이 글은 전기기사 시험을 준비하며 제가 아는것들을 정리하고, 또 이를 통해 전기에 대해 잘 모르는 사람들이 도음을 얻을 수 있도록 하자는 취지에서 작성하는 글입니다.

 

따라서 태클은 언제나 환영하며, 이에 의해 얼마든지 글의 내용이 수정될 수 있음을 미리 알립니다.

 

---

전력전자의 기본에 관하여 1 : 옴의 법칙과 전압 강하

전력전자의 기본에 관하여 2 : 전압 분배 회로와 전력의 전달 방법

전력전자의 기본에 관하여 3 : 레귤레이터와 컨버터 1 ◀

---

 

 

돌고 돌아 드디어 레귤레이터에 대해 이야기할 시간이 왔습니다.

 

전편에서 바로 스위칭 레귤레이터에 대해 설명할 것 처럼 말하고 글을 끝냈지만 사실 원리적으로나 지금까지의 내용으로 보나 선형 레귤레이터를 먼저 다루고 넘어가야만 합니다.

 

 

레귤레이터란 무엇일까요?

 

선형 레귤레이터(Linear Regulator)

 

 

시간 널널하신 분들은 이 영상을 시청하고 오시는 편이 빠를겁니다. 자막도 있어요.
 

선형(리니어, Linear) 레귤레이터라는건 기본적으로 전압 분배 회로와 비슷합니다.

 

원리적으로는 그렇다는 소리지 실제로는 좀 더 복잡하죠.

 

소자 내에는 비교기와 트랜지스터 등을 이용해서  전류를 부스팅해주는 방식으로 전류에 의한 전압강하를 보상해주는 구조로 되어 있습니다.

 

 

실제 구조는 이전 편에서 언급된 제너 다이오드를 이용한 전압 분배 회로에서 시작합니다.

 

 

이건 원래 전압이 너무 높은 편이지만 어쨌든 예시니까 일단 보도록 합시다.

 

이런식으로 구성한 뒤 중간 부분에 접점을 내서 전류를 적게 먹는 IC와 같은 소자에 공급해줄 수 있습니다.

 

하지만 이 방식은 저항에 의해 날려먹는 에너지가 너무 많은데다, 저항때문에 전류가 제한되어 IC같이 전류를 적게퍼먹는 기기에나 사용할 수 있지, 휴대폰 충전이나 모터같이 전류를 되게 많이 퍼먹는 기기에는 사용할 수가 없습니다.

 

그래서 나온게 바로 아래의 응용 형태입니다.

 

 

 

<이미지 출처 : http://electronicsbeliever.com/how-linear-regulator-provides-output-regulation/>

 

물론 이 이미는 최종 형태고, 실은 발전 과정이 따로 있습니다만, 이 중간부분의 발전과정을 제가 이해를 못한 관계로(...) 최종 형태만 다루도록 합시다.

 

 

일명 78 시리즈라고 불리우는(제품명이 78xx이며 앞이나 뒤에 알파벳으로 세부적인 정보가 기재되어 있는 식. 7805는 +5V, 7809는 +9V인 식으로 모델명이 구성됩니다.) 선형 레귤레이터는 이와같이 허용된 범위 안에서의 전압을 인가해주면 내부의 비교기(삼각형에 + -가 적혀있는 부품)가 끊임없이 피드백을 받아 트랜지스터의 통로를 여는 동작을 합니다.

 

정확히는 제너 다이오드가 출력 전압의 절반+0.7V정도 되는 값을 갖고 비교기의 +극에 인가되며, R1과 R2는 거의 같은 값을 가지거나 출력 전압의 절반 +0.7V정도가 되도록 조절되어 있습니다. 이 전압이 -극에 인가되면 비교기는 서로의 전압을 비교하게 되며, +극이 더 높을경우 출력과 같은 전압이 트랜지스터의 베이스에 가해지고 -극 측이 더 높을 경우 베이스에 가해지는 전압이 0이 되면서 조절이 되는 방식이죠.

이때, 트랜지스터의 V_CE부분이 전압 분배 회로에서처럼 원래 전압의 일부를 전압강하로 소모시켜버리는 역할을 하기 때문에 선형 전압 레귤레이터의 효율은 매우 좋지 않습니다. 

