전원부의 기본원리 : 전원을 안정적으로 공급하여 소중한 프로세서를 지켜주자

전원을 안정적으로 공급하자. 전원부의 원리에 대해 알아보자.

-레귤레이터, 캐패시터(콘덴서 충전시간), 디커플링. 3.3v regulator

우리가 일반적으로 사용하는 소자, 칩 등에는 사용 가능한 전압 범위가 있다.
우리가 사용할 메인 칩(마이크로 프로세서)은 DC 전압을 전원으로 사용하는데, 보통 5V, 3.3V등의 사용전압이 정해져있다.
(뭐 5v짜리 칩에 3.3v를 공급해도 기본적인 동작은 한다. 1과 0을 구분짓는 기준전압이 3.3v이하이기 때문에...)
어떤 외부 혹은 내부의 요인으로 인해 전압이 높아진다면 어떨까?
칩이 죽어버리고 말 것이다. 칩이 죽으면 내 마음은 어떨까? 가격이야 둘째치고 소켓없이 바로 기판에 땜질을 했다면 같이 죽고 싶을 것이다. 이러한 사고를 미연에 방지하고, 안정적인 전원을 공급하기 위해 보통 레귤레이터라고 하는 소자를 사용하게 된다.

5V를 얻기 위해 흔히 사용하는 레귤레이터인 7805는 위의 그림과 같이 생겼으며, 보통 열이 많이 발생하기 때문에 오른쪽 그림과 같이 방열판을 달아주기도 한다.
 7805에 열이 많이 발생하는 이유는 입력 전원을 5V로 낮추기 위해 5V 이상의 전원은 열로써 소모하기 때문이다.
예를 들어, 8V의 전원을 공급하면 3번 출력포트로 5V가 나오고 나머지 3V에 대한 에너지는 열로써 소모시킨다. 입력전압이 높을수록 레귤레이터는 더욱 뜨거워지고, 그만큼 열로 손실되는 전력이 많아진다는 얘기(뭐 난방기기로 쓰려면 상관없다)
하지만 어떤 요인에 의해 전압이 휘청되는 부분을 레귤레이터에서 잡아주어 칩에 안정적인 전원을 공급하기 위해선 꼭 달아주어야 한다.(내가 죽어도 칩, 너만큼은 내가 구해주겠다. 레귤레이터의 역할이다.)

7805의 이름은 7~8V정도 입력하면 5V가 잘 나온다는 뜻이라고 생각하자.
(원래는 78은 플러스전압, 79는 마이너스전압, 뒤에 두자리수는 출력 전압을 나타내지만 그러려니 하고 넘어간다.)

7805 역시 다리가 세개 밖에 되지 않아 회로 구성이 상당히 쉽다. 1번은 입력전원, 2번은 그라운드, 3번은 출력전원이다.

상기 회로도에서 캐패시터는 디커플링의 용도로 사용된다.
캐패시터는 무엇일까.? 쉽게 말해 배터리이다. 작은 배터리. 캐패시터(콘덴서)의 종류에는 전해콘덴서와 세라믹콘덴서가 있다. 전해콘덴서는 디커플링 용도로 사용하고, 세라믹콘덴서 역시.. 디커플링 용도로 사용할 것이다.
일단 디커플링란, 쉽게 말해 노이즈 필터링이라고 보면 된다.
그럼 차이가 뭐냐? 전해콘덴서는 (세라믹콘덴서에 비해)용량이 크고, 세라믹 콘덴서는 용량이 작다. 그니깐 세라믹 콘덴서가 더 고주파스러운 노이즈를 필터링 한다는 얘기다.

 역시 전원이 불안정한 경우를 대비해 사용한 것인데, 레귤레이터는 입력 전압이 높아지는 것을 막아주는 역할을 한다. 그렇다면 반대로 전압이 떨어진다면 어떨까? 칩에 공급되는 전압이 적정수준보다 낮다면 역시 정상적인 동작을 보장하지 못하는데. 순간적으로 전압이 떨어지는 경우를 대비해 충전해 놓았다가 떨어질 때, 전압을 보상해주는 보조배터리의 역할을 하는 것이다.
그럼 보조배터리는 용량이 무조건 크면 좋겠네, 하는 생각을 하는 사람들도 있겠지만 그렇지 않다.
용량 큰 캐패시터가 회로에 많다면, 전원을 공급하는 순간에 충전을 해야하기 때문에 실질적으로 정상적인 전원을 사용할 수 있게 되는 시간을 더뎌진다. 또한 전원을 차단하였을 경우에도 충전된 캐패시터가 모두 방전되어야 하므로 반응속도가 늦어진다고 할 수 있다.(하이/로우패스 필터의 위상이 늦어지는 예..등은 나중에 센서의 노이즈 제거에서 보도록 하자.)
 용도는 교류성분을 제거하고, 전압강하시에 전력을 보충 해준다.

오른쪽 끝의 LED는 전원이 제대로 공급되는지 확인하기 위한 용도로 달아주었다. 다른 칩등에 5V의 전압을 공급해주기위해서 7805의 OUTPUT인 3번 핀과 연결하면 된다.

캐패시터의 충방전 시간.

vc = vcc * ( 1 - e(-타우/RC) )
I = Q/t
타우 = RC
보통 5 * RC 가 충전 시간..

캐패시터 참고 사이트
http://ghebook.blogspot.com/2011/06/capacitor.html



7805는 위에 알아봤듯이, 5V이외의 전압은 열로 소모하기 때문에 전원을 많이 소모하게된다. 
그렇기 때문에 배터리를 사용한다거나 할 경우, 에너지의 효율을 높일 수 있도록 남는 전원을 피드백시켜 주는 레귤레이터가 있는데, 그것이 바로 LM2575이다.