2. 저항과 콘덴서(커패시터)

2. 저항과 콘덴서(커패시터)

1. 실험목적

(1) 미국 전자산업협회(Electronic Industrial Association: EIA)에서 채택한 국제표준 색코드로 저항값과 콘덴서(커패시터) 값을 읽는 법을 습득한다.

(2) 저항계의 여러 저항범위를 사용하여 저항값을 측정한다.

(3) 분압기(Potentiometer: 가변저항기)의 세 단자 중 두 단자 사이의 저항을 측정하고, 분압기의 축을 회전시키면서 저항값의 변화를 관찰한다.

(4) 콘덴서의 종류를 익히며, 코드로 콘덴서 값과 극성 차이를 측정한다.

2. 실험이론

1) 색저항

 현재 전자 회로에 사용되는 대부분의 저항은 탄소저항이다. 저항의 단위는 옴(Ohm)이고, 기호로 \(\Omega\)(그리스문자 오메가)로 나타낸다. 저항값은 저항에 색 띠(color band)로 표시된 색깔에 대응되는 값을 이용하여 구한다.

띠의 색(Color)	대응되는 숫자	10의 지수	오차
검정색(Black)	0	\(1(=10^{0})\)
갈색(Brown)	1	\(10(=10^{1})\)
빨강색(Red)	2	\(100(=10^{2})\)
주황색(Orange)	3	\(1,000(=10^{3})\)
노랑색(Yellow)	4	\(10,000(=10^{4})\)
초록색(Green)	5	\(100,000(=10^{5})\)
파랑색(Blue)	6	\(1,000,000(=10^{6})\)
보라색(Purple, Violet)	7	\(10,000,000(=10^{7})\)
회색(Gray)	8	\(100,000,000(=10^{8})\)
흰색(White)	9	\(1,000,000,000(=10^{9})\)
금색(Gold)		\(0.1(=10^{-1})\)	\(\pm5\)%
은색(Silver)		\(0.01(=10^{-2})\)	\(\pm10\)%
무색(None)			\(\pm20\)%

이때 저항의 허용전력은 \(\displaystyle\frac{1}{8}\text{W},\,\frac{1}{4}\text{W},\,\frac{1}{2}\text{W},\,2\text{W},\,3\text{W}\)이고, 이것은 저항의 규격서를 통해 알 수 있다.

(1) 기본저항

 기본적인 저항은 표 위의 그림과 같다. 표즌 색코드는 저항 몸체의 둘레에 표시되는 4개의 색 띠로 구성된다.

 첫번째 띠는 저항값의 첫째자리 숫자를, 두번째 띠는 둘째자리 숫자를, 세번째 띠는 앞의 두 숫자 뒤에 붙는 \(0\)의 개수(\(10\)의 지수)를 나타낸다. 예를들어 세번째 띠가 금색 또는 은색이면 \(10\Omega\)이하의 저항값을 나타낸다. 

*

-금색 띠: 앞의 두 숫자가 나타내는 값의 \(\displaystyle\frac{1}{10}\)을 의미한다.

-은색 띠: 앞의 두 숫자가 나타내는 값의 \(\displaystyle\frac{1}{100}\)을 의미한다.

 

네번째 띠는 저항값의 퍼센트 허용오차를 나타낸다. 퍼센트 허용오차는 실제의 저항값과 색코드로 표시된 저항값 간의 오차를 의미하고, 이는 저항이 대량생산되기 때문에 재료 또는 제조공정상의 변화에 의해 실제 저항값이 표시된 값과 차이가 있을 수 있음을 고려한 것이다. 실제로 대부분의 회로는 저항값이 정확하지 않더라도 설계목적에 맞게 정상적으로 동작한다. 일반적으로 허용오차는 색코드로 표시된 값으로부터 + 또는 -로 주어진다.

(2) 고정밀 저항

 고정밀 저항은 위의 그림처럼 5개의 띠를 갖는다. 색깔에 대응되는 값을 구할 때는 앞((1))에서의 색저항 표를 이용한다. 처음 세개의 띠는 저항값의 처음 세자리 숫자를 나타내고, 네번째 띠는 앞의 세 숫자 뒤에 붙는 지수(\(10^{x}\))로 \(x\)에 해당하는 숫자를 나타내며, 다섯번째 띠는 허용오차를 나타낸다. 이 경우 퍼센트 허용오차의 범위는 \(0.1\sim2\)%이다.

 큰 저항값의 경우, \(0\)을 모두 표시하기에 공간이 부족하므로, 미터법의 약자를 사용해 \(1,000\)은 K(Kilo)로, \(1,000,000\)은 M(Mega)로 표시한다.

