LED 조명 파워모듈(Power Module) 해부

지난번에 분해한 LED 조명이 있었죠? 그때 열어 봤던 파워모듈이 어떻게 동작하는지가 궁금해졌습니다.

고장난 LED 조명에서 떼어낸 파워모듈입니다.

기판에는 저항(resistor)이 보이네요. 파란빛의 나란히 2개가 있는 부픔, 그 위쪽으로 원통형 부품, 오른쪽에 보이는 가장 큰 부품은 생긴 것은 모두 다르게 생겼지만, 커패시터(Capacitor; 우리말로는 축전기라고도 합니다.)라는 부품입니다. 가운데에 머리에 띠 두르고 나란히 있는 4개의 부품은 전류를 한쪽으로만 흐르게 하는 다이오드(Diode)이구요, 그 아래 투명한 관처럼 생긴 것은 과전류가 흐르면 차단하게 될 퓨즈(Fuse)입니다. 사진에 잘 찍히지는 않았는데 원통처럼 생긴 커패시터 아래에 있는 검은 부품은 파워 서미스터(Power thermistor)라고 부르네요. 

 

마지막 제품이나 결과물에서부터 도면이나 입력을 찾는 것을 리버스 엔지니어링(Reverse Engineering)이라고 합니다.

별로 복잡해 보이지가 않아서 눈으로 보면서 거꾸로 회로도를 그려 보기로 했습니다. 저항의 색깔 코드는 "황-자-황"이네요. 470 kΩ이지요. 이렇게 겉으로 드러난 부품의 용량이나 부품번호로 부품을 식별하고, 기판의 배선을 하나하나 되짚어가며 회로도를 그리는 것입니다. 물론 최초 설계자의 의도를 정확히 파악하지 못할 수도 있습니다. 최대한으로 추정을 할 뿐이지요.

기판의 배선을 보면서 그려낸 회로입니다.

저와 같은 경우는 약전(弱電)을 주로 다루어 왔기 때문에 전원에는 보통 낮은 전압의 직류(DC; Direct Current) 전원을 사용해 왔습니다. 이 회로는 교류(AC; Alternating Current) 전원을 받는 회로인데, 약전을 주로 다루던 제가 많이 다루던 회로는 아닙니다. 우스갯소리로 약전(弱電)은 손을 가져다 대면 "앗!"하고 놀라는 정도의 전기고, 강전(强電)은 손을 가져다 대면 "으악!"하고 쓰러지는 정도의 전기라고 하기도 하는데, 우스갯소리니까 절대 따라 하진 마세요. 

위에 손으로 그린 회로도에서 N과 H로 표시된 단자는 Neutral, Hot이라고 하는 우리집에 들어오는 교류 전기의 두 선입니다. 기판 위에 표시된 대로 썼습니다. 교류 220V 선입니다. 전기를 하시는 분들은 이것을 단상 입력이라고 부르시더군요. 단상의 두 단자는 서로 180도 위상 차이가 난다고 하지요. 아래쪽으로 접지(Ground) 표시가 보일 것입니다. 이 부분은 모든 접지의 기준, 어스 그라운드(Earth Ground)인데, 보통 제가 위에 표시한 이 기호는 국지 접지(Local Ground)를 나타낼 때 많이 사용하고, 어스 그라운드는 보통 사선으로 많이 표시하는데 중요한 것은 아닙니다. 무슨 의미냐면 다음 그림에서 빨간색과 파란색이 어스 그라운드를 기준으로 나타나는 Hot 또는 Neutral의 전압이고, 이로 인해서 N-H 사이에는 초록 색의 전압차가 나는 것입니다. 위쪽의 +, 아래쪽이 -인데, 전기에서 -는 전기의 방향이 바뀜을 의미합니다. 

단상(Single Phase)의 교류를 그려 본 것입니다.

어쨌든 우리가 설계하고 사용하는 모든 회로의 국지 접지는 이 절대적인 접지인 어스 그라운드와 커패시티브 커플링(Capacitive Coupling)되어 있다고 이야기하는데, 자세한 이야기는 나중으로 미룰게요. 오른쪽에 VCC와 GND라고 되어 있는 단자가 직류로 바뀐 부분이고 LED가 연결되는 부분입니다. 여기에서 GND라고 표시된 단자가 직류 영역에서의 국지 접지가 되겠습니다. 기판에 표시된 대로 썼습니다. 

