출처: Designing High-Fidelity Tube Preampls (Merlin Blencowe)
커패시터(Capacitor)는 오디오에서 가장 욕을 많이 먹는 소자이지만 사실 인덕터, 트랜스포머, 진공관, Opamp보다 훨씬 완벽한 소자임. (저항이 1등)
아마도 커패시터는 아래 그림처럼 신호의 경로에 단절된 곳이 있으니 나쁘다 이런 비전공자들의 편견이 크게 작용하기 때문일텐데 그건 전기가 어떻게 동작하는지 전혀 이해가 없기 때문임. 필요한 곳에 적절한 종류의 커패시터를 사용하면 다른 소자들보다 훨씬 덜 노이즈를 만듬. ‘오디오 등급’의 커패시터를 쓸 필요도 없음.
- 정전용량 (Capacitance)
대강 10pF ~ 10000uF을 사용하게 됨. 용량이 커지면 E6 시리즈로만 나오게되고 작아지면 E12 시리즈로 나오게됨
2. 허용오차 (Tolerance)
부품 중에 허용 오차가 크기로 악명 높음. 플라스틱 커패시터는 10%, 전해 커패시터는 20%가 예사임. 빈티지는 더 클 가능성이 많음.
1% 오차 제품은 10nF 이하에서나 가능함. (5~10배 비쌈) 그냥 많이 구입해서 골라서 쓰는게 나음.
3. 전압 정격 (Voltage Rating)
DC 정격이 쓰여 있는 경우가 많으나 DC 경우와 반복적인 peak 경우나 똑 같은 정격이라고 보면 됨
플라스틱, 세라믹 커패시터는 1KV 혹은 그 이상 제품을 만들기 쉬우나 쓸모는 없음.
전해는 450V까지는 쉽게 만들어지는데 그 이상 견디는 제품을 만들기는 무지 어려움. 앰프를 만들 때 450V 이하에서 동작하도록 설계하면 좋으나…
4. Leakage
어떤 유전체(Dielectric)도 완벽한 부도체는 아님. 그냥 큰 저항일 뿐…
그러므로 커패시터를 이상적인 커패시터와 병렬 저항 성분으로 묘사할 수 있으며, 이것을 leakage resistance로 부름.
세라믹 커패시터에서는 leakage를 무시해도 되는데, 전해는 그렇지 못함. (몇 uA ~ 몇백 uA)
전압을 최초로 가했을 때 가장 크고 시간이 지남에 따라 (몇 분) 안정화됨
5. ESR (Effective Series Resistance)
Leakage는 병렬 저항으로 본다면 직렬 저항 성분도 생각해볼 수 있음. 실제로 커패시터는 전력을 약간 열로 소모하게 됨. 이것을 ESR로 부름. (최대 몇 ohm)
큰 전원공급 장치에서 실제로 문제를 만드는 내용임. 하지만 진공관 앰프에서는 몰라도 되는 스펙임. 리플 전류 정격이 더 상관있는 스펙임
6. 리플 전류 (Ripple Current)
전해캡은 열을 많이 받으면 안됨. 유전체가 증발할 수 있음. 이 때문에 리플 전류 정격을 표시하도록 되어 있음.
최대 RMS 전류 허용값으로 표시되며, 이보다 큰 리플 전류가 들어오면 부품의 수명이 단축되거나 최악의 경우 터짐.
그런데 현실적으로는 100Hz, 혹은 120Hz에서 표시되는 스펙이며, 이 때문에 전원공급 장치에서나 관심있게 볼 항목임.
7. 유전 흡수 (Dielectric Absorption)
커패시터에 충전이 된 후 단자가 연결되면 즉시 방전이 되고 전위차가 0이 되는 것이 이상적으로 본 커패시터의 동작인데 실제로는 전압이 살짝 회복되는 것을 볼 수 있음. 이것을 dielectrc absorption이라고 부름.
