커패시턴스

Capacitance (정전용량)

회로가 전하를 축적(저장)할 수 있는 물리적 능력을 말하며, 기호는 C, 단위는 패럿(Farad, F)을 사용한다. 음향 장비에서는 주로 마이크로패럿($\mu F$)>이나 피코패럿($pF$) 단위의 부품(콘덴서/커패시터)이 사용된다. 직류(DC)는 완전히 차단하고 교류(AC, 즉 오디오 신호)만 통과시키는 성질이 있으며, 주파수가 높아질수록(고음일수록) 신호를 더 잘 통과시키는 독특한 '교류 저항' 특성을 가진다.

두 개의 전도성 판(극판)과 그 사이를 채우는 절연체(유전체)의 구조에 의해 결정된다.

$$\text{커패시턴스}(C) = \epsilon \frac{A}{d} \quad (\epsilon: \text{유전율}, A: \text{극판의 면적}, d: \text{극판 사이의 거리})$$

• 면적(A)에 비례: 전하를 모을 수 있는 극판의 넓이가 넓어질수록 커패시턴스 값은 커진다.
• 거리(d)에 반비례: 두 극판 사이의 거리가 가까워질수록 인력이 강해져 전하를 더 많이 붙잡을 수 있으므로 커패시턴스 값은 커진다.

• 콘덴서 마이크의 캡슐은 아주 얇은 진동판(Diaphragm)과 고정판으로 이루어진 하나의 가변 커패시터이다.
• 외부에서 팬텀 파워(+48V)를 공급해 극판에 전하를 충전해 둔 상태에서, 소리(음압)에 의해 진동판이 움직이면 극판 사이의 거리($d$)가 변하게 된다. 이 거리 변화가 커패시턴스($C$)의 변화를 만들고, 이것이 최종적으로 우리가 녹음하는 '전기 오디오 신호'로 변환된다.

• 오디오 장비 내부의 증폭 회로를 거치다 보면 원치 않는 직류(DC Off-set) 성분이 오디오 신호에 섞일 수 있다. 이 직류가 그대로 다음 단이나 스피커로 흘러가면 심각한 왜곡이나 부품 파손을 일으킨다.
• 이때 회로 사이에 커패시터를 직렬로 배치하면, 직류는 완전히 차단되고 순수한 오디오 신호(AC)만 다음 회로로 안전하게 넘어간다. 이를 '커플링 콘덴서'라고 부른다.

• 커패시터는 주파수가 높을수록 교류 저항(용량성 리액턴스, $X_C$)이 낮아지는 성질이 있다.
• 이 성질을 이용해 신호 라인에 커패시터를 직렬로 걸면 저음은 깎이고 고음만 통과하는 하이패스 필터(HPF / Low-Cut) 회로가 되며, 반대로 신호 라인에서 접지(Ground) 쪽으로 커패시터를 바이패스 시키면 고음만 접지로 빠져나가 사라지는 로우패스 필터(LPF / High-Cut)가 된다. 이 원리가 이퀄라이저(EQ)와 스피커 크로스오버 네트워크의 핵심이다.

• 모든 오디오 케이블은 내부의 두 심선(Hot, Cold)과 이를 감싸는 실드선이 나란히 달리는 구조를 취하고 있어, 구조적으로 거대한 '커패시터' 역할을 하게 된다. 이를 케이블 커패시턴스라고 한다.
• 케이블의 길이가 길어질수록 극판의 면적($A$)이 넓어지는 효과가 생겨 커패시턴스가 커진다. 이 커패시턴스가 출력 임피던스와 결합하면 의도치 않은 로우패스 필터로 작용하여 오디오 신호의 초고역대(Air 대역)가 감쇄되고 소리가 먹먹해지는 현상이 발생한다. 따라서 고임피던스 장비(예: 일렉기타 언밸런스 라인)일수록 케이블 길이를 최소화해야 한다.

• 프리앰프의 팬텀 파워 버튼을 누르면 마이크 케이블을 통해 전하가 차오르기 시작한다. 콘덴서 마이크 내부의 커패시터들이 완전히 충전되어 회로가 전기적으로 안정화(DC 밸런싱)될 때까지는 일정 시간이 소요된다.
• 충전이 끝나지 않은 상태에서 마이크를 연결하거나 빼면 커패시터에 모여있던 전하가 한 번에 방전되면서 “퍽(Pop)“ 하는 강력한 충격파 노이즈가 발생해 스피커나 귀를 상하게 할 수 있으므로 반드시 뮤트(Mute) 후 조작해야 한다.