 

일반적으로 선형 레귤레이터의 손실은 아래와 같이 계산합니다.

 

 

이는 전압 분배 회로에서처럼 전압의 일정 부분을 전압강하로 손실시키고 남는 전압을 부하에 전달하는 방식이기 때문에 나올 수 있는 수식입니다.

수식에서 보이듯 입력과 출력 전압의 차가 작을수록 손실이 적어지는 구조죠.

 

 

 

이러한 효율 나쁜 방식으로부터 탈출하기 위해 여러가지 방법들이 연구되었고, 그중 하나가 바로 스위칭 레귤레이터입니다.

 

 

펄스 폭 변조(PWM)

 

 

하지만 스위칭 레귤레이터 방식에 대헤 논하기 전에 우리는 PWM이라고 하는 것에 대해 알아야합니다.

 

PWM은 Pulse Width Modulation의 약자로, 펄스 폭 변조라는 의미입니다.

본래는 통신쪽에서 쓰이던 기술이었으나, 이게 반도체를 활용한 고속 스위칭으로 전압의 조절에 매우 용이하다는 점이 재조명되면서 본격적으로 개발되기 시작했습니다.

 

우리 기글분들이 좋아 마지않는 컴퓨터, 컴퓨터의 메인보드에도 MOSFET과 스위칭 레귤레이터가 전원을 공급하고 파워 서플라이 자체도 PWM을 응용한 직류 변환으로 동작합니다.

 

 

그렇다면 PWM의 원리는 무엇일까요?

 

 

PWM은 디지털 신호의 ON/OFF를 사용해 신호의 크기를 조절하는 방법입니다.

 

1을 5V, 0을 0V라고 가정했을 때, 켠 부분의 비율과 끈 부분의 비율을 조정하면 실제로 기기에 가해지는 신호의 크기는 켠 부분과 끈 부분의 평균적인 값이 되게 됩니다. (물론 그렇다고 실제로 기기측에 측정되는 신호가 평균값으로 측정되는건 아니고, 켜졌다 꺼졌다가 반복하는 형태로 측정됩니다. 오실로스코프로 측정하면요.) 이를 듀티비라고 하며, 아래와 같이 씁니다.

 

 

이와같이, 실제로 인가할 수 있는 전압의 크기는 기기가 요구하는 정격에 비해 한참 큰데 반해 인가하는 시간의 비율을 조절함으로서 평균적으로 인가되는 전압의 효과를 낮추어 기기가 고장나지 않고 정상 동작할 수 있도록 해주는 것이 PWM 제어 방식의 핵심입니다.

 

 

PWM 방식은 크게 모터와 같은 인덕터 부하나 LED 등에 이미 사용되고 있는 방식입니다. 특히 모터의 경우 "플라이백 다이오드"라는 이름(프리휠링 다이오드, 역 바이어스 다이오드, 안티 패러렐 다이오드, 캐치 다이오드 등 이름은 많습니다.)으로 불리는, 역방향 다이오드 설치를 수행해주기만 하면 아주 저렴하게 추가적인 회로설계 없이 직류 모터의 회전수를 조절할 수 있습니다.

이는 인덕터의 특성 중 하나인 전류 관성에 의해 PWM제어를 해도 전류가 끊기지 않기 때문에 외부에서 인가되는 전압은 빠르게 ON/OFF를 반복하는 것 처럼 관측되더라도 내부에서는 전류의 변화가 그렇게 급격히 일어나지는 않기 때문에 가능한 특성입니다. (물론 이 전류 관성을 유지하기 위해 전압이 순간적으로 끊기거나 인가되는 경사 지점에서 급격한 역기전력이 발생합니다. 그것을 해소해주기 위해 플라이백 다이오드가 필요합니다.)

 

혹은 LED와 같은 조명기구 제품을 사용할 때, 전압에 따른 밝기 조절을 위해 사용되기도 합니다. 무엇보다 아두이노 예제중 LED가 천천히 깜빡거리는 예제 또한 바로 이 PWM 제어를 이용한 방식이구요.

