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레귤레이터 ( regulator )는 정전압 회로와 구분이 잘 안됩니다. 굳이 구별하자면, 정전압회로에 전류드라이브 능력( 전력 부스터 )을 더해서 하나의 소자로 만든 것이라고 정리하시면 좋을 것 같습니다. 회로를 설계할 때 부득이 하게 전원전압과 다른, 전류 드라이브 능력이 있는 정전압 필요할 때, 그 때는 레귤레이터를 착상하시면 됩니다.
레귤레이터 회로 이해 주제에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하세요.
전원 회로 설계 및 구성 소자의 이해
– 공급되는 전력 중 출력에 사용되지 않는 전력은 열로 소모함. • 스위칭 레귤레이터(Switching Regulator). – 비절연형(초퍼), 절연형(플라이백, 포워드, 하프 브릿지, 풀 …
Source: www.e4ds.com
Date Published: 3/17/2021
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레귤레이터 회로 이해 | [전기전자 강의] 트랜지스터 15 …
레귤레이터 ( regulator )소자 내부회로 분석, 설계에 적용하기. – 레귤레이터 회로 이해 주제에 대한 세부정보를 참조하세요. 레귤레이터 ( regulator )는 정전압 회로와 …
Source: ppa.covadoc.vn
Date Published: 10/26/2022
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전자회로를 설계할때 주의할 사항들.. [#1 전원 설계]
회로를 보는 이해하는 것은 어느 정도 할 수 있을지 모르겠지만, … 반면 아날로그 신호의 경우에는 리니어 레귤레이터를 사용해서 전원을 만들어 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 11/5/2022
View: 2270
그림으로 배우는 전자회로의 기초(5) – 전원회로
회로 방식에 따라 높은 전압에서 낮은 전압을 얻는 강압 레귤레이터 외에 … 어디까지나 승압형 스위칭 레귤레이터를 이해하는 것이 목적인 실험 …
Source: onea01.tistory.com
Date Published: 6/3/2022
View: 3979
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주제에 대한 기사 평가 레귤레이터 회로 이해
- Author: SSM 전기전자 강의
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- Date Published: 2019. 12. 1.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=5O72h5VzgWo
기초이론] 전원 레귤레이터 종류 와 개념 (쉽게 파악하기)
1. 레귤레이터(Regulator)의 개념
전자회로설계 시 반드시 빠지지 않고 등장하는 것이 바로 전압 변환을 해주는 레귤레이터이다.
보통 레귤레이터는 출력 전압을 조정하는 adjustable 레귤레이터와 고정된 전압을 변환하는 고정 레귤레이터가 있다.
예를 들면 DC 12V를 -> 5V로 변환하여 회로에 사용할 시 레귤레이터를 통해 변환하여 전원을 사용.
MIC69303 레귤레이터 예시
* 이해를 돕기 위해 위의 회로를 이용하여 간단한 설명을 해드리면…
위의 IC는 레귤레이터 중 MIC69303이라는 레귤레이터이다.
해당 레귤레이터는 Data sheet의 spec 대로 Vin pin에 해당 전압 범위에 해당하는 전압을 입력해주고, 7 번핀 (ADJ = adjustable)의 두 저항 R30, R31의 값을 이용하여 출력 전압을 원하는 대로 조정할 수 있다.
사진의 밑에 VOUT 공식이 있는데, R1은 R30, R2는 R31임을 참고하면 되겠다.
2. 레귤레이터의(Regulator) 종류
1) 리니어 레귤레이터 (Linear Regulator)
기본적으로 Input, Output, GND로 구성.
출력이 ADJ 인 경우 피드백을 위해 FB 추가
동작은 OPAMP를 사용환 귀환(Feed back) 루프 회로
* 루프 회로 : 입력 및 부하가 변동하여 출력이 변해도 내부 opamp 가 귀환 전압과 기준 전압을 비교하여 그 차가 0이 되도록 TR을 조정하여 Vout을 일정하게 유지해주는 회로
2) 스위칭 레귤레이터 (Switching Regulator)
Input에 따라 (DC 인지 AC인지에 따라) DCDC, ACDC 컨버터로 나뉨.
출력 전압을 제어하는 동작 모드로서 PWM(펄스폭 변조)와 PFM(펄스 주파수 변조)가 있음.
PWM : 스위칭 주기(주파수)가 일정하여 ON과 OFF 시간에 따라 조정하여 안정화하는 모드.
PFM : ON 또는 OFF 시간이 일정하여 주파수를 변경하는 방법
동작 : DC 전압을 스위칭을 통해 시간 분할한 후 Inductor와 cap을 통해 평활하여 원하는 DC로 변환 출력
3) LDO 레귤레이터 (Low Dropout Regulator)
입력 전압에 비해 출력 전압의 전압강하가 적을 때 사용하는 레귤레이터
일반 레귤레이터는 입력이 출력보다 2~3V 높아야 제대로 동작하지만, LDO는 Common Emitter 방식으로 Emitter, Collector 간 포화 전압 약 0.2~0.3V 만 높으면 되므로 입력이 일반 레귤레이터보다 낮아도 사용 가능.
* Common Emitter : 입력이 Base 단자, 출력이 Collector로 되도록 구성.
아래 회로와 같이 Emitter 단자가 GND로 접지되어 입력과 출력에 공통 단자 역할을 하므로 공통 이미터 증폭기라 부른다. 자세한 설명은 추후에 다루기로 하겠다.
오늘은 레귤레이터의 개념과 종류에 대해 알아보았습니다.
항상 더 좋은 자료 공유를 위해 노력하겠습니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
[레귤레이터] 레귤레이터란? 리니어와 스위칭 레귤레이터 비교
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안녕하세요. 취업한 공대누나입니다.
오늘은 Regulator IC에 대해 알아보겠습니다.
조금 복잡한 설계를 하다보면 한 회로에서 여러 전원을 사용해야하는 경우가 있는데요.
