SMPS. Switching Mode Power Supply의 약자입니다.

 

 

구형 변압방식은 변압기 코어가 크고 묵직했습니다. 가정으로 인입되는 220V 전원의 주파수가 60Hz밖에 되지 않았기 때문이지요.

 

교류 전원의 주파수가 작다면 자속 밀도가 줄어들어 그만큼 철심 코어의 단면적이 커져야 원하는 전압을 만들어낼 수 있습니다.

게다가 주파수가 인간의 가청주파수 내에 있기 때문에 변압기에서 찌이이이잉 하는 소음까지 들립니다.

 

반대로 주파수가 크다면 자속밀도가 높아져 철심 코어의 단면적을 그만큼 줄일 수 있습니다.

게다가 가청주파수 밖의 범위로 조정한다면 노이즈도 들리지 않습니다.

 

<전자공학 유튜버 'イチケン / ICHIKEN' 씨의 영상에서 발췌>

 

그럼 주파수를 아주 높게 땡기면 되는거 아닌가? 하겠지만 그건 아닙니다.

 

kHz 단위의 빠른 스위칭을 인간의 손으로는 할 수 없지요. 따라서 반도체를 사용하게 됩니다. 주로 MOSFET과 같은 트랜지스터를 스위치삼아 빠르게 껐다 켰다를 반복하면서 전류량의 변화를 갖는(=변압을 할 수 있는) 조건을 만들어냅니다.

 

하지만 반도체라고 해서 장점만 있는것은 아닙니다. 이상적인 반도체라면 OFF→ON 혹은 ON→OFF로 전환될 때 그 경사의 기울기가 무한대(수직)입니다. 하지만 현실은 그렇지 않죠. 게다가 변압기는 코일, 즉 인덕터이기 때문에 전류의 흐름을 방해하는 특성까지 갖고 있습니다.

 

따라서 반도체의 ON/OFF 사이에는 ns단위이긴 하나 저항이 존재하는 구간이 생기게 되고, P=VI=I^2R 이라는 공식에 의해 반도체에서 발열이 생기게 됩니다. 이를 스위칭 손실이라고 합니다.

스위칭 손실 문제로, 주파수를 무작정 높게 땡겨올릴 수는 없지요.

 

최근에 언급되는 GaN 등의 화합물은 반도체의 스위칭 손실을 극단적으로 줄이는데 기여를 하는 물질들입니다. 덕분에 크기를 더더욱 줄인 충전기가 나올 수 있었죠. 기술의 발전 대단해요.

 

 

아무튼, 반도체의 발전으로 인해 우리는 같은 출력을 갖는 전원이라고 해도 매우 가볍게 쓸 수 있게 되었습니다.

당연히 전원 장치의 설계가 이전에 비해 매우 자유롭게 되었음은 말할 필요도 없죠.

 

잡설이 길었습니다.

 

https://gigglehd.com/gg/lifetech/6503406

 

예에에에에에전에 기글에서 이런 글을 본적이 있습니다.

 

천장 조명등에 어댑터를 박아놨다고 말이죠.

 

 

LED 조명 회로는 의외로 이런 어댑터를 대충 박아도 동작하긴 합니다. LED 안정기라고 하는 물건이 필수불가결한 건 아니라는 뜻이죠.(물론 회로의 종류에 따라 차이는 있기때문에 이렇게만 말하면 어불성설입니다만...)

 

 

어댑터와 LED 전용 안정기(?)가 대체 무엇이 다른가? 에 대한 글을 써보고자 합니다.

 

 

1. 정전압 구동형(어댑터식)

 

어댑터는 일반적으로 AC-DC 변압기를 의미합니다. 과거에는 AC-변압-AC-DC의 과정을 거쳤다면 현재는 위에서 말한대로 SMPS를 사용하여 AC-DC-변압-AC-DC의 과정을 거치죠.

 

직류를 쪼개서 구형파를 만들어 변압하는 방식의 특성상 고조파가 많이 발생하게 되고 저가형 제품은 이런 고조파를 견디질 못해 조명이라면 플리커링, 오디오 기기라면 잡음 등의 영 좋지못한 결과를 얻게 됩니다.

 

어쨌든, 이러한 어댑터를 일반적으로 '정전압원'이라고 칭하고, 항상 일정한 전압을 내뿜는 것을 목표로 하는 기기입니다.

 

정전압원이 적용 가능한 LED는 아래와 같습니다.

 

 

5V, 12V, 24V 등 지원 전압이 다양합니다만, 대체로 이렇게 전압을 명시해서 나오는 제품들이 바로 어댑터를 사용해서 점등 가능한 정전압 구동형이 되겠습니다.