대신 LED측의 경우, 인간의 눈으로는 감지가 불가능할 뿐, 인덕터와 다르게 그냥 반도체 부하라서 전압이 끊어질때 전류도 같이 빠르게 끊기는지라 보이지 않는 깜빡임이 계속 발생하고 있습니다. 이걸 플리커링이라고 하며, 휴대폰 카메라 등으로 촬영하면 플리커링을 관찰 가능합니다. 고급 회로는 플리커링이 발생하지 않게 아예 벅컨버터 회로를 붙여주기도 하는데 저렴한건 그런거 없이 눈속임만 시켜버리고 맙니다(...)

 

아무튼, 이런 PWM 방식의 단점을 극복하기 위해 인덕터와 커패시터를 적절히 추가해줌으로서 출력 전압을 아예 깔끔한 직류 전압으로 바꾸어 내놓는 것이 바로 DC-DC 컨버터입니다.

 

그러나 저러한 단점이 있음에도 불구하고 당연히 PWM 방식을 사용하는 데에는 장점도 있겠죠? 바로 그 장점이 전력 손실이 선형 레귤레이터에 비해 현저히 적다는 점입니다. 저항을 사용해 전압강하로 필요없는 부분을 날리는 방식이 아니라서 손실이 크게 줄어들고, 회로 구성에 따라서는 전압을 줄이는 것 뿐만 아니라 올리는것 또한 가능합니다. 

 

 

 

 

스위칭 레귤레이터

 

 

스위칭 레귤레이터는 기존의 레귤레이터라고 하는 소자와 역할이 비슷한 데서 파생된 명칭으로, 이런 류의 제품은 오히려 스텝 업 컨버터(Step-Up converter) 혹은 부스트 컨버터(Boost Converter)라는 이름으로 승압, 스텝 다운 컨버터(Step-Down Converter) 혹은 벅 컨버터(Buck Converter)라는 이름으로 강압 컨버터를 찾을 수 있습니다. 

 

스위칭 레귤레이터부터는 제가 이 글을 쓰기 시작한 본격적인 전력전자 이론이 나오기 시작합니다. 갑자기 어려워지니 꽉 잡으세요!

 

<이미지 출처 : 김병준의 다락방(https://cafe.daum.net/mogunbang/RmLL/9)>

 

가장 기본적인 스위칭 방식의 직류 강압 변환기의 구조입니다.

 

그 원리는 PWM과 같이 전압을 스위칭을 통해 평균값을 낮춤으로서 부하에 인가되는 전압의 효과를 줄이는 데 있습니다.

 

다만 추가적인 소자가 있는데, 스위치 뒤로 다이오드와 인덕터(코일)가 추가된 것이 보입니다.

 

PWM방식과 같이 ON/OFF의 비율이 정해져있는 펄스 신호를 사용해 전자적 스위치인 트랜지스터를 ON/OFF하는것으로 전압을 쪼개어 부하로 전달합니다.

 

<이미지 출처 : 상동 / 상 : 스위치 ON시의 전류 흐름, 하 : 스위치 OFF시의 전류 흐름>

 

 

이 회로에서, 사각형은 부하를 의미합니다. 이러한 회로 해석에서 부하는 저항 부하로 모델링됩니다.

그리고 부하와 병렬로 연결된 커패시터, 부하와 직렬로 연결된 인덕터는 공통으로 저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF) 역할을 합니다.

 

저역 통과 필터란 고주파 성분을 필터링한다는 의미입니다. 일반적으로 PWM 파형과 같은 사각파는 직류가 ON/OFF되는 단순한 전압 파형이 아니라 피크치 전압의 절반 분량을 DC 바이어스한 교류 전압으로 해석합니다.

 

그리고 사각파는 푸리에 급수에 의해 삼각함수인 사인파와 코사인파의 합성으로 나타낼 수 있습니다.

 

 

인덕터와 커패시터

 

 

저는 당초에 컨버터와 전력전달에 관한 내용만 쓰려고 했기때문에 이 내용을 다룰까 말까 고민을 많이 했습니다.

 

하지만 이 내용을 이야기하지 않으면 나중에 변압기 내용도 설명할 수 없게 되기 때문에 여기서 간단하게 일단 설명을 한 뒤, 변압기를 다루기 전에 글 하나를 통째로 할애해서 설명해보려고 합니다.

