전원전압의 Drop현상

전원전압의 Drop현상

 

 

1. 옴(Ohm) 과 전압,전류의 관계

기억하기는 쉬우나 써 먹기는 어려운 문제가 “V = IR”인 것 같다. 왜 그럴까?

그것은 다름 아닌 전류(I)를 간과하는데 서 그 원인 찾을 수 있다.

실제 Ohm의 법칙은 어떤 매질에 전압이 걸리면 전류가 흐르는데 이때 전압과 전류와는 서로 선형적으로 비례관계에 있다는 것이 Ohm의 법칙의 진실이다. 쉽게 말해 전압이 높아지면 흐르는 전류가 많아지고 반대로 전류가 많이 흐르면 걸리는 전압도 커진다는 의미이다. 따라서 V=IR을 생각할 때 아무리 적은 전류라도 흐르는 전류량을 절대 간과해서는 안 되는 것이다.

 

 

여기서 저항 ”R”은 대상매질이 전류를 얼마나 잘 흘리느냐 아니냐 하는 일종의 비례상수이며, 그 매질의 재질적 특성을 나타내는 것이라고 볼 수 있다. 금속성 물질이면 저항 값이 낮겠지만 절연물질이면 저항 값이 아주 높을 것이다.

전기회로에서 전압이 가해진다는 것은 중력과 같이 물체에 힘을 가하고 있다는 것이며, 전류가 흐른다는 것은 그 물체가 움직이고 있다는 의미로 대비 시킬 수 있다. 아무리 큰 힘을 가해도 움직이지 않는다면 소비되는 에너지는 없다고 볼 수 있다. 하지만 적은 힘을 가하더라도 아주 빠르게 움직인다면 상당한 에너지를 소비하고 있다고 보아야 한다. 따라서 우리가 전자회로를 구성하거나 측정할 때 전자회로는 동작하는 상태라면 전류의 흐름을 간과해서는 안되며, 전압/전류를 통해 그 회로가 소비하는 에너지를 어느 정도 예측할 수 있어야 할 것이다.

* P=VI”는 “V=IR”에 의해 전압이 가해지고, 전류가 흐를 때 그 저항이 열로써 소비한 에너지이다.

 

 

2. 전원과 전압의 관계

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실제 전자회로에서 간과되는 부분은 어떤 것이 있을까?

가장 큰 부분은 V=IR의 원인이 되는 전압/전류 원의 능력이 무한대라는 가정을 우리는 아무 생각 없이 하게 되는데 있는 것 같다.

< 우리가 흔히 간과하기 쉬운 전원 >

 

< 실제 전원 >

 

VCC=10V / RS=10.0Ohm / RL=1Kohm일 때

V=IR에서 VCC에서 보는 R=1010Ohm

따라서 I=9.9mA

VS=9.9mA*10Ohm=0.099V

VL=9.999V(전원내부저항 RS의 영향이 거의 없다)

 

 

3. 전원전압의 Drop현상

VCC=10V / RS=10.0Ohm / RL=10.0Ohm일 때

V=IR에서 VCC에서 보는 R=20Ohm

따라서 I=500mA

VS=500mA*10Ohm=5.0V

VL=5.0V (RL에 걸리는 전압이 절반으로 뚝!)

* 대개 전원의 전류제한을 낮게 설정하거나 부하가 Short되어 전원전압이 급격히 떨어지는 경우는 대부분 상기의 경우로 볼 수 있음.

 

 

4. 실제 회로의 경우

1) 5V Regulator

우리가 회로상에서 흔히 사용하는 Regulator의 경우는 Base단에 있는 ZD에 의해 Tr의 Collector로 나오는 출력전압이 결정되고( Emit flow ), RL에 공급되는 전류는 RS를 통해 VIN으로부터 당겨오는 구조로 되어있다.

VIN=10V / RS=200Ohm / RL=1KOhm일 때

VL에 흐르는 전류는 5V/1Kohm=5mA

따라서 RS에도 동일한 5mA가 흐르므로 VS=5mA*200Ohm = 1.0V

따라서 VCE = VIN-(VS+VL) = 10V-(1V+5V) = 4V

 

VIN=10V / RS=200Ohm / RL=200Ohm일 때

VL에 흐르는 전류는 5V/200Ohm=25mA

따라서 RS에도 동일한 25mA가 흐르므로 VS=25mA*200Ohm = 5.0V

따라서 VCE = VIN-(VS+VL) = 10V-(5V+5V) = 0V

* Margin이 전혀 없는 상태이며, RS가 200Ohm일 때 전류공급 능력은 25mA가 최대임을 알 수 있다.

 

VIN=10V / RS=200Ohm / RL=150Ohm일 때

VL에 흐르는 전류는 5V/150Ohm=33.3mA

따라서 RS에도 동일한 33.3mA가 흐르므로 VS=33.3mA*200Ohm = 6.67V

따라서 VCE = VIN-(VS+VL) = 10V-(6.67V+5V) = -1.67V

* 이 경우는 VL에 5V의 정상전압이 아닌 1.67V Drop이 발생한다. 앞의 설명처럼 전원의 공급능력이 부족하여 출력전압이 Drop된 상태이다.

 

2) 2전원 분압 회로

우리가 A-Dim시나 내부 PWM용 삼각파를 만들 때 많이 사용하는 회로이다. 하지만 설계시 마다 계산을 하려고 하면 그렇게 간단하지가 않다. Key Point는 R3에 흐르는 전류량의 적절한 조절에 있다.

 

 

3) 2전원 분압 회로 와 Set Matching성

인버터의 A-Dim회로는 잘 설계 되어있는데 Set와의 Matching문제가 야기되는 경우가 있다. 이것은 Set의 상황을 충분히 예측하지 못하고 인버터 내부회로 설계를 한경우이다. 대개 Set와 직접 연결되어 신호를 받는 회로부의 Impedance는 가능하면 높게 설계해야만 한다. 왜냐 하면 Set측에서 인버터로 주는 출력회로의 Impedance는 대개 낮게 설계되기 때문이다. OP-Amp의 원리처럼 입력 Impedance는 무한대로 하고, 출력 Impedance는 “0”라는 개념 과 같이 생각할 수 있다.

 

 

 

 

VCC=5V이고 R1, R2, R3, R4,R5가 모두 1Kohm일 경우

회로가 각각 분리된 경우에는

SET-out=2.5V가 형성되고,

IN에 전원으로 2.5V를 입력할 경우 Vout=2.5V가 나옴.

(*IN<->Vout는 서로 동전위기 때문에 전류의 유입유출이 없기 때문에 R2,R3의 1:1분압비의 전압이 출력됨)

 

 

회로가 연결된 경우에는 R4를 통해 흐르던 전류가 모두 R5로 가는 것이 아니라 R1과 R5로 나뉘게 되어 R5의 전압이 2.5V보다 낮아지게 된다.

따라서 SET-out=1.67V가 형성되고, Vout=2.23V가 나옴.

* 분리되어 있을 때와는 달리 SET-out전압 및 Vout의 전압상의 변화가 발생하였다. 그것인 저항치의 수준이 거의 동일 Level이기 때문에 SET-out로부터 R1으로 유입되는 전류가 발생하였다. 이 전류가 R5와 R3에 흐르는 전류의 변화를 가져왔고, 이러한 전류의 변화로 전압의 변화가 발생하였다.

 

4) RC충 방전회로의 새로운 시각과 응용

 

6) RC충 방전회로

R1과 C1는 그대로 두고 R2를 이용해서 이전 Page와 동일한 효과를 볼 수 있다.