[햄린이의 무선공학] 저항

[햄린이의 무선공학] 저항

<이전> <처음>

쉽게 설명 한답시고 이런저런 비유를 해놓은 걸 읽다보면 '웬 개소리야!' 라는 말이 절로 나오기도 하지. 정작 글을 써놓은 내가 다시 읽어봐도 그렇더라고. 그렇다고 다시 고치자니 그것도 일이네. 글쓴이가 제 흥에 겨워 써제낀 뻘소리도 있으니까 모쪼록 이해해 주길 바래. 앞으로는 짧고 명료한 글이 되도록 해볼께. 잘 될지 모르지만 말이야.

저항

높은 전압에서 낮은 전압으로 전기가 흐른다네. 전류가 흐르는 길목에서 전류가 흐르는 양을 막아선 전기부품이 있으니 그걸 저항이라고 하지. 이 전압(V)과 전류(I)와 저항(R)의 관계를 설명한 것이 바로 옴의 법칙(Ohm's Law)이야.

V = I⋅R

저항은 전류가 흐르는 길목에 버티고 서서 흐름을 방해한다고 했지. 만일 길목이 넓으면 전류가 많이 흐를 테고 좁으면 적게 흐르지. 저항체의 단면적이 넓으면 전류는 많이 흘릴 수 있어. 그래서 저항이 작다고 말해. 그럼 저항체의 길이가 길면 저항이 늘어서 흐를수 있는 전류량은 작아지겠지. 저항체의 단면적과 길이 그리고 전류의 관계를 묻는 시험문제도 있더라고. 이 단순한걸 시험문제로 삼는 이유가 뭘까 싶지만 다 이유가 있지. 컨덴서라는 물건은 이와 정 반대거든.

전압을 제공해주는 장치가 있다고 해보자. 배터리도 전원 공급장치가 될 수 있지. 하지만 여기서 전지는 빼자. 왜냐면 전지는 닳잖아. 쓰다보면 전압이 떨어지는 거지. 많이 빼쓰면 빨리 닳고 조금씩 빼쓰면 오래 가잖아. 옴의 법칙 만을 다룰 때는 전압이 가변하지 않는다는 전제하에 전류와 저항 관계를 설명한 거야. 옴의 법칙에 시간이라는 요인이 개입되지 않고 있다는 걸 알아둬. 사실 전지는 컨덴서(축전기)로 봐야한다구. 이얘긴 나중으로 미루자.

저항과 전압 그리고 전류

저항을 설명하기를 '전류의 흐름을 제한 하거나 전압을 비율로 나누는 역활'을 한다고 하더라고. 이게 뭔소리 인가 보자. 전압공급장치에 저항을 한개 연결해 보자고. 저항의 양단에 걸린 전압은 전원장치의 전압이 그대로 저항의 양끝에 걸리겠지.

이번에는 저항 두개를 연결해 보자고. 병렬로 이렇게 연결한거야.

저항으로 가로막긴 했지만 전류가 흐르는 통로를 하나 더 놓은 셈이니까 흐르는 전류의 양이 증가하겠지. 전류량이 늘었다는 말은 저항값이 줄었다는 말과 같아. 하지만 두 저항의 양단에 걸린 전압은 변함이 없지. 병렬연결한 저항의 총저항의 계산법은 아래와 같다. 그래서 위의 두 저항을 병렬 연결한 회로와 등가회로는 아래 그림의 왼쪽과 같아. 그리고 전류량은 위와 같지.

그럼 두 저항을 병렬 연결한 회로나 저항 한개를 쓴 회로나 같은걸까? 겉으로 보기엔 같아 보이지만 실은 차이가 있지. 전류가 흐를 통로가 두개냐 하나냐의 차이지. 통로가 여러개면 허용 전력량이 늘어난다는 거지. 흐르는 전류량은 같지만 오래 버틸 수 있게 된다는 거야. 물론 아래 그림에서 저항의 허용 전력을 늘려주면 되긴 하지. 어쨌든 이렇게 겉으로 보기에 값을 같게 해놓은 걸 등가회로라고 한다네.

분압저항

이번에는 저항을 직렬로 연결해보자. 한 통로에 전류의 흐름을 막는 저항을 연달아 붙여 놨으니 전류의 흐름이 더욱 방해를 받아. 저항이 늘어나게 되지. 아래 그림에서 두 저항을 더한 것이 총 저항이 돼. 총 전류는 옴의 법칙으로 구할수 있어. 이 전류는 직렬 연결한 모든 저항에 공히 균등하게 흐르지.

그런데 두 저항의 양단에 각각 걸리는 전압은 달라 진다구. 저항을 직렬연결하면 전압을 나눌수 있게 되는거지. 그래서 분압기(분압저항)라고 한다네.

여기서 한가지 주의깊게 볼 것이 있는데 전류가 흐르는 통로의 갯수가 중요하다는 것이야. 병렬 연결한 경우 통로가 늘었고 각통로에 통하는 전류를 더했다는 점이지. 직렬연결의 경우 통로는 하나라 전류량도 고정되어 있다구. 시험에 자주 나오는 저항 브릿지 회로를 보자. 저항 4개를 직렬과 병렬로 연결 해놔서 뭔가 복잡해 보일수도 있겠지만 간단해. 전류의 통로는 두개야.