표시된 부분은 퓨즈(Fuse)입니다. 큰 전류가 흐르면 끊어져서 전류의 흐름을 막아 버리죠.

위에 표시한 부분은 퓨즈(Fuse)입니다. 과전류가 흐르는 경우에 끊어져서 과전류가 흐르는 것을 막는 소자입니다. 과전류는 부하(Load) 쪽에서 합선 같은 불량으로 나타날 수 있죠. 요즘에는 집집마다 누전차단기가 있지만, 예전에는 두꺼비집이라고 퓨즈를 사용했었습니다. 요즘도 사용되는 곳이 있나 모르겠네요. 

가운데 자리잡은 것은 브리지 다이오드(Bridge Diode) 회로로 교류를 맥류로 바꾸는 역할을 한다다고 말합니다.

위에 표시한 부분의 회로는 한 번씩 어디서 보신 분들도 있을지 몰라요. 유명한 다이오드 브리지(Diode Bridge) 회로입니다. 양쪽으로 흐르는 교류를 한쪽 방향으로 흐르는 맥류로 바꾸어 준다는 회로입니다. 위에서 그려 본 교류의 파형을 생각한다면, 교류에서는 N 단자가 H 단자보다 전압이 높은 경우가 있을 수 있고, 또 H 단자가 N 단자보다 전압이 높은 경우가 있을 수 있습니다. 그때마다 4개의 다이오드 중 정방향 바이어스(forward baised) 되는 다이오드가 달라져서, 이 다이오드 브리지 앞단에서는 계속 방향이 바뀌는 교류가, 뒤단에서는 항상 한쪽 방향으로만 전기가 흐르게 됩니다. 중고등학교 때, 기술이나 공업 과목에서 배웠던 내용을 되짚어 본다면 한 번쯤 보았던 기억이 있는 회로일 것입니다. 이 회로는 4개의 다이오드로 구성을 할 수도 있고, 하나의 브리지 다이오드 모듈로 되어 있는 경우도 있습니다. 초보자에겐 브리지 다이오드 모듈이 사용하기가 쉽죠. 교류 입력과 맥류 출력 쪽이 모두 표시가 되어 있으니까요. 여기에서는 1N4007 다이오드 4개로 구성을 해 놓았네요. 

이 부분들은 노이즈 필터(Noise Filter)로서 구성을 해 놓은 것으로 보입니다.

위에 표시한 부분들은 노이즈 필터(Noise Filter)로 보아야 할 것 같습니다. 왼쪽의 교류측에 있는 것은 확실히 노이즈 필터라고 해야 할 것 같고요, 오른쪽 직류 측에 있는 것은 평활 회로(smoothing circuit) 겸 필터로서 설계된 것 같습니다. 저항은 커패시터의 방전을 위해서 사용이 된 것 같네요. 평활 회로는 쉽게 말해서 계속 변하는 전압을 평평하게 만드는 회로로 보면 됩니다. 교류는 그때그때의 전압이 변하니까 직류로 구동되는 LED를 위해서는 전압이 일정하게 될 수 있도록 평평하게 만들어 줄 필요가 있으니까요.

흔히 NTC로 불리는 파워 서미스터(Power Thermistor)입니다.

위에 표시한 부분은 파워 서미스터(Power Thermistor)로 불리는 부픔입니다. 흔히 NTC라고 불리는 것 같은데, 정확하게는 NTC 서미스터입니다. 서미스터에는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터와 PTC(Positive Temperature Coefficient) 서미스터가 있습니다. 서미스터는 온도에 따라서 저항이 변하는 부품인데, 이것이 온도가 올라갈 때 저항이 낮아지는지 아니면 높아지는지에 따라서 음의 온도 계수(NTC)를 갖는다, 양의 온도 계수(PTC)를 갖는다고 하는데, 여기에 사용된 것은 음의 온도 계수를 가지는, 온도가 높아지면 저항이 낮아지는, NTC 서미스터입니다. 전원 회로에 사용되는 NTC 서미스터는 파워 서미스터라고 불리기도 하는 것 같은데, 자체 발열을 이용하는 것으로 보이네요. 무슨 의미냐 하면, 처음에는 저항이 큰 값으로 시작해서 전류가 흐르면 소자에 열이 나고 그 열에 의해서 저항이 떨어지는 효과를 말하는 것입니다. 전원 회로에 설계된 NTC 서미스터는 돌입전류(inrush current)를 방지하는 역활을 한다고 하는데요, 처음에는 큰 저항을 가져서 전류를 제한하다가 전류가 계속 흐르면서 열이 나고 저항이 낮아지면서 전류를 흘려주게 됩니다. 돌입 전류는 전압이 갑자기 가해졌을 때, 부하 쪽의 커패시터를 충전하기 위해서 흐르는 큰 전류를 말하는데, 이것은 커패시터의 성질에 대한 이해가 좀 있어야 하겠네요. 이것은 다음으로 미룰게요. 여기에 사용된 파워 서미스터의 부품번호는 50D-9이라고 되어 있는데, 50은 상온 저항이 50Ω이라는 의미이고, D-9은 원형으로 지름이 9mm라는 뜻이라고 합니다. 