예: \(33,000\Omega=33\text{k}\Omega\), \(1,200,000\Omega=1.2\text{M}\Omega\)

(3) 가변저항

 저항값이 고정된 저항 이외에 가변저항도 회로구성에 사용된다. 가변저항은 가감저항(Rheostat)과 분압기(Potentiometer)등 두가지로 구분된다. 라디오의 음량(volume)조절, TV수상기의 휘도 조정 등에 가변저항이 사용된다. 

(참고: 길이가 \(\ell\)이고, 단면적이 \(S\)인 물체의 저항은 \(\displaystyle R=\rho\frac{\ell}{S}\)이다.)

위의 그림은 가감저항의 회로기호이고, A, B점은 회로에 연결되는 단자이다. 가감저항은 \(0\Omega\)의 최소저항값과, 지정된 최대 저항값(현실적으로 저항값을 무한대로 설정하기가 어렵다)을 갖는다. 위 그림에서의 화살표는 가변저항의 저항값을 조정하는 수단이며 이를 이용해 A, B점 사이의 저항값이 결정된다.

 분압기는 위의 그림처럼 3단자 소자이다. ①과 ③ 사이의 저항은 고정저항이고, ②는 분압기의 가변단자이다. 가변단자는 저항체의 표면을 이동하는 금속 접촉체이고, 가변단자의 접촉점과 한쪽 단자 사이의 저항물질의 양에 의해 두 점 사이의 저항값이 결정된다. ①과 ②사이의 길이가 길수록 두 점 사이의 저항값은 커지고, ②와 ③사이의 길이는 좁아져서 이 두점 사이의 저항값은 작아진다(①과 ③사이의 저항은 고정저항이다).

(4) 저항값 측정

 멀티미터(Volt Ohm Miliammeter: VOM)는 직류, 교류전압, 직류전류, 저항의 값을 측정할 수 있는 기기이다. VOM을 이용하여 저항값을 측정하려면 기능스위치를 저항계로 맞추어야 하며, 측정 시작 전 설명서에 기록되어있는 방법대로 영점조정을 해야 한다. 분압기에서의 ①과 ③사이의 저항값을 측정하기 위해서 VOM의 한쪽 단자를 ①에 연결하고 다른 단자를 ③에 연결한다. 이때 계기가 \(0\Omega\)을 나타내면 단락되었음을 뜻하고, 지침이 움직이지 않으면 개방(\(\infty\Omega\))되었음을 뜻한다.

테스터의 저항계의 기본눈금은 \(R\times1\)의 범위이고, 눈금이 로그(비선형)로 되어있으므로 숫자로 표시되지 않은 눈금에 대해서는 숫자로 환산해야 한다.

 \(100\Omega\)의 오른쪽 영역은 저항눈금이 매우 밀집되어 있다. \(100\Omega\)이상의 저항값을 정확하게 측정하기 위해서는 측정되는 실제 저항값에 따라 저항계의 측정범위를 \(R\times10\)(기본 눈금으로 읽은 값에 10을 곱한다), \(R\times100\)(기본 눈금으로 읽은 값에 100을 곱한다), \(R\times1000\)(기본 눈금으로 읽은 값에 1000을 곱한다)등으로 조정하여 판독하기 쉬운 위치로 조정해야 한다. 저항계의 측정범위를 변경한 다음에는 영점조정을 다시해야 한다.

 디지털 저항계(멀티미터)는 저항값을 구체적인 숫자로 나타낸다. 디지털 멀티미터(저항계)는 저항범위, Low Ohm, High Ohm지정을 갖는다.

2) 콘덴서(커패시터)의 용량 표시

 콘덴서(축전기 또는 커패시터)는 양쪽 도선판의 중간에 절연물체(종이, 운모, 세라믹, 산화막 등)를 넣은 형태의 소자로 양쪽에 전극이 바깥으로 나와 있고, 극간 거리가 짧고, 극판의 면적이 넓고 절연물질의 비유전율이 커야 큰 정전용량의 콘덴서가 된다. 콘덴서는 전기를 저장하고, 직류를 차단, 교류만 통과하는 기능을 갖는다. 정전용량이나 정격전압은 숫자와 알파벳을 조항해서 기호로 표시한다.

위 그림에서의 마이라콘덴서에 적힌 1H는 정격전압을 의미하고 다음의 표에 따라 \(1\text{H}=50\text{V}\)이다.

정격전압 표시기준

정격전압	A	B	C	D	E	F	G	H	I	J
0	1	1.25	1.6	2.0	2.5	3.15	4.0	5.0	6.3	8.0
1	10	12.5	16	20.	25	31.5	40	50	63	80
2	100	125	160	200	250	315	400	500	630	800
3	1,000	1,250	1,600	2,000	2,500	3,150	4,000	5,000	6,300	8,000

위 그림에서의 마이라콘덴서에 적힌 J와 세라믹콘덴서에 적힌 K는 허용오차를 의미하고 다음의 표에 따라 J=±5%, K=±10%이다.

