하가 쌓이고, 쌓인 양은 전압에 비례한다(Q = C × V). 단위는 패럿 F 이지만 실제로는 pF · nF · µF 를 쓴다.

중요한 성질 하나: 커패시터 전압은 한순간에 바뀌지 못한다. 전하를 채우거나 빼는 데 시간이 걸리기 때문이다. 이 「느림」이 RC 회로의 모든 쓰임새를 만든다.

충전과 시정수 τ

저항 R 을 거쳐 커패시터 C 를 충전하면 전압은 곡선을 그리며 오른다. 처음엔 빠르고 갈수록 느려진다. 이 속도를 나타내는 값이 시정수다.

τ = R × C  ·  충전 전압 Vc(t) = Vs × (1 − e^(−t/τ))
지난 시간1τ2τ3τ5τ
최종값의63%86%95%99%

예) 10 kΩ 과 100 nF 이면 τ = 1 ms. 버튼 떨림(수 ms)을 거르기에 알맞은 크기다. 방전도 같은 곡선을 거꾸로 그린다.

주파수로 보면: 1차 필터

같은 R · C 를 신호 쪽에서 보면 필터가 된다. 커패시터는 빠르게 바뀌는(높은 주파수) 신호에 길을 쉽게 내주고, 느린 신호에는 막힌다. 그래서 C 를 GND 쪽에 두면 높은 주파수가 빠져나가는 저역 통과, 신호 길 위에 두면 낮은 주파수가 막히는 고역 통과가 된다.

저역 통과(LPF) in R out C 고역 통과(HPF) inC out R
같은 R · C 로 자리만 바꾸면 저역 ↔ 고역. 차단주파수 식은 둘이 같다. (RL 은 C 자리에 L, 역할이 반대: R 위 · L 아래면 고역)

공식과 근거

차단주파수는 출력이 입력의 1/√2(약 70.7%, −3 dB)로 줄어드는 주파수다. 그 위(저역 통과) 또는 아래(고역 통과)로 갈수록 10배 주파수마다 20 dB 씩 더 줄어든다(1차 필터).

RC: fc = 1 / (2π R C), τ = R C  ·  RL: fc = R / (2π L), τ = L / R
저역 통과 크기: |H(f)| = 1 / √(1 + (f/fc)²)  ·  위상: −arctan(f/fc)

시정수 τ 는 계단 입력에서 출력이 최종값의 약 63% 에 닿는 시간이고, 5τ 면 99% 를 넘는다. 스위치 떨림(디바운스)이나 전원 켜짐 지연을 셀 때 쓴다.

값 넣어 보기

차단주파수 fc
-
푸는 순서

    흔한 실수

    뒤에 무엇이 붙는지 잊기 — 출력에 낮은 임피던스(다음 단 입력, ADC 등)가 붙으면 R 과 나뉘어 차단주파수와 크기가 달라진다. 다음 단 입력 저항이 R 보다 충분히 커야 계산이 맞는다.
    세라믹 커패시터의 실제 용량 — 고유전율 세라믹(X5R · X7R)은 DC 전압이 걸리면 용량이 크게 줄어든다(정격의 절반 아래도 흔하다). 필터 값이 중요하면 C0G(NP0) 나 필름을 쓰거나 제조사 그래프를 본다.
    PWM 을 RC 로 걸러 아날로그로 — fc 를 PWM 주파수보다 충분히 낮게(대략 1/10~1/100) 잡아야 잔물결이 작다. 대신 응답이 느려지니 2차(RC 두 단)를 생각한다.

    자주 묻는 것

    2단으로 이으면 차단주파수가 같은가

    같은 R · C 를 두 번 이으면 −3 dB 지점이 내려가고(앞단이 뒷단에 눌려) 계산도 단순하지 않다. 두 번째 단 저항을 10배쯤 크게 하면 어림이 맞는다.

    커패시터 표준값은?

    흔히 E6(1.0 · 1.5 · 2.2 · 3.3 · 4.7 · 6.8)이나 E12 로 판다. 위 상자에 나오는 가까운 값을 고르고 실제 fc 를 다시 확인한다.

    확인 문제

    4.7 kΩ 과 1 µF 의 시정수와, 99% 까지 걸리는 시간은?

    τ = 4.7 kΩ × 1 µF = 4.7 ms. 5τ ≈ 23.5 ms.

    1 kΩ · 100 nF 저역 통과 필터의 차단주파수는?

    1 ÷ (2π × 1000 × 100n) ≈ 1.59 kHz.

    20 kHz PWM 을 RC 로 걸러 아날로그 전압을 만들 때 차단주파수는 어느 정도로?

    PWM 주파수보다 충분히 낮게, 대략 200 Hz ~ 2 kHz(1/100 ~ 1/10). 낮을수록 잔물결은 줄고 응답은 느려진다.