#26. 저항(Resistor)에 대한 이해도를 높여보자!

저항은 전자회로에서 가장 기본적인 수동소자 3가지 R(Resistor), L(Inductor), C(Capacitor) 중 하나 입니다. 저항이라는 말 그대로 전류의 흐름을 방해한다는 뜻이므로 전류가 흐를 때 열이 나고, 신호의 감쇠가 발생합니다.

 

물론, 저항은 아래 수식 1)과 같이 도선 재질의 비저항, 굵기, 길이에 의해 값이 결정되지만 이런 흔한 얘기보다는 좀 더 실무적인 측면에서 다뤄보도록 하겠습니다. 

 

수식1)

 

1. 주파수 특성

저항은 아래 그림 1. (a)와 같은 심볼로 표현되지만 실제 도선은 인덕턴스와 캐패시턴스 성분을 모두 포함하고 있습니다. 따라서, 실제의 저항은 그림 1. (b)와 같이 모델링 할 수 있습니다. 물론 제조사에 따라 모델링이 조금씩 다르기 때문에 사용하는 소자의 정확한 모델은 데이터시트나 제조사에서 제공하는 자료를 확인해야 합니다.

 

[그림 1] (a) 저항 심볼, (b) 실제 저항 모델

 

 

이렇게 인덕턴스와 커패시턴스 성분을 포함하고 있다는 말은 결국 사용 주파수가 높아질수록 원하는 저항 값이 아닌 리액턴스 성분이 포함된 임피던스 값으로 변하게 됩니다. 이를 이해하기 위해 그림 2와 같이 LTspice를 사용하여 시뮬레이션을 해봅시다. 그림 2. (a)는 이상적인 환경의 50ohm 저항(인덕턴스와 커패시턴스가 없는 상태)을 주파수에 대해 시뮬레이션한 것이고, 그림 2. (b)는 그림 1. (b)와 같이 실제 환경의 50ohm 저항을 주파수에 대해 시뮬레이션한 결과 입니다.

 

[그림 2] (a) 이상적인 환경의 50ohm 저항, (b) 실제 환경의 50ohm 저항

 

그림 1. (a)를 보면 주파수에 관계없이 50ohm이 일정하게 유지됩니다. 하지만, 그림 2. (b)를 보면 약 1GHz쯤 부터 캐패시턴스 성분이 도드라지고, 10GHz를 지나면서 인덕터 성분이 도미넌트 해지는 것을 확인할 수 있습니다. 이렇듯 실제 저항은 주파수가 커질수록 커패시턴스와 인덕턴스 성분이 도드라지기 때문에 저항의 임피던스 값이 변하므로 사용 시 주의를 요합니다. 물론, 저항의 값과 제조사에 따라 커패시턴스 또는 인덕턴스 성분이 나타나기 시작하는 주파수 시점은 달라지므로 모든 저항이 그림 2. (b)와 동일한 그래프 특성을 가지는 것은 아니니 예시로써 참고하시면 됩니다.

 

2. 허용전력

저항의 허용전력은 저항을 선택하는데 있어서 가장 중요한 요소 중 하나 입니다. 만약 저항에 높은 전압과 전류가 인가될 경우 허용전력이 높은 저항을 사용해야 열로 인한 파손을 방지할 수 있습니다. 예를들어 아래 그림 3과 같이 100ohm 저항에 10V의 전압이 걸리고, 100mA가 흐른다고 가정할 경우 100ohm 저항에 걸리는 전력은 수식 2)와 같이 결정됩니다.

 

[그림 3] 저항의 소모전력

 

수식 2)

 

따라서, 최소 1W 이상의 허용전력을 가진 저항 소자를 선택해야 합니다. 하지만 신뢰성 확보를 위해 최소 2배 이상 허용전력을 가지는 저항 소자를 선택하는 것을 추천합니다. 또한, 일반적으로 허용전력이 클수록 저항 소자의 사이즈가 커지기 때문에 아트웍 시 공간확보에 주의 해야 합니다.

 

3. Power derating

앞서 저항의 허용 전력을 계산했지만, 실제 저항의 허용전력은 온도에 따라 달라집니다. 아래 그림 4 와 같이 온도가 올라갈수록 허용전력이 낮아지는데 이를 Power derating이라고 합니다. 밀리터리급의 경우 온도 조건이 -55℃ ~ 125 ℃ 이고, 오토모티브급의 경우 온도 조건이 -40℃ ~ 105℃ 이기 때문에 이를 감안하여 Derating에 의한 허용전력을 파악 후 저항 소자를 선정해야 합니다.

