저항(Resistor)

저항 소자(Resistor)는 저항 성분(Resistance) 특성을 가진 수동 소자.

회로에서 R로 표기 되고, 단위는 옴(Ω, Ohm)을 사용

기본 기능은 저항 성분의 특성과 같이 전류를 제한하는 용도로 사용, 전력을 소모하고 열을 발생

1. 저항 공식

공식은 이미 옴의 법칙에서 살펴보았기 때문에 간단하게 정리만 한다.

전류 I = V/R (A)

전력 P = VI = I^2R(W)

2. 저항 소자의 기생 성분

저항 소자는 저항 성분(Resistance)에 집중한 소자이나, 기생 커패시턴스와 기생 인덕턴스가 공존한다.

크기가 작아 보통의 경우 무시되지만 수백 MHz 이상의 고주파에서는 신호에 영향을 미친다.

저항 소자의 인덕턴스 성분은 많은 부분이 소자의 리드선에서 발생된다. 그렇기 때문에 고주파 회로에서는 리드선이 긴 DIP타입 보다 SMD 타입을 많이 사용한다.

3. 저항 소자의 선정

회로 설계에서 저항의 용량이 계산 되었다면 다음 항목을 고려한다.

	항목	상세
1	종류 및 패키지 타입	SMD/DIP 타입 저항 종류 선택
2	저항 용량	제조가 되고 있는 용량인가?
3	허용 오차	저항의 허용 오차가 회로에 영향을 미치는가?
4	정격 전력	정격 전력에 충분한 여유가 있는가? 허용 전력에 따른 SMD 패키지 크기 결정
5	최대 허용 전압	회로설계상의 최대 전압이 최대 허용 전압 안에 있는가?
6	사용환경 온도	사용환경 온도가 허용 온도 내에 있는가? 온도 상승에 따른 용량의 변화가 성능에 영향이 없는가? 온도 상승에 따른 최대 허용 전력의 감소가 영향이 없는가?

4. 저항 소자의 종류

(1) SMD (Surface Mount Device) 타입 저항

- 구리 니켈 합금 등의 저항체를 사용하여 만듬

- 리드선이 짧아 인덕턴스가 작아 고주파 신호에 유리함

- 작은 크기로 시스템 소형화에 유리

- 디지털 회로에서 가장 많이 사용되는 타입

- 정격 전력이 다소 낮은 단점이 있음 (크기가 클 수록 열방출이 쉬워 고전력이 가능)

(2) 탄소피막(Carbon Film) 저항

- DIP 타입 저항체 중 가격이 제일 싸다.

- 탄소계 저항물질을 사용하고, 세라믹에 저항체를 필름 형태로감아서 만듬

- 정격전력은 65mW, 125mW, 0.25W, 0.5W 등이 있으며, SMD 타입에 비해 정격전력이 높다

- 온도 특성 및 고주파 특성은 다소 좋지 않다.

(3) 금속피막(Metal Film) 저항

- 니켈, 크롬 등의 합금 금속을 사용한 DIP 타입 저항기

- 온도 특성과 저항의 정밀도가 높고 고주파 특성이 좋다.

- 가격은 비싸지만, 저항 정밀도가 중요한 필터 회로 정밀도를 요구하는 아날로그 회로에서 사용됨

- 정격전력은 0.125W, 0.25W, 1W 등이 있다.

(4) 산화금속피막(Metal Oxide Film) 저항

- 금속산화물을 사용한 저항

- 1W ~ 수W 급의 중전력에 대응 가능

- 200도 이상의 온도에서도 사용가능

- 정밀도나 고주파에 좋지 않다.

- 정밀도가 요구되지 않는 높은 전력이 필요한 곳에 사용된다.

5. 저항의 용량

저항의 선택에 있어서 용량은 시장에 제조되고 판매 중인 용량으로 설계한다.

정밀성이 없어도 되는 경우 시장에 생산되고 있는 용량 값 중에서 계산된 용량 값 근처의 저항 용량을 선정하는 것이 좋다. (예를들면, 표시 LED의 경우 조금 더 밝으나, 어두우나 별로 상관이 없다.)

저항의 색 띠를 읽는 것은 많이 봤지만(그래도 외우기 쉽지 않음), SMD 저항은 생소 하므로 SMD 타입 저항 읽는법을 알아보자.

