쉽게 배우는 소자 - 저항
1. 개요
저항....! 전자공학을 전공하지 않았더라도 고등학교에서 V=IR이라는 옴의 법칙은 누구나 들어봤을 것입니다.
하지만 태브난 정리와 노턴의 정리에 치여 저항의 '저' 자도 보기 싫은 전자공학도를 위해 저항의 정보와 실무적으로 저항이 어떻게 사용되는지를 소개하고자 합니다.
2. 소개
저항은 기본적으로 전류의 전기적 흐름을 방해하는 수동소자입니다.
관련 유명한 법칙으로 옴의 법칙 V=IR이 있습니다.
수동소자(passive element, passive component)는 공급된 전력을 소비·축적·방출하는 소자로, 증폭 정류 등의 능동적 기능을 하지 못하는 소자를 말한다.
저항의 값을 정하는 공식은 다음과 같고 p=저항의 재질 L= 길이 A= 단면적으로 정해집니다.
도로이라고 생각하면 쉽습니다. 도로가 길고 좁을수록 통과하기 어렵다.
(그 외 재질에 따른 온도 계수도 존재하니 제품을 개발 시 고려해야 한다.)
그런데 궁금하지 않으신가요?
왜 굳이 잘 흐르는 전류의 흐름을 방해하고 에너지를 소모할 필요가 있을까요?
다음과 같은 예로 설명이 가능합니다.
보기는 자주 예시로 쓰이는 아두이노 회로입니다.
만약 여기에 저항이 없다면 어떨까...??
LED는 나중에 설명하겠지만 다이오드입니다.
지금은 일정 전압(Forward Voltage) 만큼 입력 전압(5V)을 낮추는 소자라 생각합시다.
Forward Voltage에 의해 전압이 일정 내려가지만 전류를 제한하지는 못합니다. (보통 Red_LED는 1.7V 정도 드롭된다.)
즉 구리 전선만이 저항의 역할을 수행하고 구리 저항이 0인 이상적인 환경이라면 아두이노와 GND 사이가 0옴이어서
옴의 법칙에 따라 전류가 무한대가 되어 버립니다. (우린 이걸 전문용어로 Short, 단락이라고 부른다.)
Short 란 전류가 의도하지 않은 매우 낮은 임피던스를 갖는 회로의 경로로 흐르는 것
무리한 전류를 끌어오면 아두이노도 터지고 LED도 터지는 불상사가 일어나게 됩니다.
그럼 저항 값을 어떻게 정해야 할까?
먼저 LED datasheet를 읽어야 합니다.
이 LED는 Forward Voltage가 약 2~3V가 나오고 최대 30mA의 전류가 흐를 수 있다는 걸 데이터 시트에서 보여줍니다.
가장 최악을 가정해야 하니 Forward Voltage는 2V로 위 식에 대입하면
R은 적어도 100옴보다 커야 합니다.
또한 저항을 사용 시 저항의 소비전력을 항상 고려해야 하는데
저항마다 버틸 수 있는 소비전력이 있으며 그 이상의 W가 지나갈 시 저항이 고장 날 수 있습니다.
다음과 같은 회로를 예시로 들어보겠습니다.
10V 배터리에 5옴의 저항이 부착되어 있다. V=IR에 의해 I는 2A가 흐를 것이고
소비 전력은
로 저항이 최소 20W를 버틸 수 있어야 합니다.
거기다 저항도 조금의 오차가 존재합니다. 오차가 5% 이내의 저항을 J급이라고 하고 오차가 1% 이내의 저항을 F급이라고 하는데 저항이 큰 경우는 문제가 없지만 반대로 작은 경우엔 20W를 넘어설 것입니다.
또한 파워 단에서 스파크 혹은 노이즈로 인해 전류가 갑작스럽게 많이 흐를 경우의 수도 고려해야 한다.
따라서 저항은 예상되는 전력의 * 1.2~1.5배 즉 24W~30W를 권장하고 있다.
저항이 직렬일 때와 병렬일 때 계산공식은 다음과 같다.
3. 종류
저항은 크게 4가지 종류가 있습니다.
