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회로도전자부품
2014.01.22 16:37

저항(resistor)

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저항(resistor)

 

복사 : 전자공학 실무강좌

내용이 너무 좋아서 소장할 가치가 있는 자료

 

"저항이 있어야 전압이 걸린다"

 

 

'오옴의 법칙 : V = IR'에 정말로 충실하게 작동

 

 

"도대체 여기에 왜 저항이 필요한거야?"
"여기엔 얼마짜리 저항을 써야하지?"

만일, 당신이 아직 이런 질문에 이르지 못했다면, 미안하지만, 이 글은 나중에 다시 읽어보는 것이 낫겠다.

아직, 당신은 저항에 대한 의문과 절실함이 없기 때문이다.

 

우선, 자주 쓰이는 회로에서 각각 저항을 어떤 이름으로 부르는 지 살펴보고, 각자 들어본 것이 몇개나 되는지 동그라미 한 번 쳐보기 바란다.

"전압분배 저항, 전류-전압 변환 저항, 전류제한 저항, 풀업 저항, 풀다운 저항,  ..." (또 뭐 없나?)

하여튼, 저항이란 이름은 하나지만, 앞에 붙는 "호칭"이 많다.

요기서 언급한 호칭들에 대해서만 살펴보는 것 만으로도 실무 1년차인 당신에겐 벅찬 일일 것이므로, 나머지 별 요상한 이름으로 불리는 경우에 대해서는 나중에 각자 살펴보도록.

각 경우의 이야기에 들어가기 전에 한가지...
그래도, 저항이란 놈이 가지는 공통적인 성질은 간단하게라도 짚어보고 넘어가야지?

자 오옴의 법칙 V=IR 이란 : 저항의 정의를 표현하는 것인데,그러니끼니...저항값(R)을 모르는 경우에는 저항 양단에 전압(V)을 걸고 전류(I)를 측정해보면 된다.  전압을 1 V 걸었더니 1 A 전류가 흐르더라. 그러면, 그 회로의 저항은 1 오옴이 된다. 그러면 2V 걸면 2A, 3V 걸면 3A ....모든 경우에 저항은 1 오옴.

여기까진 다 아는 이야기일테고...

직관적으로 반드시 이해해야 할 중요한 성질이 있다. 전자가 흐르는 것을 막는 저항이 있기 때문에 전압의 차이('전압강하' 라고도 한다.)가 생긴다는 것이다. 전자회로를 꾸며놓고 전압계로 저항 양단의 전압을 재보면 그 차이값을 알 수 있다. 왜 그러한 차이가 생기는가?

전압이라는 것은 전자를 흘러가게 하는 밀거나 당기는 힘이라고 할 수 있는데, 저항이라는 것은 전자를 밀거나 당기는 힘을 약하게 한다. 그래서 전자회로에서 저항을 지나기 전과 저항을 지난 후의 전압은 차이가 생기게 된다.

이해를 돕기위해서 문제를 하나 내보겠다. 지름이 10 m가 넘는 커다란 두 개의 수도관이 있다고 하자. 하나는 새 것이라서 내부가 깨끗한 것이다. 또하나는 10년 전에 설치된 것으로서 수도관 안쪽에 뭔가 딱딱한 것이 다닥다닥 붙어서 실제로 물이 흘러갈 수 있는 구멍은 1cm 밖에 되지 않는 것이다. 자 수도 공사에서 힘껏 물을 밀어 넣으면 수도관을 통과하기 전과 통과한 후의 물이 흘러가는 힘은 어떻게 되겠는가? 깨끗한 수도관쪽은  통과하기 전이나 통과한 후나 별반 차이가 없겠지만, 다 막혀가는 오래된 수도관을 통과한 쪽에서는 물이 그저 힘없이 졸졸졸 흐르고 있을 뿐이다.

저항을 지나면 전자를 당기는 힘이 약해진다... 그래서 양단에 전압의 차이가 생긴다.

그럼, 본론으로 들어가 보자.

