학문
스위칭 전원은 선형 전원보다 효율이 높은 이유는 무엇인가요?
충전기나 전원 어댑터에는 스위칭 방식이 많이 쓰인다고 합니다. 스위칭 소자가 빠르게 켜지고 꺼지는 방식이 전력 손실과 발열을 줄이는 원리가 궁금합니다.
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.
스위칭 전원은 트랜지스터를 완전히 켜거나 끄는 상태로만 빠르게 전환해 손실이 거의 없어 효율이 90% 이상입니다.
반면 선형 전원은 남는 전압을 열로 태워 효율이 40% 안팎의 그친답니다.
안녕하세요.
스위칭 전원은 트랜지스터를 아주 빠르게 켜고 끄면서 전력을 조절하기 때문에 효율이 높아요.
켜졌을 때는 전압 강하가 작고, 꺼졌을 때는 전류가 거의 흐르지 않아 소자에서 발생하는 열손실이 줄어들죠. 반면 선형 전원은 트랜지스터가 중간 상태로 전류를 조절하면서 입력과 출력의 전압 차이만큼 에너지를 열로 소모하죠.
스위칭 전원은 인덕터와 커패시터를 이용해 빠르게 끊긴 전력을 다시 안정적으로 직류로 만들어줘요. 다만 스위칭 과정에서 전자파 잡음과 일부 손실이 생기기 때문에 회로 설계와 필터링도 중요해요.
감사합니다.
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
스위칭 전원이 선형 전원보다 효율이 높은 이유는 전력을 조절할 때 열로 버리는 전기가 거의 없기 때문이죠. 사실 선형 전원은 남는 전압을 내부에서 저항처럼 열로 다 소모해 버립니다. 그리고 스위칭 방식은 트랜지스터를 아주 빠르게 켜고 끄면서 필요한 만큼만 전기를 전달하죠. 그래서 쓸데없이 새어 나가는 전력이 거의 없습니다. 그래서 발열도 대폭 줄어들게 되죠.
이 방식이 전력 손실을 줄이는 원리는 스위치 상태에 있습니다. 왜냐하면 스위치가 완전히 켜졌을 때는 전압이 거의 0이죠. 그리고 반대로 꺼졌을 때는 전류가 흐르지 않습니다. 그러니 전력 손실 공식인 전압 곱하기 전류값이 계속 0에 가깝게 유지되는 겁니다. 결론적으로는 손실되는 에너지가 거의 없어서 작은 어댑터로도 뜨거워지지 않고 힘을 낼 수 있는 거죠.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
선형 전원은 트랜지스터를 반쯤 열어둔 저항처럼 써서 남는 전압을 깎아내요. 12볼트를 5볼트로 낮춰 1암페어를 내보내면 트랜지스터에 7볼트가 걸린 채 1암페어가 흘러 7와트가 그대로 열이 되고, 효율은 40%를 겨우 넘어요.
스위칭 전원은 트랜지스터를 중간 상태로 두지 않고 완전히 켜거나 완전히 끄기만 해요. 완전히 켜졌을 때는 전류는 흐르지만 소자에 걸리는 전압이 거의 0이고, 꺼졌을 때는 전압은 걸려도 전류가 0이라, 두 경우 모두 전압과 전류의 곱인 손실이 아주 작아요. 출력 전압은 1초에 수십만 번 켜고 끄는 시간 비율로 조절하고, 이렇게 잘게 끊긴 전력을 인덕터와 커패시터가 받아 매끈한 직류로 펴줘요. 남는 전압을 버리는 대신 필요한 만큼만 퍼 담는 식이라 효율이 90% 안팎까지 올라가요.
주파수가 높으니 변압기도 작아져서, 예전 무거운 어댑터 대신 손바닥만 한 충전기가 가능해졌어요. 그 대신 켜고 꺼질 때 생기는 고주파 잡음을 막으려고 필터와 차폐를 함께 넣어요 :)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
선형 전원은 내부 트랜지스터를 선형 영역에서 작동시켜 입력과 출력의 전압 차이를 그대로 열로 소모하여 효율이 낮지만, 스위칭 전원은 모스펫같은 스위칭 소자를 완전 도통과 완전 차단 상태로만 초고속 반복 전환하여 전력 손실을 최소화합니다. 물리학적으로 전력 손실은 전압과 전류의 곱으로 결정되는데, 소자가 완전히 켜졌을 때는 양단 전압이 거의 0이고 완전히 꺼졌을 때는 흐르는 전류가 거의 0이 되므로 두 상태 모두에서 소모되는 전력이 이론상 '0'에 가깝기 때문입니다. 실제 전력 손실은 소자가 켜지고 꺼지는 찰나의 과도 상태에서만 일어날 뿐더러 그 주기가 극도로 짧아 평균 발열량이 극히 적고, 남는 에너지를 저항처럼 버리지 않고 고주파 변압기와 펄스 제어를 통해 필요한 전압으로 고효율 변환합니다. 결과적으로 어댑터나 충전기에 널리 쓰이는 스위칭 방식은 불필요한 에너지 낭비와 발열을 대폭 줄이면서도 85~90% 이상의 높은 전력 변환 효율을 안정적으로 낼 수 있습니다