소위 ‘Capacitor sound’라는 것의 그 원인으로 지목되곤 함. 유전 흡수율이 높은 커패시터가 큰 왜곡을 만드는 경향이 있기 때문에 그럴 듯 해보이지만, 실버 마이카의 경우 예외적으로 높은 유전 흡수를 가지고 있으나 왜곡을 만들지 않은 것에서 볼 수 있듯, 유전 흡수가 왜곡의 원인은 아님
8. 기생 성분 (Parasitics)
커패시터에는 직렬/병렬 저항성분 외에 인덕턴스도 있음. 수십 nH까지 생길 수 있고 리드선이 몇 nH를 더해줌. 이로서 직렬 공진 회로가 자연 발생함
플라스틱/세라믹 커패시터는 수 MHz의 공진 주파수를 가지게 되는데, 오디오적인 관점에서 매우 좋다고 할 수 있음.
그런데 전해캡은 그렇지 않을 수 있음. 공진 주파수가 10KHz까지도 떨어질 수 있음. 물론 공진 주파수 대역에서 커패시터가 갑자기 쓰레기가 되는 것은 아님.
9. 커패시터의 종류
- 공기 (Air) / 진공 (Vacuum)
- 가장 완벽한 유전체는 공기 혹은 진공인데 문제는 몇 pF 정도를 얻으려고 해도 플레이트가 엄청 커야 함
- 그래서 라디오 주파수 대역에서 50pF 이하의 정전 용량을 가지고 Variable capacitor (Trimmer) 를 만들어 쓰는 것이 거의 유일한 사용처임
- 진공관 라디오를 보면 몇 백 pF을 얻기 위해서 거대한 바리콘이 사용된 것을 볼 수 있음
- 실버 마이카 (Silvered Mica)
- 마이카는 운모라는 광물. 운모 위에 은을 증착시켜 만듬
- 몇 nF 정도로 작은 용량에서 사용되는데 그나마 비쌈
- 낮은 ESR, 고온에서도 안정적, 왜곡 없음
- 엄청 높은 dielectric absorption 특성 때문에 오디오에서 점차 안 쓰게 됨. 폴리스티렌이나 세라믹이 더 싼 값으로 같은 일을 할 수 있음
- 세라믹 (Ceramic)
- Multilayer capacitor
- 몇 pF 부터 수십 nF
- 대개 오렌지 혹은 파란색으로 감싸여진 원반이나 Bead 모양임
- 엄청나게 많은 종류가 있는데 오디오 관점에서는 아래와 같이 생각하면 편함
- Type I : C0G/NP0 타입
- NP0는 Near zero temp coef이라는 뜻으로 온도 1도 변화에 대해 30ppm 이하의 온도-정전용량 상관 계수를 가짐
- NP0는 옛날 명칭이고 이젠 C0G로 통일됐는데 cogs라고 흔히 부름
- 플라스틱 커패시터만큼 특성이 좋음
- Type II : 나머지 전부 다 (예를 들면 Z5U, X7R) 즉, 오디오에는 쓰지 말라는 말. 왜곡 발생이 큼
- Type I : C0G/NP0 타입
- 플라스틱 / 필름 (Plastic / Film)
- 엄청 많은 종류가 있으며, 용량은 몇 nF ~ 수십 uF, 전압정격은 1kV 이상에 이름. 크게 두 가지 종류임
- Metal film (film and foil)
- Metallised
- Metal film capacitor
- 최고 품질
- 어떤 것들은 한쪽 끝에 band 마크가 있는데 이게 음극이라는 뜻이 아니고 이쪽이 바깥쪽 호일이라는 뜻임 -> 이쪽을 회로에서 더 낮은 임피던스를 가진 쪽에 연결해주면 일종의 쉴드처럼 일할 수 있음. (hum에 대한 민감도를 줄여줌)
- Metallised
- 메탈 필름보다 더 큰 용량을 만들 수 있으나, 당연히 품질은 낮아짐
- Self healing 특성이 있다고 이야기되는 경우가 있는데, 정격 이상의 전압이 걸리면 내부에서 스파크가 생기면서 유전체에 펀치 구멍을 만들어 플레이트가 단락되는 것을 방지해줌
- 당연히 신호 경로에 사용할 수 있는 커패시터임. 유전체가 두꺼워서 평균적인 왜곡 특성을 보임
- 세부 종류
- PTFE (Teflon)
- 폴리스티렌 (Polystyrene) : KS
- 폴리프로필렌 (Polypropylene) : KP
- 산업용으로 저렴하게 만들어진 수십 uF 용량 제품이 있는데 이 경우 Motor Run 형태로 만들어짐. 전해캡으로 만들어지는 Motor Start와 혼동 주의.
