LED 는 허용 전압이 최소 0.2V 이내로 (예시 : 1.9V ~ 2.1V) 로 매우 협소합니다. 만약 허용 전압을 조금 넘으면 밝기 증가없이 수명이 기하급수적으로 줄어들게 되며, 민감한 제품은 추가 전압을 +0.5V 만 더 줘도 내부가 지직 타들어가며 바로 픽 죽어버립니다. 차라리 전압 미달로 어두워지면 죽지 않고 이상 여부를 알 수 있어서 다행이지만 저같은 일반 아마추어가 무턱대고 건전지를 LED 에 연결하다보면 금세 태워먹기 일쑤 입니다.
가장 안정적인 전원 입력 방법은 두꺼운 220V 콘센트에 파워 어댑터를 끼우고 5V 등 고정 전압으로 출력하는 겁니다. 하지만 장식장에 넣거나 외부 전시를 위해선 유선으로 쓰기 어려워서 건전지를 달 수 밖에 없죠.
그리고 건전지는 시간이 지나면 전압이 점점 떨어지는 가변전압입니다. 심지어 막 개봉해서 연결하면 1.5V 도 아닌 1.6~1.7V 로 오버 전압이라서 회로에 따라 건전지를 갈아 끼우면 LED 가 사망하는 사태가 발생하기도 합니다. 일반적으로는 오래된 건전지(1.3V)로 회로를 테스트 하다가 모형 완성 후 새 건전지(1.7V)를 끼울 때 발생하며, AA 건전지와 동일한 리튬이온 (3.7V) 전지 규격(14500)도 있어서 건전지 대신 끼울 경우에도 터집니다.
이 글은 전자회로를 잘 모르는 일반인이 기껏 모형 내부에 설치한 LED 를 망가뜨리는 사태를 방지하기 위하여 정전압 회로를 사용해 입력 전원에 상관없이 고정 출력 전압을 만드는 법을 간단하게 설명했습니다.
1. LED 가 어째서 고장나는가?
(1) 회로 구성 실수로 허용 전압 V 을 넘어설 때 : 가장 흔합니다. 제가 얼마전에 그랬거든요. AA 건전지 2개로 3V 를 만들어서 1.9~2.1V 용 노란색 LED 에 연결하니 속이 지직지직 타들어가며 바로 죽었습니다. 조금만 타버려도 밝기가 영구히 줄어드니 버리고 새 부품으로 교체해야 합니다. 또한 모든 색상과 회사마다 LED 의 허용 전압이 다르니 구입하면 반드시 잘 보이도록 라벨지를 붙여두시기 바랍니다.
(2) 새 건전지의 고전압 : AA 건전지는 처음부터 사용이 끝날 때까지 1.5V 출력이 아닙니다. 제품에 따라서 포장을 막 뜯으면 1.7V 까지도 나오기 때문에 AA 4개를 연결하면 6.0V 부터 최대 7.0V 까지도 터집니다. 만약 회로 구성시 6V 에서 허용 전압에 아슬아슬하게 걸린 상태라면 새 건전지를 끼우는 즉시 LED 가 죽어버리는 사태가 벌어지죠. AA 건전지와 똑같은 사이즈와 모양인 14500 리튬 이온 전지는 3.7V 출력이라 더 심각합니다. 이 글에서 설명하는 보호회로가 없는 모형이라면 AA 건전지 대신 14500 을 끼우는 즉시 내부 회로 다 박살나는 겁니다.
(3) 극성을 반대로 끼우기 : LED 는 역방향 전류에 몇배의 저항성을 지니고 있기 때문에 2V 허용 전압이라면 8~10V 의 역방향 전압에도 고장나지 않습니다. 테스트 해보니 15V 는 터집니다. 따라서 건전지를 역방향으로 끼운다면 작동하지 않긴 해도 고장은 안 납니다.
* 실제로 테스트 해보니 특정 회사나 특정 색상 (하얀색 등) LED 는 스펙상 허용 전압보다 +3V 까지 올라가도 꽤 버텨줬습니다. 물론 장기 수명 (대략 2만 시간)은 깎였을 테니 정상적인 사용법은 아닙니다.
* 바로 위의 잘 버티는 LED 는 PWM 펄스 방식으로 작동하는 제품이었습니다. 그래서 몇배의 오버 볼트와 전류를 견디는 거였습니다. 좀 더 비싼 LED이긴 합니다.