그럴 때 입력 전원이 원하는 전원으로 모두 들어오지 않는 이상
꼭 사용해야 하는 IC가 바로 Regulator입니다.
그렇다면 레귤레이터에 대해 알아보도록 하겠습니다.
1. Regulator란?
우선 레귤레이터란 일정한 전압을 출력해주는 IC입니다.
회로에 내가 원하는 전원을 다 입력으로 넣을 수 있으면 좋겠지만 현실적으로 그러기는 쉽지 않습니다.
예를 들어 입력 전원이 12V인데
회로 내부에 있는 OPamp를 구동시키기 위해 15V 전원이 필요하고
래치 IC를 동작시키기 위해 5V 전원이 필요하고
MCU를 동작시키기 위해 3.3V 전원이 필요하다면 어떻게 해야할까요?
이럴 때 바로 Regulator IC를 사용하는 것입니다.
그림처럼 12V의 전원을 레귤레이터를 통해 강압 또는 승압을 하여 원하는 출력을 뽑아냅니다.
강압 : 입력전압보다 낮은 전압을 생성
승압 : 입력전압보다 높은 전압을 생성
표의 왼쪽 사진은 제가 실무에서 사용하고 있는 레귤레이터입니다.
사진과 같은 패키지 말고도 여러 타입의 레귤레이터가 있습니다.
각자 원하는 타입을 사용하시면 됩니다.
참고로, 이건 일반적으로? 많이들 사용하시는 방법이기도 한데
레귤레이터의 출력을 위의 사진처럼 LED에 연결해줍니다.
그래서 원하는 전압이 잘 출력되고 있는지 눈으로 쉽게 볼 수 있도록 많이 사용하기도 합니다.
실제 디지털 멀티미터로 출력을 찍어도 쉽게 알 수 있으나
귀찮기도 하고 보기 편하기도 하니 저렇게 회로를 꾸미기도 합니다.
2. 리니어 Regulator란?
레귤레이터는 흔히 리니어(Linear) 방식의 레귤레이터와 스위칭(Switching) 방식의 레귤레이터로 분류합니다.
리니어 레귤레이터는 직접적으로 전압을 떨어뜨리는 방식이며 LDO라고도 많이 말합니다.
입력전원을 낮추는 방식만 가능합니다.
예를 들어서 5V를 3.3V로 만드는 것은 가능한데, 5V를 12V로 승압할 수는 없습니다.
변환 과정에서 열이 많이 발생하고 이러한 열은 전기 에너지가 열로 소모되는 것이라
전력 효율이 낮은 편입니다.
일반적으로 전류 요구량이 낮은 회로에 사용하며, 전류를 높이 이용하려면
방열판을 달아 열을 식혀주어야합니다.
아까 표의 왼쪽 사진이 리니어 레귤레이터의 회로를 구성한 것입니다.
엄청 간단한 것을 확인할 수가 있습니다.
3. 스위칭 Regulator란?
스위칭 레귤레이터는 스위치 소자의 On/Off 반복을 통해 원하는 출력 전압을 만들어내는 소자입니다.
리니어 레귤레이터와는 다르게 강압과 승압이 모두 가능하며 부전압을 생성할 수도 있습니다.
또한 비교적 큰 전력을 흘릴 수 있습니다.
출처 : GS256MF 데이터시트
위의 사진은 디바이스마트에서 아무 스위칭 레귤레이터를 검색하여 데이터 시트를 캡처한 것입니다.
일반적으로 레퍼런스 회로가 다 주어지며 데이터시트를 참고하여 설계하면 됩니다.
LDO와 다르게 다이오드와 인덕터가 추가로 들어가는 것을 확인할 수 있습니다.
부품이 많이 추가되면 뭐가 문제냐 라고 생각하실 수도 있지만
기판 자체를 소형화하기 힘들기도 하고 가격도 더 비싸다는 단점이 있습니다.
4. 리니어와 스위칭의 차이점 및 장단점 비교
LDO Switching 장점 – 회로가 비교적 단순함
– 노이즈가 적음 – 전력 효율 높음
– 승압, 강압, 부전안 변환 가능 단점 – 전력 효율 낮음 (전류를 높이면 발열이 심함)
– 강압만 가능 – 회로가 비교적 복잡함
– 노이즈가 많음 (스위칭 노이즈)
위의 내용을 이해하셨다면 어렵지 않게 받아들이실 수 있는 내용입니다.
자신의 회로에 적합한 것을 찾아 데이터 시트를 보고 설계하면
어렵지 않게 원하는 전압을 출력할 수 있습니다.
어려운 점이 있으면 댓글로 알려주세요
감사합니다.
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전압변환을 하는 레귤레이터(Regulator)의 정체
전자 회로에 꼭 들어가야 하는 전압 변환기, 레귤레이터 !
전자 회로에 빠지지 않고 단골로 등장하는 부품 중의 하나는 레귤레이터이다. Regulator는 어떤 것을 맞게 조정 하거나 통제 한다는 의미를 갖고 있다.
이때 조정이라 함은 전압이다. 레귤레이터의 대표적 예는 직류 12V(DC 12V)를 입력으로 받아 직류 5V로 변환하는 것이다. 실제로 현장에서 많이 사용되는 종류이다.
자동차에 있는 시가잭의 12V 전원에서 5V로 전압을 낮춰 스마트폰의 충전기 전원으로 사용하는 것이 이에 해당된다.
전자 제품에 많은 부품들이 들어가는데 동작되는 되는 전압이 다른 경우가 많다. 따라서 레귤레이터를 이용한 전압 변환 과정이 필요하다.
따라서 전자회로에 대한 이해를 위해서는 레귤레이터의 기능 및 종류에 대해 이해하는 것이 무척 중요하다.
리니어 레귤레이터 vs 스위칭 레귤레이터 !
레귤레이터 역시 종류로 대별된다. 큰 차이점은 리니어(Linear Regulator) 방식과 스위칭(Switching Regulator) 방식의 레귤레이터가 존재한다.