 

이런 구조의 LED 등은 회로가 아래와 같습니다.

 

 

이와같이, 적당한 저항을 선정해 전류량을 제한하고 정전압을 걸어주면 됩니다. 이때의 저항 선정은 아래의 표를 참고해서 하게 됩니다.

 

<표 출처 : https://blog.daum.net/leeis16/25>

 

이처럼 일반용 LED 전압표를 보고 계산하게 됩니다.

 

예를들어, 적색 LED의 경우 최소 전압이 1.8V입니다. 저항 1개와 적색 LED 한개의 직렬 회로를 계산할 때, 5V를 사용한다고 가정합시다. 그러면 우선 최소 전압이 1.8V이기 때문에, (5-1.8V)가 저항 부분에 걸리게 되죠.

 

그렇다면 일반 기준인 20mA만큼 흐르게 하고 싶다면 저항의 크기를 얼마로 선정해야 할까요?

 

(5-1.8)/0.02 = 160Ω 이라는 계산값이 나오게 됩니다.

 

이렇게 LED에 걸리는 전압 강하의 크기는 최소 동작 전압을 기준으로 전압을 높일수록 LED측에 걸리는 전압도 서서히 커집니다. 예를들어, 5V 기준으로 제가 가진 적색 LED에 330Ω 저항을 직렬 연결하였을 경우, LED 측에 걸리는 전압강하는 1.9V입니다. 이걸  6V로 올리자 1.96V로 걸리는 전압강하의 크기가 커졌습니다.

 

이런식으로 전압의 크기에 따라 LED 측에 걸리는 전압강하의 크기가 커지다가 최대 전압치를 넘겨버리면 빡!!! 하고 터져버리는거죠. 

 

이를 여러개 병렬로 주르륵 늘어놓아 전압은 일정하게 하되, 소모 전류값을 늘리는 방식으로 제작한게 바로 LED 스트립입니다.

 

LED 소자 제조사가 데이터시트에서 제시하는것과 실제 적용시 다른부분은 얼마든지 있을 수 있기 때문에 스트립 제조사는 데이터 시트를 보고 적당한 값을 찾아서 제작하게 됩니다.

 

이러한 방식은 전류 소모량이 매우 커져서 어댑터 자체 혹은 도선에서 발생하는 전압강하가 커지고, 추가로 저항을 삽입했기 때문에 저항에서 발생하는 손실 또한 별도로 존재한다는 단점이 있습니다.

 

하지만 비교적 저전압에서도 잘 동작하며, 주변에 널리고 널린게 어댑터기 때문에 전원 확보가 매우 손쉽다는 장점이 있죠. 그말인 즉 저렴합니다(...)

 

 

 

2. 정전류 구동식(LED 안정기)

 

이때문에 고안된 것이 바로 정전류 구동입니다. 전압을 가변하는 것으로 전류를 일정하게 유지시키는 IC를 사용하는 회로지요. 우리가 LED 안정기라고 부르는게 사실은 바로 이 장치입니다.

 

정전류로 구동하는 방식의 LED는 아래와 같은 회로를 갖습니다.

 

 

이와같이, 저항이 회로상에 아예 존재하질 않습니다. 그럼 어떻게 동작할까요?

 

이는 LED 안정기를 까보면 알 수 있습니다.

 

<사진자료 출처 : https://tsblog.simulz.kr/918>

 

"LED 안정기"라는 명칭이 여전히 통용되고 있어서 그렇지 사실 LED 안정기는 안정기가 아닙니다.

제품명에도 써있듯이, LED에 사용되는 기기는 LED 컨버터가 올바른 명칭이지요. 안정기는 형광등에만 사용되는 부품입니다.

 

이 LED 컨버터의 동작원리는 바로 실시간 피드백을 통한 전류 통제입니다.

 

 

 

일반적으로 IC를 이용해 전압 변환을 하는 기기는 출력단의 바로 앞에 피드백 저항이라는게 붙어있습니다.

 

이 피드백 저항 2개 사이의 분압된 전압 크기를 IC의 SENSE 내지는 ADJ 라는 명칭이 붙은 핀에 연결해두면 출력 전압값의 크기에 따라 출렁이는 중간 전압값을 IC가 감지해 출력 전압을 조절합니다.

 

예를들어 부하에서 요구하는 전류량이 늘어나 전압 강하가 심하게 일어나서 출력 전압이 떨어진다면, 피드백 저항에 감지되는 전압이 떨어질겁니다.

IC는 이것을 감지해서 출력 전압을 약간 높이는 식으로 출력 전압을 일정하게 유지합니다.