가. 전류-전압 변환

전압계를 이용해서 전류값을 알고싶을 때는 어떤 방법을 쓰는가? 전류값을 알고 싶은 곳에 저항을 연결고 저항의 양단에 걸리는 전압을 측정해보면 앞에서 말한 오옴의 법칙을 통해서 전류값을 알 수 있다. 실제로 전류 출력을 주는 센서의 신호처리 등의 경우에, 이 전류신호를 전압신호로 바꾸어서 처리하는 경우가 많다. 간단히 표현하면 아래 그림과 같은 형태로 저항을 배치하게 된다.
이 그림에서 출력전압은 VOUT = IIN*R  이 된다. 참고로, GND는 그라운드(GROUND) 전압을 뜻하며, 보통 이 전압을 0V(기준전압)로 놓고 모든 전압을 표현한다.



나. 전압분배

직렬로 연결한 저항 두 개에 걸리는 전압('전압강하'라고도 한댓죠?)은 저항값의 크기에 따라 배분된다. 아래 그림에서 보다시피 간단한 산수계산을 통해서 배분되는 전압을 알 수 있다. 전원회로 등에서 제대로 전압이 출력(또는 입력)되고 있는지 확인하기 위한 전압 검출회로 등에서 많이 활용된다.


다. 전류제한

저항은 오옴의 법칙에 따라 전류를 제한할 수 있다. 전압이 일정하다면 저항을 크게하면 전류값은 떨어지니까. 아래의 회로는 발광다이오우드(LED, Light Emitting Diode)를 이용하는 곳에서 쉽게 볼 수 있다. LED의 밝기는 흘러가는 전류의 양에 따라 달라지므로, 원하는 만큼의 밝기를 낼 수 있도록 저항값을 결정하면 된다. 물론, 과전류가 흘러서 LED가 타버리는 것을 막아주기도 한다. 저항값을 조정할 수 있는 가변저항을 이용하면, LED의 밝기를 눈으로 보면서 조절할 수도 있다.


라. 풀업/풀다운

디지털 회로에서는 풀업저항/풀다운 저항을 많이 볼 수 있다.

왜냐하면, 디지털 회로에서는 high(보통 +5V를 쓴다)와 low(보통 GND 전압을 쓴다.)

두 경우만 사용하므로, 어정쩡한 값을 가질 위험이 있는 회로에서 분명하게 5V 아니면 0V 값을 가질 수 있도록 신호값을 붙들어매는 역할을 한다.


마. 기타...

그 외에도 발진회로 등에서 주파수나 다양한 회로의 시정수(time constant, RC회로 등에서 입력신호의 변화에 대한 반응속도를 결정하는 인자)를 결정하는 역할도 한다.

 

1.저항이 있어야 전압이 걸린다(저항 양단에 전위차가 생긴다). 왜?
2. 콘덴서는 직류는 차단하고 교류는 통과한다. 왜?



(1에 대한 생각)

앞강좌의 수도관 이야기를 다시 한번 떠올려보라. 전자가 아무런 방해물 없이 흘러갈 수 있다면, 전자가 처음 흘러나오는 곳이나 한참 흘러간 곳이나 전압의 차이는 당연히 없을 것이 아닌가? 반대로, "전자가 흐르는 것을 방해하는 것" 이것이 저항이다-을 만나게 되면, 저항을 지나기 전과 저항을 지난 후의 전자가 흘러가는 힘(또는 전자를 당기는 힘)에 차이가 생기게 되는 것도 당연한 일이다. 즉, 회로에서 저항을 지나기 전과 지난 후에는 전위차가 생기게 되는 것이다.