리니어 방식의 레귤레이터(Linear Regulator)는 직접적으로 전압을 떨어 뜨리는 방식으로 변환 과정에서 열이 많이 발생된다. 또한 이러한 열은 전기 에너지가 열로 소모되는 것이기에 리니어 레귤레이터의 전력 효율이 낮다.
리니어 레귤레이터는 통상 전류 요구량이 낮은 경우에 이용된다. 전류를 조금 높여 이용 하려면 레귤레이터에 방열판을 달아 표면의 열을 식혀 줘야 한다.
반면 스위칭 레귤레이터(Switching Regulator)는 출력단으로 흘려주는 펄스의 양을 조절하여 전압을 정밀하게 조정해 주는 전압 변환기이다. 따라서 SMPS(스위칭 레귤레이터, Switching Mode Power Supply)라고도 불리우며, PC나 TV 등 가전기기의 주 전원 용도로 이용되는 경우가 많다.
스위칭 레귤레이터는 발생되는 열도 적으며, 대 전류를 흘릴 수 있다. 그러나 회로가 복잡하고 부품이 많이 필요 해 가격이 높다는 단점이 있다.
5V 전압을 만들어 내는데 굳이 큼직한 전원 장치를 왜 써야 되나요 ?
전자 공학을 공부하면서 리니어 레귤레이터를 처음 접하는 사람들이 공통적으로 갖는 궁금증이 있다. 그들은 12V 입력 전압으로 5V를 만들어 내는 7805라는 조그만 레귤레이터를 처음 접한다.
조그만 크기에도 불구하고 전압을 5V로 떨어뜨려주니 신기하기만 하다. 그러면서 이렇게 편리하고 작은 전원장치가 있는데 왜 PC에는 그리도 큼직한 전원 장치가 필요한지 의아스러워 한다.
이는 위에서 설명한 발열, 전류량, 효율 등과 결합되어 답변 될 수 있다. 리니어 레률레이터는 효율이 낮고 발열량도 높으며, 흘릴 수 있는 전류량이 작아 PC가 요구하는 200W 이상의 전력을 제공할 수 없다.
따라서 리니어 레귤레이터는 적은 전류량이 필요한 경우로 그 용도가 한정될 수 밖에 없다.
리니어 레귤레이터의 종류 및 규격 읽기 !
리니어 레귤레이터의 대표적인 제품은 7805, 7809, 7905,7912등이다. 78t시리즈는 입력 전압을 + 변환하여 출력한다. 반면 79 시리즈는 출력 전압에 대한 – 전압으로 변환해 준다. 각 모델의 뒤 2자리 수는 출력 전압이다.
리니어 레귤레이터 모습, Source: wikipedia.org
리니어 레귤레이터는 아래와 같이 3개의 단자로 통상 구성된다. 정면으로 놓고 볼 때 가운데가 접지(-), 좌측이 입력전압, 우측이 출력 전압 핀이다.
레귤레이터의 모델별 전압 변환은 다음과 같다.
[Positive Linear Regulator]7805: 입력 전압을 +5V로 변환 시켜 출력 함 7812: 입력 전압을 +12V로 변환 시켜 출력 함
[Negative Linear Regulator]7905: 입력 전압을 -5V로 변환 시켜 출력 함 7912: 입력 전압을 -12V로 변환 시켜 출력 함
Fairchild사에서 만든 LM7805의 데이터 시트는 다음을 참조 하기 바란다.
LM7805.pdf
(File source: fairchildsemi.com)
단일 칩셋으로 만들어진 저전력 스위칭 레귤레이터 !
전류량이 적더라도 전력 소모를 줄여야 한다면 One chip으로 만들어진 스위칭 레귤레이터를 이용해야 된다.
이러한 목적으로 만들어진 스위칭 레귤레이터의 예는 LM2575이다. 리니어 레귤레이터에 비해 단가가 높으나 전력 특성이 우수하다. 따라서 저전력이 요구되는 스마트폰 등의 배터리 구동 기기에서는 필수적으로 이용 되어야만 한다.
참조할 수 있도록 Texas Instruments사에서 만든 LM2575 Switching Regulator에 대한 데이터 시트를 첨부한다. 여러 모델에 대해 데이터가 공통적으로 적용되기에 LM1575의 경우도 포함되어 있다).
LM2575.pdf
레귤레이터의 제조사별 부품명 및 호환 대치표는 다음 글 참조
참조 글 링크: 레귤레이터(Regulator) IC 부품 호환 대치표 리스트
레귤레이터 회로 이해 | [전기전자 강의] 트랜지스터 15. 레귤레이터 ( Regulator )소자 내부회로 분석, 설계에 적용하기. 상위 228개 답변
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전자회로를 설계할때 주의할 사항들.. [#1 전원 설계]
일단 처음하는 분들이 가장 어려워하는게 설계일 것으로 보이는데, 이건 어느 분야든지 마찬가지라고 생각한다.
회로를 보는 이해하는 것은 어느 정도 할 수 있을지 모르겠지만, 전에 없는 것을 새로 만든다는 것은 전혀 쉽지가 않은 일이다.
시스템 전체를 통찰해서 살펴보아야함은 물론 각 소자 하나하나까지 신경을 써야하기 때문이다.
물론 인터넷에서 나온 회로들을 갖다 껴맞추기를 할 수는 있겠지만..
시스템 전체를 아우르는 통찰력이 없다면, 어느 부분에서 문제가 발생할런지 알 수가 없는 부분이다.
왜냐하면 부분부분 갖다 쓰게된다면, 내 회로와 상황이 맞지 않을 확률이 크기 때문이다.
그래서 전체적으로도 어긋남이 없어야하는 동시에…
세세한 부분까지 문제가 발생하지 않도록 스펙에 고려해야하기 때문에 참 어려운 작업 중의 하나이다.