- 폴리페닐린 설파이드 (Polyphenylene Sulphide)
- 폴리에스터 (Polyester) : PET / Mylar / KT
- 저역에서 왜곡이 증가하는 특성이 있어서 다른 것들에 비해 덜 좋다고 볼 수 있음. 가장 싸고 가장 흔함
- MKT를 사용할 때는 전압 정격을 필요한 것보다 올려서 쓰면 좋음
- 예를 들어 KP는 메탈 필름 폴리프로필렌 커패시터, MKP는 Metallised KP 커패시터임
- 위의 것들은 다 오디오용임
- 엄청 많은 종류가 있으며, 용량은 몇 nF ~ 수십 uF, 전압정격은 1kV 이상에 이름. 크게 두 가지 종류임
- 알루미늄 전해 커패시터 (Aluminium Electrolytic)
- 오디오쟁이들이 엄청 싫어하지만 몇 uF 이상의 용량이 필요할 때 대안이 없는 경우가 많음
- 산화 알루미늄 층의 두께는 물리적인 한계가 있음. 이 한계에서 나오는 것이 전압 정격 450V의 한계임
- 더 높은 전압 정격을 가진 전해캡도 물론 있는데 사용하는데 있어서 완전히 믿으면 안됨
- 만약 훨씬 높은 전압 정격이 필요하면 직렬 연결 방식을 생각해볼 수 있으나,
- 직렬 연결에서는 서로 leakage가 달라지므로 전압이 1:1로 나뉘지 못함
- 이것을 완화하기 위해서 직렬로 연결된 전해캡에 각각 병렬 저항을 달아주는 테크닉이 있음
- 이 때 저항값은 대개 R = 50 / C를 선택함
- 오랫동안 방치된 경우 유전체가 열화됨 -> 플레이트 사이의 절연이 나빠짐
- 몇 년 이상 방치된 빈티지 앰프에 갑자기 전원을 넣으면 심할 경우 전해캡이 터질 수도 있음
- 이것을 방지하기 위해서는 Variac을 사용해서 낮은 전압으로, 몇 mA로 전류를 제한해서 천천히 올려주면 열화된 유전체가 다시 정상을 되찾게 됨
- 일반적으로 100달 동안 방치되었다면 100분 동안 시행해주는 것이 흔히 하는 방법임
- 몇 년 이상 방치된 빈티지 앰프에 갑자기 전원을 넣으면 심할 경우 전해캡이 터질 수도 있음
- 화학적 구조를 생각해보면 전해캡에는 다이오드 성분이 있음
- 극성을 반대로 연결해주면 다이오드 성분이 순방향으로 동작해 심한 경우 전해캡이 터질 수 있음
- 이 폭발을 완화하기 위해 전해캡에는 고무 마개를 설치하거나 위의 금속판에 십자로 자국을 만들어 놓음. 하지만 심하게 폭발하느냐, 덜 심하게 터지느냐 차이일 뿐임
- 정격 전압의 70%로 사용하면 왜곡이 최소화되고 수명이 최대화 된다는 미신이 있었음
- 70%가 아니고 몇 V에 불과한 낮은 전압에서만 그렇게 됨. 그나마 일관성이 있지도 않음
- 정격 온도 85도 짜리가 가장 저렴한데 온도와 수명의 상관 관계를 볼 필요가 있음
- 일반적으로 전해캡의 수명은 1000시간이며 이것은 85도 정격에서 보장되는 수명인데, 사용 온도를 10도 내리면 수명이 두 배로 늘어남
- 그런데 진공관 앰프의 샤시 내부에서 불균일한 온도 분포를 생각해보면 105도 정격의 비싼 것을 사용하는 것도 고려해 볼만 함
- 전해캡은 ESR이 나쁨
- 25V 이하의 저전압 정격 전해에서는 더 나빠짐 -> 기왕이면 같은 정전용량의 고전압 전해를 사용?