(2에 대한 생각)

콘덴서는 전자와 같이 직접 전자가 흘러갈 수 있지 않다. 다시 말하면, 회로가 끊어져 있다. 콘덴서 기호만 보아도  저항처럼 시작과 끝을 선으로 주욱연결한 것이 아니라 -||- 요렇게 끊어져 있지 않은가? 아니? 그럼, 콘덴서가 있으면 회로가 끊어진단 말인가? 그렇다면 회로가 성립이 안되잖아?
물론, 그렇진 않다. 전자회로 소자이므로 회로가 성립한다. 그 비밀은 지난 강좌에서도 말했지만, 전기장이라는 보이지 않는 것이 전자를 밀고 당기면서 건너편 회로에 전자의 움직임을 만들어 낼 수 있기 때문이다. 바로 여기에서 직류는 차단하고 교류만 통과시킨다는 콘덴서의 역할이 나오는 것이다.

직류라는 것은 전기장의 변화가 없다. 직류전압이 5V라는 것은 옛날에도 5V이고 현재도 5V, 그리고 미래에도 5V라는 이야기다. 그러니깐, 콘덴서의 양쪽편에 걸리는 전기장도 가만히 있고 전자가 흘러갈 수도 없고, 그냥 끊어진 회로나 마찬가지가 되는 것이다. 즉,직류전류는 차단된다.

반대로 교류, 즉, 전압의 변화가 있는 경우에는 콘덴서 한쪽에서 전압이 변하면서 반대편에 있는 전자를 밀었다가 놓았다가, 아니면 밀었다가 당겼다가[이과정을 흔히 '충전과 방전'이라고 한다] 하면서 마치 전자를 "통과"시키는 것과 같은 일을 하게된다. 교류전류가 흐르는 것이다. 실제로 콘덴서에 전자가 주루룩 흘러 넘어가는 경우는 없다. 아니 있기는 하다. 이런 일이 생기는 것을 "절연파괴"라고 하며, 우리 눈에는 냄새를 풍기면 타버리거나 순간적으로 뻥 터져버리는 콘덴서가 보이게 된다.


[참고1] <콘덴서와 저항의 값은 어떻게 읽는가?>

자, 복습은 이정도로만 하고, 이제 쓸모있는 말을 좀 보태자. 그래도 실무강좌니깐.

저항값 읽기

요즘 인터넷 사이트 뒤져보니깐, 세상에나...초등학교 5학년 실과시간에 저항색띠 읽는 법을 배우고 있더라. 한번 검색해보라. 초등학교 5학년도 하는데, 실무 1년차인 우리는 좀 더 자세히 알아보자.

일단, 전자소자를 표현하는 방법은 저항이건 콘덴서건 기본적으로 공통점이 있다. 모두 유효수자와 10의 제곱수로 나타낸다.

"당신의 말에 이의를 제기 합니다~! 대관절,

1) 1200 = 1.2   * 1000  = 1.2 * 103
2) 24000 = 2.4 * 10000 = 2.4 * 104

이렇게 수학식으로 길게 식으로 나타낸다 굽~쇼 ?"

그렇다. 너무 길다. 작은 소자 표면에 이렇게 길게 쓸 수는 없는 일. 그래서 생각해낸 것이 그냥 수자 세개만 쓰는 방법이다. 이렇게 말이다.

1) 122  = 12 00        [12 뒤에 붙는 0가 두개]
2) 243  = 24 000        [24 뒤에 붙는 0가 세개]

세번째의 수자가 뒤에 붙을 0의 개수이다. 근데, 저항은 옆으로 길죽하긴 하지만, 둥글게 생겨서 글자 쓰기가 쉽지 않다. 그래서 수자를 색깔로 표현한다.(콘덴서는 그냥 수자로 쓴다)

" 검, 갈, 빨, 주, 노, 초, 파, 보, 회, 백 "

검정, 갈색, 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 보라, 회색, 백색(흰색)의 머릿글자다. 앞에서부터 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 숫자를 의미한다. 그러니깐, 앞의 1), 2)의 값을 가진 저항표면에는 아래와 같은 색띠가 칠해진다.

1) 갈, 빨, 빨
2) 빨, 노, 주

근데, 저항띠를 직접 보면 한줄이 더 있다. 아니, 어떤 것은 두줄이 더있다.