더군다나 이에 대해서 정답이나 레퍼런스가 정확하게 나와 있는게 아니기 때문에 더욱 어렵게 느껴진다.
이 세상의 모든 회로를 다 알고 있는 전문가는 존재하지 않는다.
따라서 대부분 새로운 회로를 구성할때는 미리 구성된 레퍼런스 회로를 참조한다.
전혀 모를 경우에는 똑같이 따라할 수도 있겠지만..
회로가 어떻게 동작하는지를 이해하고 각 소자의 역할이 무언지 정확하게 알아야한다.
어설프게 잘 모른채로 회로를 수정했다가 안되는 경우가 허다하다.
그리고 자신의 상황에 맞추어 부품을 대체할 수 있어야한다.
(이때 상황이라함은 다양한 것을 가리키는 말이다.
전압, 전류, 사이즈나 무게, 가격, 납기 등등등… 다양한 것을 포함한다.)
아마도 이런 이유에서 회로 설계에는 정답이 없는 것 같다.
정답이 없다보니 체계적으로 정리되있는 것도 없는게… 악순환인가..?
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서론이 길었는데..
아마도 가장 기본이 되는게 전원일 것 같다.
전원에 대해 이해하기 전에 시스템의 구성에 대한 이해가 필요하다..
보통 시스템에는 디지털 신호와 아날로그 신호가 존재한다.
(최근에는 아날로그 신호로만 구성된 시스템들은 찾기란 쉽지 않지만,
반대로 디지털 신호로만 구성된 시스템을 찾는건 그리 어렵지가 않을 것이다.
하지만 여기에 함정이 존재할 수가 있다.
만약 디지털 신호로 인터페이스하는 소자들이 내부적으로 아날로그 신호를 이용한다면 어떻게 될까..?
복잡한 얘기가 될 수 있기 때문에 이 부분은 마지막에 다시 설명을 해보고자 한다.)
디지털 신호는 High Low를 구분할 수만 있으면 되기 때문에 노이즈에 크게 민감하지 않다.
반면 아날로그 신호는 신호에 노이즈가 포함되면…. 엄청난 재앙이 기다리고 있을 것이다.
전원 설계의 기본적인 원칙
(초보분들을 위한 글이기 때문에 고수님들의 태클은 정중히 사양합니다.)
1. 디지털 신호에 대한 전원은 Step down / Step up과 같은 스위칭 레귤레이터를 사용해서 전원을 만들어주는 것이 일반적이다. 반면 아날로그 신호의 경우에는 리니어 레귤레이터를 사용해서 전원을 만들어주어야 좋다.
※ 긴 글을 쓰기도 힘든데.. 그림을 그리기가 귀찮아서..
다른 블로그의 이미지를 무단으로 퍼왔네요. 이해해주시길 바랍니다.
스위칭 레귤레이터란?
스위치 역할을 할 수 있는 트랜지스터가 계속 시스템을 껐다 켰다 하면 뒷단에 아래와 같은 모양의 파형이 생겨날 것입니다.
일단 스위치가 On/Off 시키기 때문에 뒤의 회로들이 없다면 단순하게 출력전압이 되었다가 0V가 되었다가 할 것입니다.
그런데 뒷단에 보면 L과 C가 존재하는데, L가 C 모두 변화를 방해하는 역할을 합니다.
L은 On → Off로 스위칭되는 순간 전압의 변화를 방해하고자 하기 때문에 전압을 좀 붙잡아두다가 서서히 떨어지게 만듭니다.
반대로 Off → On으로 스위칭될 때도 전압을 방해하기 때문에 낮은 전압에서 서서히 올라가게 만듭니다.
C는 On → Off로 될때 충전시켜놓은 자신의 전하들을 방출합니다. 따라서 전압이 서서히 떨어지게 되는 것이고,
반대로 Off → On으로 될때는 자신이 충전을 하고나서, 충전이 완료된 다음 전압을 상승시켜줍니다.
L과 C가 작동되는 원리는 다르지만 결과적으로 볼 때, 전압이 출렁댈때 생기는 AC 성분을 없애주는 역할을 합니다.
따라서 위의 On/Off 스위칭 파형의 모양을 방해해서 출렁출렁하는 물결 같은 모양으로 출력을 해주게 됩니다.
필요한 만큼의 전압을 생성해서 사용하기 때문에 효율이 높지만, 출력에 물결같은 노이즈가 포함되어 있습니다.
이와는 달리 리니어 레귤레이터는 단순하게 전압을 깍아냅니다.
입력 전압에 AC 노이즈 성분이 있을때 위 그림처럼 이 부분을 모두 날려버리기 때문에 출력 전압이 일정해집니다.
다만 윗 부분의 남는 전압을 모두 열로 날려버리므로, 낭비가 심하다고 볼 수 있습니다.
하지만 일정한 전압을 얻을 수 있기 때문에 노이즈에 민감한 아날로그 회로에서는 좋은 입력 소스라고 볼 수 있습니다.
2. 제한된 리소스 이내에서 전원의 입/출력 효율 및 전원의 품질을 고민해야 한다.
리니어 레귤레이터의 경우, 출력 전류로 사용되는 만큼 무조건 입출력 전압의 차이만큼 날아가 버리기 때문에…
출력전류만큼의 입력 전류가 사라져버리게 된다.
5V 1.0A의 전원 입력 중에서 3.3V 1.0A를 리니어 레귤레이터를 통해 사용한다고 가정하면,
남는 부분은 모두 열로 소모시켜버리기 때문에 입력된 전원의 100%를 사용하는 것이 된다.
그렇지만 스위칭 레귤레이터를 통해 사용한다고 가정하면,
2/3만큼만 On을 시켜도 되기 때문에 66%의 전력을 사용한다고 할 수 있다.
그렇다면 무조건 효율이 좋은 스위칭 레귤레이터가 좋을까라는 질문에는 꼭 그렇지만은 않다는 것이다.