10pF이하의 콘덴서의 크기단위는 pF로 나타낸다.

B

C

D

F

G

J

K

M

N

V

X

Z

P

허용오차(%)

±0.1

0.25

0.5

±1

±2

±5

±10

±20

±30

+20 -10

+40 -20

+80 -20

+100 0

허용오차 (pF)

±0.1

0.5

0.5

±1

±2

(1) 콘덴서의 종류

 콘덴서의 분류는 두 장의 전극 사이에 유전체를 둔 구조로 유전체의 종류에 따라 분류하면 ① 무기질 콘덴서, ② 필름(박막) 콘덴서, ③ 전해 콘덴서, ④ 가변 콘덴서로 크게 나뉜다. 무기질 유전체는 유리, 운모(마이카), 고유전율 세라믹, 적층 세라믹, 반도체 세라믹, 온도 보상용 세라믹 등이며, 필름 유전체는 종이, 금속화지, 폴리에틸렌 필름 또는 폴리프로필렌 필름 등이며, 전해 유전체는 고체, 공기, 가변세라믹, 가변유리, 가변폴리머 등이다.

 주로 사용하는 대표적인 콘덴서로는 세라믹 콘덴서, 운모 콘덴서, 종이 콘덴서, 전해 콘덴서 등의 비교적 외관 크기가 큰 콘덴서와 크기가 극히 작은 집적회로(IC)에 사용하는 MOS(Metal Oxide Semiconductor)커패시터와 하이브리드용으로 단자 사이의 면적을 넓게 100층 이상의 절연층 구조로 하여 세라믹을 추가해 크기가 작고 용량이 큰 칩 콘덴서 등이 있다.

-세라믹 콘덴서

극판 사이의 절연물질이 세라믹으로 채워져 있고, 용량이 큰 μF단위로 된 것은 온도, 용량특성이 나빠서 저주파 용으로 적당하고, pF단위로 된 것은 고주파 회로용으로 사용된다. 트랜지스터용으로 만들어진 것은 내압이 보통 50V이다.

-운모 콘덴서

운모 콘덴서는 비교적 온도용량특성이 양호해서 저주파 회로에서부터 고주파 회로까지 사용할 수 있다. 스티롤 콘덴서는 온도용량특성이 매우 우수하고, 코일의 온도 특성과 반대도 되므로 고주파 공진회로의 안정도를 유지하는데 유용하다.

-전해 콘덴서

 절연물질이 양극과 음극의 성질을 띈 물질을 절연체로 사용한 전해 콘덴서는 +, -의 극성이 있으므로 극성에 유의해야 한다. 트랜지스터 회로의 임피던스가 낮기 때문에 이 회로에 사용되고 있고, 내압은 3V~50V, 용량은 수 μF~수천 μF이다. 사용할 때 +,-극성을 반대로 하면 용량이 부족해지고 누설전류가 증가해 정상동작이 안되거나 심하면 파손된다.(아래 그림에서 짧은 쪽이 -극, 긴 쪽이 +극이다)

-바리콘(VC: Variable Condencer)

고정판과 회전판의 2가지 극성이고, 회전시켜서 사용한다. 종류로는 에어 바리콘, 2련, 3련 바리콘, 트래킹레스 부자 바리콘, FM겸용 바리콘 등이 있다. 바리콘의 회전각과 용량변화로부터 정전용량이 결정되고 용량직선형은 소형기기에, 파장직선형은 라디오에, 주파수직선형은 신호발진기 등에 사용된다.

-MOS 콘덴서

집적회로 내부의 커패시터(콘덴서)로서 절연물질을 실리콘 산화막으로 하여, 한쪽은 실리콘을 전극으로, 다른 한쪽은 금속(또는 다결정 실리콘, 실리사이드)물질로 하여 제작한 형태로 구조가 금속-산화막 반도체이다. 산화막의 두께를 수십 옹스트롱(10-10m Å)까지 할 수 있어서 집적회로에 주로 사용한다.

-칩 콘덴서

 집적회로(IC) 반도체 내부에서 사용하기에 비교적 큰 값의 정전용량을 가진 커패시터를 IC 외부에서 사용하는 경우 주로 이용되는 콘덴서가 최근 제작 기술의 칩 커패시터이다. 이는 크기가 작으면서 큰 정전용량을 갖는 콘덴서로 넓은 전극을 좁은 여러층(현재는 120층 이상)으로 나누어 전극 사이에 고유전율의 세라믹을 넣은 형태로 제작한다. 이 침 커패시터는 주로 크기가 작은 전자제품의 PCB(인쇄회로기판)에 붙여서 반도체 IC와 작은 저항, 코일 등을 하이브리드 형태로 연결하여 사용한다.