 

인덕터는 흔히 코일이라고 불리는 소자입니다. 전류 관성을 지니는 소자이며, 정상 상태에 도달할 경우 저항이 없는 도선 역할을 하게 되는 특성이 있습니다. 순 한자어로는 유도자라고도 합니다.

 

커패시터는 콘덴서라고 불리는 소자입니다. 전압 관성을 지니는 소자이며, 정상 상태에 도달할 경우, 저항이 무한대인, 단선된 도선과 같은 역할을 합니다. 순 한자어로는 축전기라고 합니다.

 

 

직류 환경 하에서는 이러한 특성을 가지며, 둘 다 공통적으로 전기에너지를 축적한다는 특성이 있습니다.

 

하지만 시간에 따라 전원의 극성이 오가는 교류전기가 인가되는 환경 하에서는 이 에너지를 축적한다는 특성이 오히려 저항과 비슷한 작용을 일으키게 됩니다.

 

인덕터의 자기 에너지를 축적하는 성질에 의해 발생하는 저항은 유도성 리액턴스라고 불리며, 전류의 위상을 지연시키는 효과가 있습니다.

커패시터의 전기 에너지를 축적하는 성질에 의해 발생하는 저항은 용량성 리액턴스라 불리며, 전압의 위상을 지연시키는 효과가 있습니다.

 

그리고 교류전기에서 순수한 저항은 위상을 지연시키지 않습니다.

 

이 위상에 관한 정보와, 인덕터의 전류 관성에 의한 유도성 리액턴스, 커패시터의 전압 관성에 의한 용량성 리액턴스를 순수 저항과 모두 합쳐 임피던스라고 칭하며, 이 임피던스를 복소수로 표현해 한 식에 담은 수식이 바로 아래의 식입니다.

 

 

이 식에서 ω는 각속도로, 주파수 f에 2π를 곱한 값입니다. 중요한건 주파수가 들어가있다는 점입니다.

 

주파수는 전압의 주파수를 의미하는데, 유도성 리액턴스는 주파수가 높을수록 커지고, 용량성 리액턴스는 주파수가 높아질수록 낮아진다는 사실만 이해하시면 됩니다.

 

이는 원리적으로 따지면 당연한데, 하나씩 짚어봅시다.

 

인덕터를 저항과 함께 직렬로 배치하여 스위치를 올리면 순간적으로 인덕터에서는 전원 방향과 반대되는 방향으로 전압이 발생합니다.

 

이를 역기전력이라고 하며, 역기전력은 아래의 수식을 따르게 됩니다.

 

 

(-) 부호가 반대방향을 의미하는 것이므로, 역기전력은 항상 전류의 변화에 대해 저항하는 방향으로 발생한다는 사실을 시사합니다.

L은 인덕턴스로, 저항의 저항성분 R과 같은 인덕터만의 고유 상수값입니다.

 

스위치가 꺼진 회로의 스위치를 올리는 것과 같은 상황으로 인덕터에 급작스럽게 전압의 변화가 가해지면 전류도 덩달아 같이 급격하게 증가하려고 할 것입니다.

 

하지만 회로상에 인덕터가 있다면 이러한 전류의 급격한 변화에 인덕터가 반발하여 역기전력을 발생시켜 전류의 발생을 저지합니다.

 

그리고 그 크기는 인덕턴스 값, 혹은 시간당 전류의 변화에 비례합니다.

 

그런데 스위치를 닫는 동작은 di/dt의 분모인 dt를 매우 작게 줄여 역기전력을 크게 뻥튀기시키는 효과가 됩니다.

 

따라서, 같은 교류전기가 인가되는 상황에서도 주파수가 크다면 시간당 변화하는 전류의 값이 더 크기때문에 역기전력을 더 크게 유도시키는 효과가 나게 됩니다.

 

때문에 유도성 리액턴스는 전압이 같더라도 주파수에 따라 더 높은 저항을 갖는 효과를 얻게 됩니다.

 

 

반대로 커패시터의 경우 전류가 아닌 전압 관성을 띕니다. 이는 아래의 수식을 따릅니다.

 

 

전압이 급격하게 변하지 않도록 작용하는 커패시터는 주파수가 작을수록 충분히 충전되어 반대방향 전압이 가해졌을 때 더 많은 에너지를 갖고있어 더 큰 용량성 리액턴스에 의한 저항성을 보이게 됩니다.