만약 시스템 중에 아날로그 신호를 받아서 A/D 컨버팅을 하는 부분이 있다고 한다면,
스위칭 전원의 노이즈가 A/D 컨버팅의 정밀도를 더 않좋게 만들 것이기 때문에..
자신의 시스템이 어떻게 구성되어 있는가에 따라 스위칭을 쓸지, 아니면 리니어를 쓸지 혹은 두가지를 모두 사용할지 결정해야한다.
만약 스위칭 레귤레이터를 통한 전원을 다시 리니어 레귤레이터를 통해 좀 더 노이즈가 적은 전원으로 만들 수 있다면,
(즉, 부품의 단가과 PCB 공간 그리고 이렇게 설계할 시간과 같은 리소스가 주어진다면..
이런 식으로 효율이 높고 품질이 높은 전원을 만들 수도 있을 것이다.)
3. 레귤레이터의 출력 전류는 가능하면 여유있게 설계해야한다.
회로를 설계하다보면 여러가지 전압에 따라 시스템을 꾸미게 되는데..
각각의 전압에 물리는 소자들의 최대 전류 사용량을 파악하고, 레귤레이터의 출력 전류를 넘어서는 안된다.
그리고 더 나아가 출력 전류에 10~20%이상의 여유분이 있도록 하는 것이 좋다.
왜냐하면 효율이 100%되는 레귤레이터란 존재하지 않기 때문에 그 자체에서 손실이 발생하게 된다.
사용하는 레귤레이터의 종류에 따라 달라지겠지만..
단일 스위칭 레귤레이터의 경우 보통 95%정도,
스위칭 레귤레이터가 직렬로 연결된 벅-부스트나 부스트-벅 레귤레이터등의 경우에는 85%정도라고 생각을 하고 설계를 하자.
또 다른 이유는 레귤레이터를 한계까지 사용하게 되면 열이 많이 발생할 수 있기 때문에,
높은 온도에 따라 수명도 짧아지고 레귤레이터의 효율도 더 떨어진다.
따라서 일반적으로는 70~80% 정도 전류만을 사용하도록 설계를 한다.
4. 레귤레이터의 입/출력 커패시터와 인덕터들은 사양보다 여유있는 스펙으로 구성한다.
커패시터와 인덕터는 오차를 가지고 있기 때문에…
자신의 시스템에서 요구하는 것보다 좀 더 여유있는 스펙의 것을 사용해야한다.
인덕터의 경우 인덕턴스 값의 오차율은 보통 ±20%정도, 전류 오차도 비슷한 정도라고 가정한다.
커패시터의 경우 커패시턴스 값의 오차율을 ±10%정도가 일반적이며, 내압은 커패시터가 연결된 전압 혹은 신호의 2배 정도를 사용한다.
(내압의 경우 굳이 2배는 아닐지라도 10~20% 이상 높은 것을 사용하면 무리는 없겠지만..
모터와 같이 높은 전류가 스위칭 되는 곳에서는 채터링이나 유도전압 때문에 이보다 더 높은 기준으로 내압을 선정하는 것이 좋다.)
레귤레이터와 연결되는 인덕터와 커패시터들은 가능하면 최악의 상황에 맞춰서 설계하는 것이 좋다.
(우리나라가 95%정도의 오차율을 보여야 합격이라고 한다면, 중국은 90% 정도만 되어도 합격된다고하니…
가능하면 최악의 오차율을 가정하고 시스템을 꾸며야할 것이다.)
5. 좀 더 정확한 아날로그 전원이 필요하다면 전압 레퍼런스의 활용을 고민하자.
레퍼런스라는 것이 도대체 무엇이며 리니어 레귤레이터와 차이점이 무언지 알아보도록 하자.
레퍼런스도 일종의 리니어 레귤레이터라고 보면 될 것이다.
차이점이라고 하면, 좀 더 정확한 출력 전압과 더 적은 출력 전류 정도일 것이다.
리니어 레귤레이터는 일반적으로 ± 2 ~ 3% 내외의 정확도로 전압을 출력해준다.
하지만 레퍼런스는 보통 1.0% 이내 정도의 정확도를 가지며,
출력 전류가 수mA에서 수십mA로 매우 적은 경우에는 0.01%나 그 이하의 정확도를 가지는 경우도 존재한다.
결과적으로 얘기하자면 리니어 레귤레이터든 전압 레퍼런스든 간에 출력 전류가 높을수록 출력 전압의 정확도는 떨어진다.
그리고 정확도는 돈과 비례한다.
전압 레퍼런스는 일부 아날로그 신호의 기준으로 활용되기 때문에 좀 더 정밀한 전압을 기준으로 하고 싶을때 사용된다.
일단 전원 설계에서는 이정도만 알아보도록 하고..
향후 노이즈와 관련해서 이런저런 말들이 많이 남아있기 때문에,
그때 좀 더 시시콜콜한 얘기들을 할 수 있을 것이다.