전체 회로에 걸려있는 전압은 V 지. R_1과 R_2로 직렬 연결된 저항으로 흐르는 전류 I_1과 R_3와 R_4로 흐르는 통로의 전류 I_2를 각각 구해서 더하면 전체 전류가 나오게 되는거지.

이런 문제도 있어. V_1과 V2 사이에 전류계 A를 넣고 흐르는 전류값이 0일 때 네개의 저항을 구하라는 문제도 감초마냥 출제되곤 하는데 간단히 그냥 마주보는 저항값의 곱이 같으면 된다고 외우면 쉽지. 이게 어떻게 나왔는지 보자구. 전류계가 0을 지시하려면 V1과 V2의 전압이 같을 때 잖아. 그럼 R1과 R2의 분압저항으로 얻은 전압과 R3와 R4의 분압저항으로 얻은 전압 같으면 전류가 흐르지 않을거야. 그럼 분압저항으로 얻은 전압계산법을 알고 있으니까 쉽게 구할 수 있지.

간이형 SWR 표시기와 더미로드

근데 말이지 이런 브릿지 저항회로를 어디다 쓰는 걸까? 시험문제를 위한 회로는 아니야. QRP용 SWR 표시기로 널리 사용되고 있어. EMTECH 사의 ZM-2 ATU[link] 에도 적용되고 있지. 이 제품의 메뉴얼을 보면 브릿지 회로를 볼 수 있어. 50옴 저항 3개를 브릿지로 연결 한거지. 나머지 하나는 안테나에 연결했어. 만일 안테나의 임피던스가 50옴에 맞다면 LED 가 꺼지게 되는거야.  저항은 직류든 교류든 모두 통과 시킬 수 있어. 물론 주파수 특성에 따라서 저항치가 바뀌니까 정확하다고는 할 수 없지만 소출력에 간이형 SWR 표시기로는 아주 그만이야. 게다가 이 저항이 더미로드처럼 작동하니까 송신기를 보호해주는 역활도 하지. 다만 통과형 SWR 측정기가 아니니까 송신기 운용시에는 전환해 줘야해. 어때 꽤나 신통하지?

더미로드가 나왔으니까 말인데 QRP용으로 자작키트가 있지. KANGA Product라는 영국 회사인데 약 20와트 정도는 견디는 거라고 하더군. 멀티 테스터 전압계로 출력을 측정 할수도 있다네. [link]

단순한 더미로드로 백열등을 연결 하기도 하지. 그냥 50옴짜리 저항 하나를 연결해도 되긴 하지만 20와트짜리 저항 구하기가 쉽나 어디. 그래서 수 와트짜리 저항을 직병렬로 연결해서 허용 전력량을 높이는 방식을 쓰는거야. 더미로드를 연결하고 교류전압을 재면 출력을 알 수도 있는데 문제는 무전기의 출력 주파수가 고주파라 보통 멀티테스터 가지고는 측정할 수가 없어. 교류전압을 측정 하려면 정류를 해서 직류로 바꾼 후 실효전압으로 보정해서 표시하는거야. 그런데 고주파를 간단히 다이오드 가지고 정류할 수가 없거든 그래서 고주파 전압계라는 걸 쓰지. 게다가 고출력용 측정기는 워낙 전압이 높게 나와서 가격이 비싸지. 소출력의 간이형이라면 간단하게 반응이 빠른 게르마늄 다이오드를 통과 시켜서 정류하고 컨덴서로 평활화(혹은 포락선 검출)해서 전압을 재는거지(D3와 C1). 광석 라디오의 검파랑 똑같은 원리이기도 하고. [출처: Crystal Radio]

위의 회로에서 1N5711(D3)은 쇼트키 다이오드인데 순방향 전압강하가 낮고 고속이라 SMPS에 자주 쓰인다고 하네. 대신 내압이 100V 이하로 낮은 편이라고 한다. 그래서 그랬는지 25옴 사이에서 전압을 끌어낸 것은 분압해서 측정 전압치를 낮춘것도 꽤 똑똑한 처사같아.

그리고 전파가 나오는지 확인하려고 LED를 달아 놨는데 1N4148은 고속 스위칭 다이오드야. 두개(D1와 D2)를 쓴 이유는 양파정류를 한 셈이지. 그런데 C2와 직렬 연결되어 있거든. 컨덴서의 역활이 교류를 통과시키는데 심히 흐름의 양을 제한 시킬 수 있지. 이런 교류의 흐름을 제한시키는 저항을 임피던스라고 하지.

저항을 복잡하게 연결해서 문제를 위한 문제를 만들기도 하는데 커초프(키르히호프) 원리니 뭐니 하는걸 책에서 봤을거야. 그런것 까지는 알아보진 말자구. 학생들 골탕 먹이는 용도말고는 사실 우리같은 햄린이 에게는 별로 실효성은 없더라구. 아! 데브닌(데프낸) 원리라는 것도 들어봤을 텐데 전자회로를 해석하기 쉽게 저항 등가회로로 바꾸는 원리라고 생각해두자고. 나중에 다룰일이 있을거야.

저항은 요정도로 하고 다음엔 컨덴서와 코일에 대해 알아보자. 망할 임피던스라는 말이 나올건데 고주파 교류의 저항이라고 생각하면 편해.

------------------------------

<계속> <처음>