 

[그림 4] 온도 증가에 따른 Derated Power

 

위 그림 3에서 2W 허용전력을 보장하는 저항 소자를 선택했다고 합시다. 밀리터리 조건에서 105℃까지 견뎌야 하는 경우라면 그림 4의 Power derating에 의해 2W 허용전력이 105℃에서 약 60% 수준으로 떨어집니다. 1.2W까지 허용전력이 낮아진다고 볼 수 있죠. 따라서 사용하는 시스템의 요구사항(밀리터리급인지 오토모티브급인지 등등)에 따라 사용하려는 저항 소자의 허용전력 값을 계산할 수 있어야 합니다. 

 

4. 특수저항

저항의 종류는 굉장히 다양 합니다. 그 중 몇가지 특수한 성질을 가지는 저항에 대해 살펴 보겠습니다. 3번까지만 잘 이해해도 저항을 선택하는데 있어서 큰 어려움은 없을 것입니다만 저항의 톨러런스와 장변저항 그리고 사이즈에 대해서도 이해를 하신다면 좀 더 정확히 원하는 저항을 선택할 수 있을 겁니다.

 

우선, 톨러런스란 변동성을 의미합니다. 저항을 제조하다보면 여러가지 이유로 목표한 값과 오차가 발생하는데 이런 오차를 톨러런스로 이해하시면 됩니다. 예를들면 100ohm의 저항을 제조했지만 측정해보니 98ohm인 것도 있고, 105ohm인 것도 있다는 겁니다. 하지만 생산된 저항들의 오차 범위가 예상범위를 벗어나면 사용자 입장에서 곤란한 상황이 올 수 있기 때문에 제조사들은 오차 범위를 타이트하게 관리하게 됩니다. 그림 4를 보면 저항의 오차 범위에 따라 A급에서  M급까지 표기하게 됩니다.

 

[그림 5. 저항의 톨러런스(Resistor Tolerance)]

 

톨러런스 값이 낮은게 물론 좋지만 제조 과정의 복잡성(고정밀 장비, 공정)으로 인해 가격이 비싸지는 단점이 있습니다. 따라서, 풀업 풀다운 저항이라든지 필터 용도로 사용한다든지 저항 값이 조금 변해도 별 문제가 없는 경우라면(보통 이런 경우가 대부분이긴 합니다) 톨러런스 등급에 크게 관계없이 사용하면 됩니다. 하지만, 고이득 피드백 저항이나 Thermistor 같이 고정밀 저항을 요하는 경우라면 D급 이상의 톨러런스가 낮은 저항을 사용하면 되겠죠.    

 

다음으로 칩저항의 사이즈에 대해 알아보겠습니다. 저항의 사이즈를 표기할 때, 그림 6과 같이 길이와 너비를 순서대로 두 글자씩 표기하게 됩니다. 예를들어 3216 칩저항 사이즈의 길이는 32mm, 너비는 16mm 입니다. 한국에서는 인치와 미리미터 단위를 혼용하여 사용하지만 미리미터 단위를 좀 더 많이 사용하시는 듯 합니다. 

 

[그림 6] 저항의 사이즈

 

보통 길이와 너비 순서대로 표기하는게 일반적이지만 반대로 1632라고 표기하는 저항이 있습니다. 이런 저항을 장변 저항이라고 하죠. 그림 7과 같이 그림으로 비교해보면 훨씬 더 이해가 쉽습니다.

 

 

그림 7. (a)는 일반 저항으로 길이가 길고 너비가 작습니다. 다시말해 전극이 붙은 쪽이 폭이 좁습니다. 그림 7. (b)의 경우 장변 저항으로 반대로 길이가 짧고, 너비가 큽니다. 전극이 붙은 쪽 폭이 훨씬 길쭉한걸 확인할 수 있습니다. 이렇게 제조할 경우 제조 비용은 더 높지만 방열에 유리한 구조를 가지기 때문에 허용 전력이 훨씬 커지게 됩니다. 물론 사이즈가 큰 일반저항을 사용해도 되지만 그럴 경우 PCB를 차지하는 공간이 더욱 커지죠. 예를들면 1632의 장변저항과 동일한 효과를 얻기 위해서 일반저항은 3246의 소자를 사용해야 합니다. 따라서, 사이즈가 측면에서 장변 저항을 사용하는게 더 유리합니다.

 

어떻게 보면 참 간단한 소자이지만 의외로 저항 소자를 선정하기에 앞서 고려해야할 요소가 꽤 많다는 것을 느끼셨을 거에요. 여기까지 저항에 대해 나름 하고싶은 얘기는 다 한 것 같으니 포스팅을 마치도록 하겠습니다!