그림으로 배우는 전자회로의 기초(5) – 전원회로
그림으로 배우는 전자회로의 기초(Ⅲ) – 전원회로
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IC나 트랜지스터로 구성된 ‘전자회로’는 어떤 것이든 안정화 전원이 필요하다. 오늘날과 같은 에코 시대에는 고효율 전원에 대한 주목도가 높아지고 있다.안정된 전원전압을 만드는 데에는, 낭비는 많지만 노이즈가 적은 리니어 레귤레이터와, 낭비는 없지만 노이즈가 많은 스위칭 레귤레이터가 있다.전류 출력이 작아도 되며 낮은 노이즈 전원이 필요하다면 리니어 레귤레이터를, 그 외에는 스위칭 레귤레이터를 사용하면 될 것이다.전원회로의 에너지원도 전원이다. 이 에너지원에는 전지나 상용 100V 전원이 있지만 모두 전압이 안정되지 않았다.전지는 사용 시간이 지나면 출력 전압이 떨어져 IC가 요구하는 전원전압 범위보다 낮아진다. 또한, 100V 전원을 정류 평활하여 얻을 수 있는 직류 전압은 큰 맥류(리플)를 포함하고 있으며, 100V 전원 라인에 연결하는 다른 전자기기의 영향으로 인해 100V 자체가 변동하면 이 직류 전압도 변동하게 된다.트랜지스터로 변압하여 정류하는 것만으로는 원하는 정확한 전압이 되지 않는다.AC 라인을 정류한 직류 전원이나 전지에서, 잘 변동하지 않는 정확하고 일정한 직류 전압을 만드는 회로 또는 IC를 레귤레이터라고 한다. 레귤레이터는 크게 리니어 타입과 스위칭 타입으로 나눌 수 있다(그림 1, 그림 2). 리니어 레귤레이터는 효율이 높지 않지만 출력 전압에 포함되는 노이즈가 적은 것이 특징이다. 스위칭 레귤레이터는 효율은 높지만 노이즈가 많은 것이 특징이다.(1) 리니어 레귤레이터의 특징리니어 레귤레이터에는 시리즈형 외에 부하에 병렬로 넣은 제어 트랜지스터로 전압을 제어하는 션트형이 있다[그림 3(b)]. 전류를 내보낼 뿐만 아니라 흡수하는 것이 특징이다.시리즈 레귤레이터는 그림 3(a)와 같이 입력 측과 출력 사이에 넣은 제어 트랜지스터로 전압을 강하하여 출력 전압을 조정한다. 다리 3개의 원칩형 기본 IC ‘3단자 레귤레이터’가 많이 사용되고 있다.① 특징 1 : 시리즈에 접속한 트랜지스터가 발열한다제어 트랜지스터는 다음과 같은 식으로 나타내는 전력을 소비하여 열로 된다.P＝(V－V)I② 특징 2 : 강압만 가능하다입력 전압은 출력 전압보다 항상 높아야 한다. 그 전압차는 리니어 레귤레이터의 종류에 따라 다르며 1∼3V 정도 필요하다.③ 특징 3 : 소출력용앞에서 설명한 바와 같이, 제어 트랜지스터가 출력 전류에 비례하는 전력을 소비하기 때문에 출력 전류가 큰 용도에는 사용할 수 없다.(2) 스위칭 레귤레이터의 특징전술한 리니어 레귤레이터보다 효율이 높다. 입력 에너지를 소량씩 인덕터나 콘덴서에 비축하고, 그 에너지를 양동이 릴레이처럼 하여 출력 측으로 이동시킨다(그림 4). 에너지를 전송하는 속도로 출력 전압을 조절한다.① 특징 1 : 인덕터나 콘덴서는 전력을 손실하지 않는다‘양동이’에 해당하는 인덕터나 콘덴서는 원리적으로 전력을 손실하지 않는다.② 특징 2 : 트랜지스터의 손실도 극히 소량이다스위칭 트랜지스터의 동작은 ON이나 OFF이다. ON 상태일 때에는 전류가 흐르지만 전압은 거의 제로이므로 스위칭 트랜지스터에서 소비되는 전력은 매우 적다(그림 5). OFF 상태일 때에는 전압이 걸리지만 전류가 제로이므로 스위칭 트랜지스터에서 소비되는 전력 역시 매우 적다.③ 특징 3 : 승압과 강압 모두 가능하다회로 방식에 따라 높은 전압에서 낮은 전압을 얻는 강압 레귤레이터 외에 낮은 전압에서 높은 전압을 얻는 승압 레귤레이터, 그리고 이 두 가지가 혼합된 승강압형 등 입출력 전압 관계를 선택할 수 있다.④ 특징 4 : AC 입력할 수 있다AC 어댑터 등 AC 라인에서 직류 출력을 얻는 경우에는 양동이 역할을 담당하는 L과 절연 트랜스를 겸용하도록 함으로써 AC 라인과 완전히 절연된 직류 출력을 얻는 것이 일반적이다.⑤ 특징 5 : 노이즈가 엄청나다스위칭형의 경우 장점이 많은 것처럼 보이지만, 스위칭에 의해 큰 노이즈가 발생한다. 용도에 따라서는 리니어형을 사용할 필요가 있다.(3) 콘덴서에 저장한 에너지를 이용하는 충전 펌프형 DC-DC 컨버터코일(L)과 콘덴서(C) 모두 에너지를 모은다는 점에서는 같다. 콘덴서를 사용한 충전 펌프형도 스위칭 타이밍을 제어하면 코일을 사용한 레귤레이터와 같은 기능을 갖도록 할 수 있다.코일은 콘덴서보다 특수한 전자부품이라고 할 수 있다. 콘덴서를 사용한 충전 펌프형 스위칭 레귤레이터가 더 보급되었으면 하는 바람이지만 실제로는 그렇지 않다. 특히 전류가 작은 것밖에 없는 것 같다.그림 6을 보면 전송용 C는 출력 측으로 넘겨 감량한 만큼의 충전을 입력 측에서 받게 된다. 이 때 순간적으로 대전류가 흐르기 때문에 전류가 커지면 장해가 된다.전송용 소자에 L을 사용하면 전류 변화가 완만하므로 그런 일은 없다.충전 펌프의 구체적인 예는 RS-232-C 트랜시버(RS-232-C와 일반 로직 사이의 레벨 변환 IC)에 내장되어 있는 전원 등이다. 약간 고압의 전원이 필요할 때 중요하게 사용할 수 있다.예전부터 있던 배전압 정류 회로 등도 그 일종이라고 볼 수 있을 것이다. 