(2) 콘덴서의 시험

 테스터의 저항계를 이용하여 콘덴서의 양단자에 테스터 라이드를 접촉시켜 그 순간에 일어나는 바늘의 지시로 콘덴서의 불량 여부를 간단하게 판단한다.

 위의 그림에서 

(가) 특성: 최초의 지시는 콘덴서의 충전 전류에 의한 저항계의 지시변화가 크고, 최종값은 \(\infty\)에 가까운, 즉 절연저항이 크므로 양호하다.

(나), (다) 특성: 최종값이 낮아 콘덴서의 절연상태가 극히 나쁘거나 절연파괴를 나타낸다.

(라) 특성: 충전 전류가 거의 흐르지 않아 용량감퇴를 의미하며 불량품이다.

시험시 주의사항으로 저항계의 최고 레인지를 사용하고, 콘덴서는 완전한 방전상태이어야 하며, 콘덴서 용량이 작을 경우, 이 실험방법으로 판단이 어렵다. 전해 콘덴서의 경우 테스터의 저항계는 (+)단자가 내장된 전지의 (-)극에, (-)단자가 전지의 (+)극에 접속되어 있으므로 극에 유의하여 접속하여야 하며, 최종값이 \(50\text{k}\Omega\)이하이면 불량품이다. 반드시 실험 전에 \(1\sim5\text{k}\Omega\) 가량의 저항을 통해 방전시켜야 한다.

3. 실험

1) 사용기기 및 부품

디지털 멀티미터, 테스터(VOM), 콘덴서 측정기(LCR 미터)

저항: 서로 다른 저항값과 허용오차를 갖는 10개의 저항, \(10\text{k}\Omega\)의 가변저항, 30cm길이의 연결도선

콘덴서: 콘덴서 종류별로 용량 및 정격전압이 서로 다른 10개의 콘덴서

2) 실험과정

(1) 서로 다른 저항값과 허용오차를 갖는 10개의 저항에 대해 각각의 색코드에 따른 저항값과 허용오차를 확인하고 색띠, 저항값, 허용오차를 기록한다.

(2) 저항값을 측정하기 위해 (1)과 디지털 멀티미터, VOM의 사용설명서에 적힌 내용을 참고하여 저항계의 영점을 조정한다. 색으로 표시된 값을 이용하여 저항계의 적당한 저항범위를 선택한 후, 저항값을 측정해 기록한다.

(3) 먼저 짧은 연결 도선의 저항을 측정하여 기록하고, 실험과정 (1)에서 사용된 저항 중 하나를 선택하여 아래 그림과 같이 도선으로 연결해 저항을 단락회로로 만든 후, 이때의 저항값을 측정한다.

(4) 저항계의 양 단자 사이에 도선을 연결하고, 저항값을 읽는다. 도선을 반으로 자르면 개방회로가 되므로 도선을 자른 다음의 저항계의 변화를 관찰하고 기록한다.

(5)

(a) 분압기의 세 단자를 아래 그림과 같이 ①, ②, ③이라고 한다. 

분압기의 가변단자를 반시계방향으로 완전히 돌린다. 저항계를 단자 ①과 ③사이에 연결하고 저항값 \(R_{①③}\)을 측정한다.

(b) 단자 ①과 ②사이의 저항값 \(R_{①②}\)를 측정하여 기록한다.

(c) 단자 ③과 ②사이의 저항값 \(R_{③②}\)를 측정하여 기록한다.

(6)

(a) 단자 ③과 ②사이에 저항계를 연결하고, 분압기의 가변 단자를 시계방향으로 완전히 회전시켜 가변단자가 회전함에 따라 변하는 저항계의 저항값을 관찰한다. 단자 ③과 ②사이의 저항을 측정해 기록한다.

(b) 단자 ①과 ②에 저항계를 연결하고, 저항을 측정해 기록한다.

(c) 단자 ①과 ③에 저항계를 연결하고, 저항을 측정해 기록한다.

(7) 실험과정 (5), (6)에서 얻은 \(R_{①②}+R_{③②}\)를 계산해 기록한다.

참고자료:

최신 기초전자전기실험, 김동일 외4인 공저, 두양사

http://phome.postech.ac.kr/user/edulab/mycodyimages/resistor.pdf

contents.kocw.or.kr/contents4/document/lec/2013/HanlimSeongsim/Gu%20Gi%20Jun/6.pdf

https://www.slideshare.net/changhwanyoon71/5-lm386-01

http://cyber.shinhan.ac.kr/mod/resource/view.php?id=2938

http://contents.kocw.net/KOCW/document/2014/deagucatholic/kimjonghae/8.pdf

http://college.kangwon.ac.kr/include/board/download.jsp?section=mde_prof002&fileName=7057520161123110438.pdf&part=2&seq=194328

http://people.seas.harvard.edu/~jones/es154/lectures/lecture_4/pdfs/6.152J.FT01.MOSCap01.pdf

http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=4871