반대로 주파수가 클수록 충전될 시간이 모자라서 저항성이 낮게 되는거죠.

 

이 특성들이 왜 나오는가? 하고 물으실 수 있겠습니다.

 

앞서 말했듯, 직류 회로상에서 사각파는 일반적으로 직류 바이어스(DC bias)된 교류 사각파로 보기 때문입니다.

 

예를들어, 12V 전압을 ON/OFF 50:50 비율로 인가해주고 있다면, 해당 전압 파형은 12V ~ 0V의 리플을 갖는 직류 전압이 아니라, 6V 바이어스된 +6V ~ -6V의 교류 사각파로 보는것이지요.

 

게다가 사각파라는건 푸리에 급수로 분해시 사인파, 코사인파로 분해할 수 있습니다. 그리고 이 사인파와 코사인파는 바로 방금까지 이야기하던 교류전압에 해당하는 이야기구요.

 

즉 사각파는 6V DC + 사인파 + 코사인파의 종합선물세트로 분리할 수 있다는 말이지요.

 

그리고 이렇게 덧셈으로 결합된 전압 중 한개의 항을 골라 회로에 적용시킨 뒤 결과값을 나중에 다시 더해주어도 같은 결과로 수렴합니다.

 

이를 중첩의 원리라고 하죠.

 

이 중첩의 원리를 십분 활용해, 펄스파를 직류+사인파+코사인파+사인파2+코사인파2+­… 로 해석해서 더하는 식으로 인덕터와 커패시터의 동작 원리를 해명할 수 있습니다.

 

 

길게 돌아왔습니다.

 

즉, 인덕터는 주파수가 높은 전압이 인가될 시 높은 저항을, 커패시터는 낮은 저항을 갖는 소자로서 작용한다는 사실을 알았습니다.

 

그리고 이 성질을 1편에서의 전압강하와 연관지으면 이런 결론이 나옵니다.

• 주파수가 높은 전압은 인덕터를 통과할 때 높은 리액턴스에 의해 전압 강하를 일으켜 사라진다
• 주파수가 낮은 전압은 인덕터를 통과할 때 낮은 리액턴스에 의해 전압 강하를 거의 일으키지 않고 통과한다
• 주파수가 높은 전류는 부하와 병렬로 연결된 커패시터의 낮은 리액턴스에 의해 대부분 유실된다
• 주파수가 낮은 전류는 부하와 병렬로 연결된 커패시터의 높은 리액턴스에 의해 대부분 부하 측으로 흐른다.

인덕터는 고주파 성분에 대해 마치 값이 높은 저항처럼 작용하여 고주파성분을 저지하며, 결과 대부분이 전압강하에 의한 감쇠로 사라지게 만들고 주파수가 낮은 부분만을 통과시키게 됩니다.

 

커패시터는 반대로 병렬 연결된 부하 옆에서 높은 주파수에 대해서는 낮은 저항으로, 낮은 주파수에 대해서는 높은 저항처럼 작용해 고주파는 자신을 통해 대부분 흘려버리고, 저주파는 부하쪽으로 흘리는 역할을 하게 되죠.

 

이 결과, 사각파의 고주파성분은 대부분 열로 소모되어버리고, 저주파성분만이 남아 깔끔한 직류의 형태로 부하에 인가되는 결과를 낳습니다.

이 결과, 사각파의 고주파 성분은 무효 전력으로서 인덕터와 커패시터의 에너지 축적 효과에 의해 방해를 받아 감쇠되어 마치 저항 부하에서 전압이 전압강하를 일으켜 열로 소모되는 것과 비슷한 효과를 낳습니다. 특히, 실제 회로에서는 도선에도 저항이 조금씩 존재하기 때문에 전원 소스와 인덕터/커패시터 사이를 계속 오가면서 손실이 발생하기도 합니다.

 

 

글이 너무 길어졌습니다. 다음 글에서 이러한 스위칭 컨버터가 동작할 때 전력이 어떻게 이동되는지를 본격적으로 수식을 통해 살펴보도록 합시다. 그리고 이것이 이 시리즈를 작성할 때 서두에 언급되었던 컨버터 전류제한과 어떠한 연관이 있는지를 알아보겠습니다.

 

---

이전편 ◀

다음편 ▶

---