이 배전압 정류 회로를 여러 단 쌓아올린 콕크로프트-월턴 회로는 전류를 필요로 하지 않는 고전압 발생에 사용된다.일렉트로닉스가 발달하지 않았을 때의 이야기이다. 트랜스로 승압할 수 없는 직류를 일단 교류로 변환하여 승압하고, 이것을 정류하여 다시 직류로 되돌리는 것을 그대로 부른 것이 DC-DC 컨버터의 시작인 것 같다. 스위칭 레귤레이터는 그 일종이다.DC-DC 컨버터라는 단어는 정전압 기능을 갖추고 있지 않다는 의미도 포함하고 있다. 스위치드 커패시터를 사용한 충전 펌프형 회로 등은 그 중 하나이다.이 회로는 입력 전압의 2배나 －2배의 전압을 출력하지만, 정전압 기능은 갖추지 않았다(그림 6).단, 현재는 단어가 혼용되고 있는 듯하며 상기의 충전 펌프 IC를 레귤레이터라고 불러도 문제는 없다. 엄밀하게 논의할 때에는 주의해야 하지만, 고집을 피워 선배들을 곤란하게 해서는 안 된다.비슷한 단어인 ‘인버터’는 직류를 교류로 역변환하는 구조이다. 직류는 교류를 정류하여 만들 수 있었기 때문인 것 같다. 자동차 배터리에서 AC100V를 얻는 장치는 DC-AC 인버터라고 한다. 모터 제어장치와 형광등 제어기구도 본질을 나타내는지의 여부는 별도로 하고, 인버터의 의미는 같다.리니어 레귤레이터는 전력을 소비하여 전압을 떨어뜨리는 원리로 인해 강압만 가능하다. 스위칭 레귤레이터는 양동이(코일)에 일단 에너지를 모으므로, 강압은 물론 기세를 올리면 승압도 가능하며 아래부터 쌓아올리면 음전압도 생성할 수 있다.리니어 레귤레이터는 원리적으로 강압밖에 할 수 없지만, 스위칭 레귤레이터는 강압뿐만 아니라 승압과 극성 반전이 가능하다.콘덴서가 전하를 충전하여 에너지를 모으는 것과 마찬가지로 코일은 전류를 모은다. 이 성질을 이용하여 전원 측(입력 측)에서 전류를 일단 코일에 모으고 출력 측에 토해내면 되는 것이다.구체적으로는, 그림 8과 같이 스위치(트랜지스터)를 ON하여 인덕터에 전류를 흘린다. 트랜지스터를 OFF하면 멈추지 않는 코일의 전류가 트랜지스터에서 다이오드 측으로 흘러 출력 전압을 끌어올린다(그림 9). 출력 전압은 주고받는 속도로 조정할 수 있으므로 피드백을 걸어 출력 전압을 일정하게 유지한다.그림 10은 LED 점등 회로를 나타낸 것이다. 스위칭 레귤레이터의 기본 요소를 갖추고 있다. 주요 부분은 L, D, C, Tr에 의한 스위칭 회로이다.스위칭 트랜지스터 Tr에서 L1에 흐르는 전류를 ON/OFF하고 D을 통해 C3에 전송한다.Tr1과 Tr2로 구성된 것은 멀티 바이브레이터라는 발진 회로이다. 스위칭 트랜지스터의 ON/OFF 타이밍 신호가 발생한다.Tr는 오차 앰프이다. Tr의 출력 전압을 R, R로 분압한 전압을 V≒0.7V와 비교한다. Tr의 출력 전압이 0.7V보다 크면 Tr이 OFF되도록 작용하며 Tr의 OFF 시간을 늘린다. Tr3의 OFF 시간이 증가하면 결과적으로 L에 공급되는 전류가 줄어 출력 전압이 내려간다.그림 11과 같이 입력 전압이 낮아지면 L1이 전원(입력)에 접속되는 시간(Tr3의 ON 시간)을 늘리고, 반대로 입력 전압이 높아지면 L1이 전원에 접속되는 시간을 줄여 출력 전압을 일정하게 유지한다.전원회로의 중요성은 알고 있지만, 전압을 발생시키는 평범한 테마이므로 별로 실험하고 싶지 않을지도 모른다.그림 10에 나타난 회로는 전지 2개로 백색 LED를 점등한다는 실용성까지 부여했다. 어디까지나 승압형 스위칭 레귤레이터를 이해하는 것이 목적인 실험 회로이므로, 백색 LED 점등만 목적이라면 더 간단하게 만들 수 있다.레귤레이션 기능을 생략해도 승압은 가능하며, 발진 회로와 스위칭 회로를 겸한 자려식이라는 회로도 있다. 더 나아가 정류용 다이오드를 사용하지 않는 대신 LED를 사용하여 직접 발광시킬 수도 있다.지면 관계상 전부 소개할 수는 없지만 다양한 회로가 있으므로 시도해 보면 재미있을 것이다.AC100V로 동작하는 장치에는 ±5V, ±12V 등의 양전원으로 동작하는 IC가 있다. 그러나 전지로 동작하는 장치에서는 ＋3V, ＋4.5V 등의 한 종류 전원으로 동작한다. 이러한 장치에서는 전지가 출력하는 전압을 2분할하여 중간 전압을 만들고, 그 중간 전압을 회로의 기준 전압 즉 그라운드로 이용하고 있다.이 중간 전위(가상 그라운드)에는 다양한 회로가 소비하는 전류가 흘러 들어오므로, 이 라인의 임피던스가 충분히 낮지 않으면 중요한 회로의 기준이 변동하여 원하는 성능을 얻을 수 없게 된다.전자회로는 그라운드가 없으면 움직이지 않는다. 그라운드란 회로의 동작 기준을 말하며, 0V 점이라고 한정되지는 않는다.2.5V를 회로의 동작 기준으로 지정하면 2.5V가 그 회로의 그라운드(가장 그라운드라고 한다)이다.가상 그라운드는 그림 13과 같이 2개의 저항으로 간단히 만들 수 있다. 실제로 부하 전류가 이 가상 그라운드에 흘러 들어가면, 분할 저항에 전류가 흘러 가상 그라운드의 전위가 신호에 맞춰 흔들리게 된다.저항값을 작게 하면 부하전류의 영향을 줄일 수 있지만, 신호가 없을 때 분할 저항에 전류가 흘러 쓸데없는 전류를 소비하는 비경제적인 회로가 된다.이 문제를 해결하려면 그림 14와 같이 분할점과 중점 출력 사이에 게인 1배의 버퍼 앰프를 추가한다. 버퍼 앰프는 출력 임피던스가 매우 낮기 때문에 가상 그라운드가 잘 변동하지 않는다.