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이 부분에 대해서 고민을 많이 했습니다. 도대체 이 회로는 뭘까?

위에 표시한 부분이 Hot 쪽의 라인에 직렬로 연결이 되어 있습니다. 이런 회로는 많이 다루어 보지 않아서 왜 이런 식으로 회로를 꾸몄을까 궁금했었죠. 그래서 다이오드 브릿지에서 바이어스 되는 방향에 따라 그때그때 전기가 흐르는 것이 어떻게 다른 지부터 살펴보았습니다. 

N측이 H측보다 전압이 높은 경우의 전기의 흐름입니다. 전류는 N측에서 H측으로 흘러 나가겠죠.

220V 교류의 위쪽 반주기, 즉 N측이 H측보다 전압이 높은 경우에는 위의 그림처럼 연결이 될 것입니다. 전류는 N 측에서 출발하여 H 측으로 흘러 나가겠죠. 오른쪽의 직류 측에는 LED 모듈이 연결될 텐데, 전기가 N 측에서 H 측으로 흐르니 정방향 바이어스(forward biased)가 되겠습니다. 

H측이 N측보다 전압이 높은 경우의 전기의 흐름입니다. 전류는 H측에서 N측으로 흘러 나갑니다.

220V 교류의 아래쪽 반주기, 즉 H측이 N측보다 전압이 높은 경우의 그림입니다. 전류는 H 측에서 출발하여 N 측으로 흘러 나갈 텐데, 여기에서 주목할 점은 다이오드 브리지 회로 때문에 이 경우에도 부하에 연결되는 LED 모듈은 정방향 바이어스 된다는 것입니다. 다시 말해서, 220V 교류의 양의 반주기가 되었든 음의 반주기가 되었든 LED 모듈은 정방향 바이어스가 된다는 것입니다.

여기에 연결되는 LED 모듈은 $V_F=2.5V$인 LED 30개를 직렬로 연결해서 ${V_F}_{total}=75V$일 것이라고 했었죠?

 

다시 원래대로 돌아가서, 어떠한 경우든 우리가 궁금해하는 470kΩ 저항과 2.4uF 커패시터의 병렬 회로는 전류가 흐르는 중간에 위치하게 됩니다. 어찌되었든 전류를 제한하기 위한 목적으로 사용된 것이긴 한 것 같네요. 그러면 이 부분을 임피던스(impedance)로 해석을 해 보도록 하겠습니다. 임피던스는 신호의 주파수의 개념을 더하여 전류의 흐름을 방해하는 성분이라고 생각하면 됩니다. 저항과 같은 뜻인 것 같지만, 저항이 주파수와는 무관하게 전류의 흐름을 방해한다면, 임피던스는 주파수에 따라 방해하는 정도가 달라지게 된다고 생각하면 되겠습니다. 

470kΩ 저항과 2.4uF 커패시터의 병렬 회로의 임피던스는 $\textbf{Z}=1105\angle\underline{-89.865^{\circ}}Ω$입니다. 자세히 계산하는 법은 뒤로 미루고, 온라인 계산기를 사용해서 그 값만 알고 가는 것으로 하죠. 우리 집에 공급되는 교류 전기는 60Hz의 주파수를 갖습니다. 역시 옴의 법칙은 어김 없이 적용되어 전류와 전압의 관계는 $\textbf{V}=\textbf{I}\textbf{Z}$로 쓸 수 있습니다. 임피던스의 절대값을 $|\textbf{Z}|=1105Ω$와 같이 나타냅니다. 절대값으로만 따지면 저항과 다를 바가 없습니다. 60Hz의 교류 AC 150V와 직렬로 연결된다면, 전류는 $\frac{150V}{1105Ω}$와 같이(물론 V/Ω=A 입니다.) 될 텐데, 그럼 $\textbf{Z}=1105\angle\underline{-89.865^{\circ}}Ω$와 $R=1105Ω$이 무엇이 다를까요? 