2. 정전압 회로란?
항상 동일한 전압을 공급하는 유선 파워어댑터가 아닌 건전지를 이용한 전원 공급은 LED 에 위험하다는 걸 알 수 있습니다. 그럼 해결법은 고전압이 들어오더라도 항상 특정 전압으로 고정해서 출력하는 정류 회로를 달면 되죠.
(1) 정전압 회로 (LM2596, Step down)
정전압 회로는 고전압이 들어오더라도 사용자가 원하는 전압으로 자동으로 바꿔주는 정류회로입니다. 사진의 제품이 가장 최저가이며 개당 500원 가량 합니다.
연결법과 사용법은 매우 간단합니다. 좌측의 IN 에 건전지의 +,- 극을 연결하고 우측의 Out 에서 +,- 로 출력됩니다. 전압 조절은 사진 중간의 파란색 사각형 가변 저항에 달린 금색 나사를 돌립니다. 처음 구입하면 최대값 (40V) 으로 세팅되어 있으므로 3V 까지 낮추려면 시계반대 방향으로 수십번 돌려야 합니다.
제품마다 작동 전압이 있어서 제가 구입한 제품은 3.5V 이상의 전원이 들어와야 작동하며, 작동 여부는 기판의 LED 불이 들어와서 확인할 수 있습니다. 기판 자체에서 소모하는 전기가 있기 때문에 3.0V 출력을 원한다면 적어도 +1.0V 해서 4V 의 입력을 받아야 안정적입니다.
반대 개념으로 Step up 정전압 회로도 있습니다. 이건 3V 같은 낮은 입력을 6V 로 올려줍니다.
(2) 정전류 회로
이건 전류를 고정시킵니다. 일반적으로 고정 전압이 들어오는 유선 파워어댑터에 추가로 달아서 LED 의 밝기를 조정하는 용도로 쓰입니다. 오버 전압 보호 기능이 없으므로 우리가 원하는 제품은 아닙니다.
(3) 정전압+정전류 회로 (CCCV)
전압과 전류 모두 고정할 수 있는 궁극의 제품입니다. 40V 의 전압이 들어와도 3V 등 원하는 전압으로 칼같이 보낼 수 있고, 전류도 20mA 를 더 낮출 수 있어서 밝기를 고정할 수 있습니다. 가격도 좀 더 높아서 1천원부터 시작합니다.
3. 실전 테스트
제가 구입한 최저가 정전압 회로 (Step down) 를 테스트해봤습니다.
먼저 스펙상 작동 전압인 4.0V 입력입니다. (우상단 파워 서플라이)
좌하단의 회로를 보면 빨간 불이 들어와서 작동하고 있음을 알려주고,
우하단의 미터기를 보면 2.99V 로 제가 원한 전압값으로 출력되고 있습니다.
여기서 회로의 전압 조절기를 건드리지 않고 입력 전압만 바꿔보겠습니다.
LED 중 상당수에서 사용하는 3.0V 로 전압을 넣고 (우상단 파워서플라이) 켜보면 작동 안합니다.
입력과 출력이 동일할 수 없는 건 회로에서도 전기를 소모하느라 약간 더 높은 전압이 필요해서 그렇습니다. 적어도 3.2V 는 들어와야 작동하므로 AA 건전지 3개 이상이 필요한 제품입니다.
Step down 이므로 입력 전압이 출력보다 항상 높아야 합니다. 반대로 Step up 정전압 회로는 입력이 출력보다 낮아야 하며, 입력이 더 높으면 출력도 입력을 따라갑니다.
이번엔 5V 로 올려봅니다. 아까 세팅한 3.00V 로 잘 출력하고 있습니다. 회로의 IC 칩이 자동으로 처리해서 출력값이 일정합니다.
6V 로 올려도 여전히 3V 로 출력됩니다.
이번에는 20V 로 팍! 모든 LED 가 파괴되는 초고전압입니다만 회로가 3V 로 정류하여 출력하기 때문에 절대로 안 터집니다. 이러면 실수든 고의든 건전지 홀더에 14500 리튬이온 배터리를 끼워도 죽기는 커녕 LED 가 아주 잘 켜집니다!
가격도 싸고 달기도 쉽고 모든 배터리를 받아들이는 잡식성으로 만들어주는 정전압 회로를 모든 분께 추천합니다.