1. 왜 발진하는가?
그림 A는 그림 14의 OP 앰프에 고주파 전류가 직접 흘러 들어가지 않도록 콘덴서를 추가한 회로이다. 이것은 OP 앰프를 사용할 때 절대 해서는 안 되는 일이다.
OP 앰프의 출력에는 수십Ω의 저항(Rout)이 있다. 이 Rout에 의해 콘덴서 충전에 시간이 걸린다.
그 영향으로 입력 단자에 피드백하는 신호의 위상이 지연되어 발진하게 된다.
2. R1을 R2의 10배 이상 크게 하여 C2 측에 미치는 영향을 줄 인다
그림 15는 OP 앰프 출력에 발진 대책을 세운 예이다. 이 발진 대책 회로는 편리하다. OP 앰프를 사용하면 출력에 콘덴서를 병렬로 붙이고 싶어진다. 보통은 발진 위험이 높으므로 이 회로를 사용한다.
그림 B는 해석 결과, 그림 C는 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이므로 참고하기 바란다.
이 회로는 자주 사용되는 데 비해 동작 해설이 거의 보이지 않는다. 이것은 엄밀하게 전달함수를 계산하려고 하면 매우 복잡하며 깔끔한 답을 얻을 수 없기 때문이다.
방정식의 답으로 정확한 계산값을 얻을 수는 없어도 상수를 어떤 방향으로 움직여야 하는지 혹은 그 반대인지, 가장 좋은 점을 탐색하면 발견할 수 있는지 등의 정보 정도는 미리 확인해 보고자 하는 것이다.
리니어 레귤레이터의 이모저모
리니어 레귤레이터(안정화 전원)가 안정된 전압을 출력하는 구조에 대해 설명한다.
1. 심플하고 낮은 노이즈의 리니어 레귤레이터
그림 D의 구조로 동작하는 그림 E의 기준 전압원＋버퍼 앰프(이미터 폴로어) 구성은 저렴한 회로로서 이전부터 사용되고 있다. 노이즈가 작다는 이유로 지금도 사용되는 경우가 있다. 이미터 폴로어는 100% 부귀환이 걸린 앰프이며, 신호 입력 단자인 페이스 전압에 출력 단자인 이미터 전압이 따라간다.
단, 트랜지스터의 VBE나 제너 다이오드 전압이 불규칙하므로 3단자 레귤레이터와 같은 전압 정밀도는 기대할 수 없다.
이것을 간단하게 한 회로로, 그림 F의 저항 분할 회로＋버퍼 앰프 구성도 생각할 수 있다. 이 구성은 안정적이지는 않지만 작은 콘덴서로 큰 필터상수를 얻을 수 있다. 리플만 제거하면 되는 용도에 많이 사용되고 있다. 조정이 필요하지만, 안정화된 전압을 더 강압하여 낮은 전압으로 만들고자 할 경우 등에도 사용할 수 있다.
2. 디스크리트 트랜지스터로 만드는 리니어 레귤레이터
3단자 레귤레이터가 보급되기 전에는 그림 G와 같은 구조로 동작하는 개별 부품으로 그림 H와 같은 레귤레이터를 구성했다. 표준 회로는 그림 H와 같은 느낌이다. 가변 저항기에 의한 조정이 필수적이다.
3. 조정 없이 사용할 수 있는 션트 레귤레이터＋OP 앰프
기준 전압 Vref에 션트 레귤레이터를 사용하고 있으므로 조정 없이도 정확한 전압을 기대할 수 있는 리니어 레귤레이터이다(그림 I).
2. 실제 회로
전문가라면 ‘그렇게 쉽게 될 리가 없다’ 라고 얘기할 것이며, 그 말이 맞다.
OP 앰프를 사용한 버퍼 앰프의 출력 임피던스는 고역에서는 높아지므로, 주파수가 높은 신호 전류가 가상 그라운드에 흐르면 전위가 변동한다. 이 변동을 억제하기 위해서는 콘덴서를 추가하고 고역 임피던스도 낮춘다. 주파수가 높은 신호는 콘덴서를 통해 0V 라인에서 흘러나간다. 그러나 이 콘덴서가 수상한 존재로 되어 OP 앰프를 발진시킨다(자세한 내용은 ‘OP 앰프는 출력에 콘덴서를 직접 연결할 경우 발진한다’ 참조).
실제로는 출력 회로를 그림 15와 같이 한다. 이 회로는 위상 지연을 작게 억제할 수 있다. 중점에 흘러들어가는 전류 중 주파수가 높은 성분은 콘덴서로 바이패스되고, 주파수가 낮은 신호 전류는 OP 앰프가 흡수한다. 더 큰 전류가 흘러도 안정적인 그라운드를 구성하려면 그림 15(b)와 같은 트랜지스터를 추가한다.
3. 전원을 띄우면 안심할 수 있다
앞에서 설명한 가상 그라운드를 가진 장치를 다른 기기, 예를 들면 측정기 등에 연결할 때에는 서로 그라운드 전위가 다르므로, 안이하게 접속할 경우 그라운드끼리 쇼트되고 대전류가 흘러 회로가 파손될 가능성이 있다.
그라운드 측의 단자가 케이스에 확실하게 접속되어 있는 경우에는 이 가상 그라운드 회로를 사용하지 않는 편이 좋을 것이다. 단, 전지나 그림 16에 나타난 바와 같이 그라운드를 띄워서(플로팅하여) 사용하는 것을 전제로 하는 전원장치라면 문제없다.
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