3) 갈, 빨, 빨, (금색)
4) 빨, 노, 노, 주, (갈색)

이런식이다. 3)은 일반저항을 4)는 정밀저항을 나타내는 것이고, 마지막에 금색이나 은색은 저항값의 오차를 나타낸다. 오차도 색깔마다 다른 값을 나타낸다. 오차는 "± 몇%" 형태로 나타낸다.

갈색=±1%, 빨강=±2%, 주황=±0.05%, 초록=±0.5%, 파랑=±0.25%, 보라=±0.1%, 금색=±5%, 은색=±10%,  색띠없으면=±20%

이제 의미는 알았을테고, 저항값 읽는 것을 다시 정리해보면,

- 4색띠 : 일반저항 / 마지막 색띠가 금색이면 오차 ±5%, 은색=±10%,
- 5색띠 : 정밀저항 / 마지막 색띠가 오차...

3) 갈빨빨금    = 12 00 Ω ±5% = 1.2  kΩ ±5%
4) 빨노노주갈 = 244 000 Ω ±1% = 244 kΩ ±1%

단위는 물론 오옴(Ω)이다. 전자회로에서는 1~수십 kΩ 짜리를 많이 쓰게 되니깐, 일반저항을 쓰는 경우 세번째 띠에는 빨강이나 주황을 자주 보게 된다. 그리고, 오차색깔 같은거 외울려고 하지마라. 자주 하다보면 "검갈빨주노초파보회백" 저절로 외워지고, 나머지는 표를 하나 인쇄해서 책상에 붙여두고 필요할 때 읽으면 된다.


콘덴서값 읽기

콘덴서 값도 저항값과 나타내는 것은 마찬가지다.

1) 122  = 12  00   pF = 1200  pF (= 0.0012 μF)
2) 243  = 24  000  pF = 24000  pF (= 0.024 μF)

이렇게 쓴다. 단위는 pF(피코패럿) 이다. F(패럿)라는 단위가 너무 크다보니 앞에 p(피코, 10-12)나 μ(마이크로,10-6)를 붙여쓰는데, 단위가 표시 안되어 있으면 모두 pF 이다. 콘덴서는 용량이 크면 크기도 커지기 때문에 pF 넘는 것들은 단위까지 다 써놓으니깐 단위는 쉽게 알 수 있다.



[참고2] <콘덴서와 저항 고를 때 체크할 가장 기본사항>

저항

저항값, 오차(정밀저항은 회로도에 오차값이 표시되어 있다.), 와트수(정격전력) 등 세가지를 확인해야 한다.

와트수(소모전력)는 회로에서 전류값과 전압이 고정되어 있으면 P = I2R =  V2/R로 구하고, 전류 전압값이 유동적이면 순간 최대 전류를 기준으로 구한다. 구해진 값의 3~4배를 만족하는 저항으로 선택하면 문제가 없을 것이다.

5V 전원의 전자회로에서는 1/4 W 를 많이 쓰는데, 이는 주로 kΩ 단위의 저항을 쓰기 때문이다. 전원 5V에 1 kΩ 저항을 생각해보면,

P =  V2/R = 25 / 1000 = 0.025 [W]

이므로 1/4 W = 0.25 W 저항을 쓰면 계산값의 10배가 되므로 충분히 안전하다.

저항값이 낮은 것을 쓰는 경우에 특히 주의해야 하는데, 이경우는 반드시 소모전력을 계산해서 여유있는 저항을 사용하도록 해야한다.


콘덴서

용량값, 정격전압, 극성유무(각 다리를 +극과 -극을 가려서 연결해야 하는 것을 전해콘덴서라고 한다.)를 확인해야 한다.

고전압에서 쓸경우 특히 정격전압을 확인해야 하는데, 이 경우에도 회로상에서 콘덴서에 걸릴 수 있는 최대전압보다 약 3배 이상의 여유를 두는 것이 일반적이다.

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