 

정전류 IC는 여기에 더해 션트저항이라고 하여, 저항값이 매우 낮은 저항을 이용해 회로에 흐르는 전류를 감지하고 이를 실시간으로 피드백받아 출력 전압의 크기를 조절하는식으로 동작하게 됩니다.

 

이런 정전류 모듈은 전압이 가변되면서 정해진 전류가 흐르는 동작을 하긴 하지만, 이 "과도한 전류"의 기준을 넘지 않는다면 그냥 정전압으로 동작하는 제품도 꽤 많지요.

 

알리에서 흔히 볼 수 있는 DC-DC 컨버터중에 이런식으로 가변저항이 3개씩 달린게 대부분 정전류 지원 모듈입니다.

 

우선 출력 전압값을 설정하고, 해당 출력 전압의 크기에서 과도한 전류가 흐를 경우 정전류모드로 동작하게 되는 식이죠.

이때, 정전류모드의 전류 값을 조절해주기 위한 가변저항이 별도로 존재하는 방식으로 제작됩니다.

 

그래서 응용으로, 개방 전압을 4.2V로 설정하고, 정전류모드에서는 전류값을 1A정도로 설정해서 리튬 이온 배터리를 충전하는 식으로 사용할 수도 있습니다. 배터리 전압이 많이 낮아진 경우에는 정전류로 충전하다가, 서서히 충전되면서 배터리 전압이 올라가고 흐르는 전류량이 1A 미만으로 떨어지면 그때부터는 정전압모드로 전환되어 4.2V의 정전압 전원을 인가합니다. 그러면 배터리가 4.2V가 되는 시점에서 양 단의 전위차가 같아져 전류는 더이상 흐르지 않게 되는 식이지요.

 

 

LED 안정기의 경우 보통 가정용 조명으로 사용되는 백색 내지는 주광색 LED의 일반 동작 전류값인 20mA를 기준으로 해서 해당 수치보다 조금 큰 전류가 흐르면 묻지도 따지지도 않고 정전류모드로 전환해 20mA정도만 흘리도록 저항을 고정시켜놓은 경우가 많죠.

 

그래서 회로를 보면 가정으로 인입되는 전기를 전파정류해서 300V가 넘는 직류로 변환한 뒤, 일반 동작값인 20mA를 흘리되 직렬 연결한 수많은 LED를 통해 적당한 전압이 걸리도록 실시간으로 조정이 이루어집니다. 그래서 이 LED 컨버터의 부하측을 개방시킨 상태로 전압값을 측정해보면 양단 전압이 320V 가까이 나오는 것을 볼 수 있습니다.

 

 

LED 컨버터를 사용하는 조명기구의 장점은 당연히 전력효율입니다.

정전압식에는 필수적으로 저항이 필요하고 전압이 상대적으로 낮다보니 갯수가 늘어나면 늘어날수록 전류량이 늘어나고 그만큼 손실이 커집니다.

하지만 정전류 방식은 전류의 소모량은 극단적으로 낮고 대신 전압의 크기를 키운 형태이기 때문에, 도선 저항 등에 의한 손실이 매우 적습니다.

 

하지만 최대의 단점으로는 바로 직렬회로라는 점에 있습니다.

 

직렬회로라는 말은 중간에 소자가 하나라도 맛이 가면 그대로 회로가 끊겨버린다는 뜻입니다.

 

즉, 정전압식에서와는 달리 LED 소자가 한개라도 맛이 가면 그대로 모든 불이 꺼집니다.

물론, 정전류 드라이버의 특성상 새로운 소자를 붙이는 게 아니라 그냥 고장난 LED 소자를 떼어내고 적당한 도선을 주워다 단선부분을 점프해주기만 하셔도 됩니다만...

일단 LED가 파손되었다는 건 이미 해당 컨버터에서 출력하는 전류 세팅이 터진 LED 기판과는 맞지않는다는 뜻이므로, 얼마 안가서 다른 LED소자들도 픽픽 죽어나가기 시작합니다. 그렇게 길지 않은 간격을 두고요.

그럴때마다 매번 꺼내서 납땜하기는 귀찮지 않겠습니까?

결국 LED 회로나 컨버터 둘 중 하나는 갈아야 됩니다.

 

그래서 처음 조명을 설치할때 컨버터의 질이 좋은 것을 선정하는게 관건이죠.

 

 

이상 LED 조명의 전원 방식에 관한 글이었습니다. 검색에 이런저런 키워드를 때려넣어봐도 이에 관한 글은 안보이길래 유입증가 유도 차원에서 한번 작성해봤습니다.