$\textbf{V}=150V$인 경우, $R=1105Ω$라면 $\textbf{I}\approx0.135A$입니다. 그리고, 전류와 전압은 위상도 일치합니다. $\textbf{Z}=1105\angle\underline{-89.865^{\circ}}Ω$라면, $\textbf{I}\approx0.135\angle\underline{89.865^{\circ}}Ω$입니다. 전류가 전압보다 위상이 약 $90^{\circ}$ 빠르게 나타난다는 의미입니다. 무슨 소린지 잘 모르겠지요? 잘 몰라도 됩니다. 직관적으로 다음에 나오는 그림을 보면서 생각해 보죠. 양쪽 그래프 모두 파란색은 교류 전압의 변화를, 초록색은 전류의 변화를 나타냅니다. 

왼쪽은 저항과 케패시터 조합에 의한 전압과 전류, 오른쪽은 순수한 저항에 의한 전압과 전류 관계입니다.

위의 두 그래프를 들여다 보면 전류의 진폭은 두 가지 모두가 동일한 것을 알 수 있습니다. 즉, 전류를 제한하는 효과는 동일하다고 얘기할 수 있을 것 같습니다. 다른 점이 있다면 저항과 케패시터 조합의 경우에는 전압과 전류의 파형이 어긋나 있고, 저항만으로 제한한 경우에는 전압과 전류의 파형이 일치한다는 것입니다. 

매 순간의 전력은 $P(t)=V(t)I(t)$가 되고, 소모되는 에너지는 $E(t)=\int_{t}P(t)dt$가 됩니다.

저항의 경우에는 전압과 전류의 위상이 일치되기 때문에 전압이 양(+)인 경우에는 전류도 양(+), 전압이 음(-)인 경우에는 전류도 음(-)이 됩니다. 전압과 전류의 곱은 항상 양(+)이 되어서 소모되는 에너지도 양(+)이 됩니다. 시간이 지남에 따라서 계속 소모되는 에너지는 증가합니다. 저항은 에너지를 소모하게 되는 것입니다. 저항과 커패시터의 조합은 전압과 전류의 위상이 어긋남에 따라서 전압과 전류의 곱이 양(+)도 되었다가 음(-)도 되었다가 하기 때문에 시간에 지나가도 소모되는 에너지가 저항만 있는 경우처럼 증가하지 않습니다. 전류의 제한은 같은 효과를 갖지만 소모되는 에너지가 다르다?

단순히 전류와 전압의 크기만을 생각한다면 $P=VI$가 되겠지만, 전압과 전류의 위상이 달라지는 경우 실제적으로 소모되는 전력은 위에 우리가 살펴본 대로 $VI$가 아닙니다. 전압과 전류의 위상차가 있는 경우 실제로 소모되는 전력을 유효전력(Active Power)라고 하고, $P_a=VI\cos{\theta}$가 됩니다. 전압과 전류의 크기만을 고려한 $P=VI$를 피상 전력(Apparent Power)라고 부르고, $PF=\frac{P_a}{P}$를 역률(Power Factor)라고 합니다. 

다시 돌아가서, 왼쪽 회로에서 소모하는 유효전력은 $150\times1105\times\cos(89.865^{\circ})$가 되고, 오른쪽 회로에서는 $150\times1105\times\cos({0}^{\circ})$가 됩니다. $\cos(89.865^{\circ})\approx\cos(90^{\circ})=0$이 되므로, 전류를 제한하기 위하여 소모하는 전력은 거의 없다고 생각할 수 있겠네요. 저항으로만 제한하는 경우에는 전력이 그대로 저항에서 소모가 되는 것이고 말이죠. $\cos0=1$이니까요.

아마도 이렇게 교류를 받아서 정류회로만 거쳐서 전류 제한 임피던스에서는 거의 전력 소모를 하지 않게 하면서 LED를 위하여 전류를 제한한 모양입니다. 물론 직류 회로에서는 어림도 없는 이야기지요. 교류에서는 이렇게 하기도 하는 모양이군요.