- 칩 저항
- 일반 저항
- 와트 저항
- 시멘트 저항
| 칩 저항 | 일반 저항 | 와트 저항 | 시멘트 저항 |
| 1/32W , 1/16W , 1/8 W | 1/4W , 1/2W | 1W , 2W | 5W 이상 |
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칩 저항의 경우
사이즈는 1005 1608 2012 3225 등이 있다. 의미는 1005의 경우 가로 1.0mm 세로 0.5mm라는 뜻입니다.
사이즈가 클수록 소비전력이 높으며 멀티미터로 찍어보는 게 정확하겠지만 읽는 방법은 다음과 같습니다.
현업에서 주로 사용하는 저항은 이런 칩 저항일 것입니다.
일반 저항의 경우
저항의 사이즈와 색이 재질에 따라 들쭉날쭉합니다.
저항 값을 읽는 방법은 다음과 같습니다.
4. 실무적인 용도
전류 제한의 용도
위에서 이야기한 다이오드, TR 혹은 IC 같은 부품을 보호하기 위해 사용합니다.
흐르는 전류 양에 따라 고장 나는 부품도 존재하고 (가령 제너다이오드라던지)
흐르는 전류 양에 따라 전압을 조절하는 부품이 존재합니다.(TR)
방전의 용도
커패시터라는 소자가 있다. 충 방전이 가능한 소자입니다.
물론 이상적인 환경이 아니기에 커패시터의 전하는 공기 중을 통해 조금씩 방전되거나 연결된 다른 부하를 통해 빠르게 소모될 가능성이 있습니다.
하지만 사용이 종료된 시점에서 연결이 끊어져 방전할 곳을 잃어버리고 만약 방전을 안 한 상태로 기기를 다시 작동시키면 기기가 오작동을 일으킬 여지가 있습니다. (0을 1로 인식한다던지)
그래서 사용이 끝났을 땐 저항을 이용해 폐회로를 구성해 커패시터를 방전시켜줘야 합니다.
로 이는 63% 충전 혹은 방전 완료에 걸리는 시간입니다.
예를 들어 C는 10uF 이고 R은 10K 일시 걸리는 방전시간은
물론 이 회로에선 방전만 고려했기에 충전시간은 별개의 문제입니다.
99% 완충/방전에 걸리는 시간은 약 5t입니다.
디버깅 용도
처음 테스트 보드를 받았을 때 회로가 완벽할 수 없습니다.
숙련된 하드웨어 설계자도 실수를 하기 마련이고 체크를 해 보면서 어디에서 문제가 발생했는지 확인을 해야 합니다.
처음 확인해야 할 부분은 파워단으로 전류가 얼마나 소비되는지 확인해야 하는데
이때 전류를 측정 시 회로를 분리해야 한다는 불편함이 존재합니다.
이럴 때 존재하는 것이 Shunt 저항이며 Shunt 저항은 아주 낮지만 정확한 값을 가지는 저항으로 전압차를 측정해 전류 측정이 가능하게 합니다. 예를 들어
다음과 같이 0.1R짜리 Shunt 저항이 존재합니다.
그리고 V로 맞춘 멀티미터로 측정 결과 션트 저항 사이 0.5V 전압차가 존재한다면 회로에 흐르는 전류는 몇이겠는가? V=IR에 의해 I=5A가 됩니다.
전압 분배를 통한 ADC
전압 분배는 정말 많이 사용됩니다. 대표적으로 OPAMP나 부스트 벅 IC의 피드백 회로를 재현할 때 사용되기도 하고 OPAMP 비교기의 기준 전압을 맞춰줄 때 사용되기도 합니다.
하지만 위 이야기는 나중에 다루기로 하고 우선 저항과 관련된 간단한 회로부터 확인해 보자
제품을 생산하다 보면 항상 예외상황을 대비한 안전장치가 필요합니다.
가령 "우리 제품은 70도가 넘는 상황에 작동 시 폭발 위험이 있다." 이런 실험 결과가 있다면 어떻게 하겠는가?
