전장설계 시, 필요한 SMPS(스위칭 모드 파워 써플라이)의 원리와 용도를 찾고 있나요?
영어도 처음 배울 때, 단어를 배우는 것처럼 우리가 사용하는 제품의 원리 및 용도를 알아야 합니다.
인터넷에서 ‘SMPS’를 검색하면, 동작원리는 많이 나와 있지만, 어떤 용도로 사용하는지 알려주는 곳이 없어 이 글을 작성하게 되었습니다.
그럼 우리가 알아야 할 제품의 원리와, 용도를 알아볼까요?
이 포스팅은 쿠팡 파트너스 활동의 일환으로, 이에 따른 일정액의 수수료를 제공받습니다.
1. SMPS(스위칭 모드 파워 써플라이)의 원리
출처:weidmuller 홈페이지
SMPS(스위칭 모드 파워 써플라이)는 전장설계 부분에서는 거의 필수적으로 들어간다고 해도 무방합니다.
이 제품은 간단하게는 AC전원을 DC전원으로 변환하는 장치입니다.
실제로 가정에서도 많이 쓰이며, TV, 모니터, 휴대폰 충전기, 컴퓨터 등 대부분의 기기기에서 많이 쓰이며, 산업용으로는 센서의 공급전원, Remote I/O Card, Hub, Touch, PLC, Safety, 시퀀스 회로 등 많은곳에서 사용됩니다.
자 그럼 SMPS의 원리에 대해서 알아볼까요?
1.1. SMPS의 원리
출처:techweb 홈페이지
SMPS 의 주요 회로는 브릿지 회로 -> 평활 회로(콘덴서) -> 스위칭 회로 -> 반파정류 회로 로 이루어져 있습니다.
위 회로들이 저도 몰랐을 때는 “무슨 말이지? 전장설계에 필요한 건가?” 할 정도로 약간 복잡한 회로들 인데요. 제가 지금 생각해보면, 전장설계에도 전자회로가 필요할 때가 은근히 많더라고요.
그럼 시작할께요~
1. AC전원이 공급되면 브릿지 다이오드 정류기를 거쳐 직류 형태로 만들며, 콘덴서를 통해 거의 완벽한 직류회로로 만듭니다.
출처:techweb 홈페이지
- 브릿지 다이오드의 회로를 거치면 교류 파형에서 아래 – 부분만 제거 됩니다.
- 콘덴서(평활회로)는 쉽게 설명드리면, 풍선이라고 생각하시면 됩니다. 우리가 풍선을 불때는 “후우 후우~” 하며 불규칙적으로 공급을 하게 되는데, 풍선에서 바람이 나올때는 바람이 거의 일정하게 나옵니다. 이와 비슷한 원리 입니다.
2. 스위칭 소자를 On/Off 하여 높은 DC 전압을 자르고, 고주파 트랜스를 통해 공급에너지를 2차즉으로 전달 합니다.
- 스위칭 주파수는 입력 주파수의 50/60Hz 에 비해 매우 높은 kHz 주파수를 이용합니다.
- 이때는 매우높은 Hz 의 AC 회로로 변환 됩니다.
3. 고주파 트랜스를 전압 변동을 하여 2차단으로 공급됩니다.
4. 다시 이 회로를 이번에는 브릿지 회로가 아닌 반파정류 회로(위 그림 참조)를 거쳐 DC 직류 회로로 만들어 출력합니다.
- 하지만, 2차단의 전압은 연결된 부하의 변동에 따라 변화할 수 있습니다. 이러한 불균형으로 인해 제어회로에서 2차단의 전압 변동 수준이 1차단으로 전달 됩니다. 이 피드백 신호로 인해 스위칭 수준을 변경하여, 2차단의 전압을 일정하게 만듭니다.
정리 하자면,
- SMPS 는 AC -> DC -> AC(kHz) -> DC 순서로 변환 한다.
- 주요 회로는 브릿지 회로 -> 평활 회로+콘센서 -> 스위칭 회로 -> 고주파 트렌스 -> 반파정류회로+콘센서 로 이루어져 있다.
최대한 풀어서 설명 드리긴 했는데, 이해 하였으면 좋겠습니다.
1.2. SMPS 용도
SMPS는 위에서 설명한대로, AC전원을 DC로 변경할 때, 즉 DC 로 이용하는 모든 부품에 사용됩니다. 하지만 전장설계 시, 어디에 적용 되는지 말씀드리겠습니다.
1.2.1. 제어회로
고객사의 사양에서 1차측 전원과 2차측 전원이 절연 되어야 항목이 있는 경우가 있습니다. CE인증(LVD, EMCD) 및 UL508A(제어반 생산 공장)인증에서 활용 됩니다.
- CE 인증에서는 제어회로는 1차측 전원과 2차측 전원이 절연(Isolation)이 되어야 함.
- UL508A 인증에는 제어회로는 1차측 전원 과 2차측 전원이 절연(Isolation) 되어야 한다는것과 동시에 150V 이하 전압을 사용 명시.
절연이 된다는 것은 [변압기 설명 글]에서 ‘1.1. 변압기의 원리’에서 확인 하실 수 있습니다.
위에서 1.1. SMPS의 원리에 대해서 설명 드렸을때, 고주파 트렌스(변압기)가 있다고 말씀드린 부분 기억 나실 겁니다.
이 부분으로 인하여 SMPS를 이용하여 제어회로를 구성하면, 앞단에 변압기를 설치하지 않으셔도 됩니다.
1.2.2. Safety 회로 구성
여러분들은 ‘안전전압’ 이라는 말을 들어보셨나요?
우리 나라도 산업안전 보건법에 명시 되어 있고, 세계 각국에서도 나라별로 안전전기가 명시되어 있는데요, 여기 표를 보실까요?
우리나라는 30V 이고 대부분의 나라가 30V 이하 를 체택하고 있죠?
위와 같은 경우로 인해 대부분의 Safety PLC, Controller 는 24V 를 쓰는것이 일반적 입니다.
제가 많이 사용한 제품은 Omron社 ‘G9SP-N20S’ 제품 및 Pilz社 ‘PNOZ m B0’ 라는 제품을 많이 사용 했는데 위 제품들의 입력전압은 DC24V 를 채택하고 있습니다.
- Safety 회로는 안전전압을 지켜야 하며 대부분의 나라는 30V 이하.
- 대부분의 Safety 자재는 24V 를 채택.
위와 같은 이유로 인해 제어 회로 및 Safety(안전) 회로에 적용되는 경우에는 SMPS 를 사용하여 보통 24V 를 사용 합니다.
부족하지만 여기까지 봐주신 여러분들께 감사합니다.
다음 강의에서는 Relay(릴레이)의 원리와 용도를 알려 드리겠습니다.
“Step By Step” 라는 말이 있습니다. 여러분들도 꾸준하게 제 글을 봐주신다면 전장설계를 좀더 쉽게 다가가실 수 있으실 겁니다.
긴 글 읽어 주셔서 감사합니다. 다음시간에 뵙겠습니다.