(1) SMD 타입 저항 값 읽는 법

[ 3Digit 코드 ]

숫자 3자리로 표현 되며, 앞의 2자리는 숫자를 뒤의 한자리는 10의 승수를 나타냄

사진의 저항 값은 39*10^1으로 390옴이다.

 

[ 4Digit 코드 ]

숫자 4자리로 표시되며, 앞의 3자리는 숫자, 뒤의 한 자리는 10의 승수를 나타냄

 

[ R은 소수점을 나타냄 ]

사진은 2.2옴을 나타냄

6. 회로 설계시 저항 소자의 용도 (중요)

(1) 전류 제한

앞의 공부에서도 다루었듯이, 모든 회로 소자에는 사용 가능한 정격 전압/전류와 최대사용 전압/전류가 있다.

그렇기 때문에 회로 소자로 입력되는 전류를 제한해야 한다.

대표적인 예로 발광소자 LED 다이오드에 대한 전류 제한이다.

LED 다이오드의 정격 전류보다 높은 전류가 인가 되면 과도한 열이 발생하여 파손될 수 있다.

이때 간단하게 옴의법칙으로 필요한 저항을 계산하고, 저항기를 연결하여 LED 다이오드의 전류를 제한할 수 있다. 

(2) 풀업 (PULL UP) , 풀 다운(PULL DOWN)

보통 스위치를 활용하는 회로에서는 저항을 사용하지 않으면, GPIO 입력 핀의 상태가 플로팅(Floating)되어 전위가 정해지지 않는다. 이때 기본 전압을 유지시키기 위한 용도로 저항을 사용한다.

풀업 저항은 저항기를 신호선과 전원 사이에 연결하여 기본 전압을 LOW로 만들고, 풀 다운 저항은 신호선

과 전원 사이에 연결하여 기본 전압을 HIGH로 만들어 준다.

풀업, 풀 다운 저항의 용량을 작은 값을 사용하면, P = I^2R로 전력소비가 심해진다.

용량을 너무 크게 사용할 경우 신호 지연이 발생되거나, 누설 전류로 인하여 원치 않는 전압이 인가 될 수 있다. 이런 이유로 값은 보통 1K~10K옴 정도 사용한다.

(3) 전압분배회로

여러가지 이유로 전압을 분압해서 사용해야 할 경우가 있다.

예를들면, 최대 3V의 전압 신호 입력을 받는 시스템에 5V의 전압을 입력받아야 하는 경우가 있다.

전압센서가 전압분배회로로 설계 된다.

https://machinejw.tistory.com/41

전압계, 전류계 센서 (Measuring Sensor)

분압된 전압값이 유지되기 위해서는 GPIO에 연결되는 입력 임피던스(MΩ단위)가 무척 커서 전류가 거의 흐르지 않아야 한다. 이런 이유로 부하의 입력 임피던스가 무척 큰 상황이 아닌 회로에서 저항을 통한 분압은은 사용되지 않는다, 꼭 사용을 해야한다면 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 가지는 버퍼 회로를 장착하여 검출 신호에 영향이 없도록 설계한다.

(4) 전류 측정용 션트(SHUNT) 저항

ADC의 역할은 전 공부에서 다루었듯이 MCU에서 전압을 측정하여 디지털 신호로 변환한다.

전류 측정을 위해 직접적인 방식 (전류계 센서에서도 다룸)으로 저항을 두어 옴의법칙 계산을 사용하고 전류를 전압으로 바꾸어서 측정한다.

전류가 흘러 션트 저항 양단에 걸리는 전압을 측정하면 옴의 법칙에 의하여 전류값으로 변환 할 수 있다.

이런 용도로 사용하기 위해서는 허용 오차가 낮은 저항을 사용하여야 정밀도가 높아진다.

션트 저항으로 인한 전압 강하도 고려해야 되므로, 회로에 영향을 주지 않는 낮은 전압 강하를 위해 정격전력이 높고 낮은 용량의 저항이 사용된다.

(5) 임피던스 매칭용 직렬 저항 또는 종단 저항

통신 선로의 반사파 제거를 위해서 선로에 직렬 저항, 종단 저항으로 사용되기도 한다.

특히 직렬 저항은 전류 제한을 통하여 과전류로 부터 소자를 보호 할 수도 있다.

이 부분은 노이즈 해석에 가까우므로 자세한 이론은 다음에 공부하도록 하겠다.