부품이 70도가 넘어갈 시 작동을 못하게 막아야 하며 Thermistor라는 소자가 필요합니다.
NTC-Thermistor은 온도에 따라 저항의 수치가 변하는 소자입니다.
25도를 기준으로 정해진 값을 왔다 갔다 하는데 여기선 10K로 가정하겠습니다.
전압 분배 법칙에 의해 25도에선 ADC 전압 수치는 3.3/2 = 1.65V가 됩니다.
여기서 명심할 점은 ADC에 들어가는 전압이 MCU의 VADC값을 초과하면 안 됩니다. (VADC가 맥시멈 값!)
또한 Thermistor과 연결되어 있는 10K 저항은 오차를 최소한으로 줄이기 위해 F급을 사용해야 합니다.
위 그럼처럼 온도가 올라가서 NTC 저항값이 8K가 되면 ADC 전압 수치는 약 1.47이 될 것이고
온도가 내려가서 NTC 저항 값이 12K가 되면 ADC 전압 수치는 약 1.8V가 될 것입니다.
이러한 전압의 변화로 온도를 MCU에서 판단하고 ADC에 적힌 전압 수치가 낮아지면 알아서 작동 중지를 할 수도 있습니다.
풀업 풀다운 저항
그냥 바닥에 굴러다니는 구리 전선을 생각해 보자 이 녀석의 전압은 몇일까? 0V? 1V? 답은 "알 수 없다"입니다.
이 상태를 우리는 Floating이라고 부르며 정확히는 "0인지 1인지 알 수 없는 상태"임을 말합니다.
예를 들어보자 왼쪽 스위치나 오른쪽 스위치가 둘 중 하나라도 누르면(short) 위 전선은 0V가 됩니다.
그러나 둘 다 누르지 않았다면(open) GND와 연결이 되어 있지 않기에 위 전선은 전압이 몇인지 알 수가 없습니다.
또한 전선이기에 정전기나 다른 요인에 의해 크게 V가 GND에 비해 올라갈 수도 있고 내려갈 수도 있습니다.
이는 IC 입장에서 치명적입니다. 내가 스위치를 눌러야 1이고 누르지 않으면 0인 상황에서 작은 정전기에 반응해 1과 0이 바뀔 수 있는 상태라니.. 이게 핵 미사일에 들어갈 회로라고 생각하면 끔찍할 따름입니다.
이걸 보완하기 위해 생긴 개념이 풀업 풀다운 저항입니다.
풀업 저항의 경우
스위치를 누르면 5V와 GND 사이에 10K 저항이 있기에 IC1 값은 0V가 되고
스위치를 누르지 않으면 5V는 흘러갈 GND가 없기에 IC1 값은 5V가 된다.
솔직히 처음 배웠을 때 이 개념이 제일 아리송했는데
5V=10K*I에서 I는 흐를 수 없으니 10K 저항에 걸리는 전압은 0V입니다.
IC 부분도 기본적으로 OPEN 되어 있어 전류가 못 흐른다고 생각하면 됩니다. (전압 레벨만 체크 가능 1인지 0인지)
또한 I2C 통신에 풀업저항은 필수로 들어갑니다.
풀 다운의 경우
표로 정리하면 다음과 같습니다.
| 스위치 ON | 스위치 OFF | |
| 풀업 저항 IC1 value | 0V | 5V |
| 풀다운 저항 IC2 value | 5V | 0V |
RC 필터
안정적 DC 혹은 저주파 성분을 분석하는 환경에서 고주파 노이즈는 없을수록 좋습니다.
RC 필터(Low Pass Filter)를 이용하면 저주파 대역을 통과시키는데 R값과 C값이 커야 주파수를 넓은 범위까지 차단이 가능합니다. 자세한 내용은 추후 필터에서 알아보기로 합시다.
fc 주파수를 넘어선 고주파 성분은 커패시터에 의해 걸러집니다.
5. 마무리
다음 포스트는 커패시터입니다. 오류나 잘못된 내용은 댓글로 적어주시면 언제든지 환영입니다.
<본 포스트는 22.01.11일 마지막으로 수정하였습니다.>