- 위의 ESR에서 적은 것처럼 리플 전류가 더 고려 대상임
- 전해캡에도 기생 인덕턴스 성분이 있어서 직렬 공진 회로가 만들어짐
- 전해캡에서는 공진 주파수가 오디오 대역까지 내려올 수 있음
- 이것을 완화하기 위해 흔히 하는 테크닉이 필름 커패시터를 전해와 병렬로 달아주는 것인데,
- 필름 커패시터의 용량은 클 필요가 없어서 몇 nF 이상만 되면 충분함
- 그러나 필름 커패시터의 리드선이 길어지면 리드선에 의한 인덕턴스가 발생하므로 하드 와이어링 앰프에서는 문제임
- 전해캡의 가장 큰 문제는 왜곡이 크다는 점
- 커플링 캡으로 전해를 쓸 일이 없겠지만 주로 2번째 하모닉 왜곡을 만듬
- 하지만 오디오 대역으로 오면서 바로 크게 감소함 (고민할 필요 없음)
- DC bias 전압에 의해서 크게 영향 받음
- Bias 전압이 0~10V 사이일 때는 왜곡이 줄어듬. 캐소드 바이패스 전해캡에는 좋은 소식임
- 하지만 전압이 올라가면 올라갈 수록 왜곡이 커짐. 이를 완화하기 위해 필름 캡을 병렬로 붙이는 테크닉이 있는데 이게 실질적으로 소용이 없음
- 이 테크닉이 효과를 확실히 보려면 전해캡과 필름캡의 용량이 거의 같아야 함
- 커플링 캡으로 전해를 쓸 일이 없겠지만 주로 2번째 하모닉 왜곡을 만듬
- 극성이 없는 전해캡도 있음
- 실질적으로는 깡통 하나의 안에 두 개의 전해캡을 넣어둔 것임
- 더 비싸긴 한데 왜곡이 일반 전해 대비 1/10 수준으로 떨어짐
- 전해캡 사용 방법
- 극성을 반대로 하지 말 것
- 너무 뜨거워지지 않도록 할 것
- 아주 정확한 정전 용량을 맞춰야 하는 회로에서는 사용하지 말 것 (예. 필터의 time constant)
- 왜곡을 줄이기 위해서는 Cut off 주파수를 오디오 대역 아래로 유지할 것
- 가능하다면 10V 이하의 polarizing 전압을 걸어줄 것
- 탄탈 (Tantalum)
- 전해캡의 일종임
- 산화층을 얇게 만들 수 있어서 부피당 정전용량을 늘릴 수 있음
- 알미늄 전해캡 대비 ESR이 낮고 누설 전류가 작음
- 허용 오차가 작고 시간이 지나도 마르지 않음
- 주로 수백 nF ~ 수 uF 용량으로 만들어짐. 다만 전압 정격이 낮음 (22uF/50V 같은 것은 비쌈)
- 알미늄 전해캡 대비 10배 이상의 왜곡을 만듬. 오디오용이 아님
- 극성을 반대로 하면 잘 폭발함
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