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전위차계에 대한 완전한 이해

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글/Jeff Smoot, CUI Devices

종종 ‘pot’라고도 하는 전위차계는 전기 공학 영역의 기본 부품이다. 이 다목적 장치는 전기 신호의 제어 및 측정에 있어 중추적인 역할을 수행하여 회로와 회로가 상호 작용하는 물리적 세계 간에 동적 인터페이스를 제공한다. 오디오 시스템에서 로보틱스에 이르기까지 전위차계는 수많은 응용 제품에서 용도를 찾을 수 있어 현장에서 없어서는 안 될 자산이 되었다.

이 기사에서는 기본 원리, 구조, 내부 작동부터 시작하여 전위차계를 자세하게 살펴본다. 그런 다음, 사용 가능한 다양한 유형의 전위차계와 전위차계, 가변 저항기, 인코더의 차이점, 주요 설계 고려 사항 및 사양을 논의한다.

전위차계에 대한 기본 사항

전위차계는 수동으로 저항을 변경할 수 있는 기계적 조정 메커니즘을 갖춘 저항기 기반 부품으로 작동한다. 일정한 저항값을 유지하는 고정 저항기와 대조적으로 전위차계는 가변 저항기로 작동한다.

이러한 장치는 전압 분배기로 작동하여 회로 내에서 전압 출력을 조정하고 전위를 정확히 측정하는 두 가지 목적을 수행하므로 전위차계로 지정된다. 저항 소자와 함께 와이퍼의 위치를 조정함으로써 전위차계는 계속적으로 변화하는 전압 출력 신호를 생성한다. 전위차계는 수동 소자임에 유의하자. 즉 작동을 위해 전원 공급 장치 또는 추가 회로망이 필요하지 않다.

객체의 저항은 다양한 요인의 영향을 받으며 한 가지 주요 인자는 그 길이이다. 다른 모든 파라미터가 일정하게 유지될 경우 객체의 저항은 그 길이에 정비례한다. 즉, 재료와 단면적이 동일하더라도 길이가 20cm인 객체는 길이가 40cm인 객체의 저항의 1/2이다. 전위차계는 이 원리를 활용하여 출력을 조정할 수 있다.

전위차계의 출력 조정은 균일한 저항 소자를 따라 슬라이딩 접점의 선형 또는 회전 위치를 변경하여 전류가 흐르는 경로를 수정함으로써 달성된다. 입력 전압은 저항 소자의 전체 길이에 걸쳐 인가되고 출력 전압은 고정 저항 소자와 슬라이딩 또는 회전 접점 사이의 전위 강하로 얻어진다. 저항 소자를 따라 이동 가능한 접점의 위치에 따라 입력 전압이 회로에 인가되는 정도가 결정된다.

전위차계는 일반적으로 1W를 초과하는 전력을 직접 제어하는 데 사용되지 않는다는 점에 주의하자. 이러한 제한이 발생하는 이유는 장치 자체에서 입력 전력을 소산해야 하므로 과도한 열이 발생하기 때문이다. 대신, 전력을 조절하기 위해 다른 부품에서 사용하는 아날로그 신호를 조정하는 데 전위차계가 사용된다. 예를 들어, 기본 조광기는 전위차계를 사용하여 TRIAC(교류용 3극 진공관)을 제어하고, 이를 통해 조명의 밝기를 변경한다.

[그림 1] 회전식 전위차계의 일반적인 내부 작동 (이미지 출처: CUI Devices)

전위차계 유형

전위차계는 두 가지 주요 형태 즉, 아날로그와 디지털로 제공된다. 이 기사에서는 기계적 소자에 의존하여 출력을 조작하고 제어하는 아날로그 전위차계에 주요 초점을 둔다. 아날로그 전위차계는 선형 및 회전 형식으로 세분화된다.

회전식 전위차계는 와이퍼 소자에 연결되는 회전 손잡이 및 샤프트로 촉진되는 각 운동을 활용한다. 이 와이퍼 소자는 저항 소자를 따라 미끄러져 이동하므로 저항을 변경하고 이후 출력을 조정할 수 있다. 샤프트를 회전시킴에 따라 저항 및 출력도 변경될 수 있다. 또한 스크루드라이버와 같은 외부 도구를 사용하여 와이퍼를 움직일 수 있는 무샤프트 전위차계가 있으므로 물리적 샤프트가 필요하지 않다. 이는 일반적으로 트리머 전위차계 또는 트리머라고 한다.

반면 선형 전위차계는 슬라이딩 메커니즘을 통해 선형 또는 직선 운동을 사용하여 저항 소자와의 접촉을 설정한다. 이 선형 운동을 통해 저항을 변화시키고 이후에 출력을 조정할 수 있다.

아날로그 전위차계와 대조적으로 디지털 또는 전자 전위차계는 디지털 신호에 의존하여 출력을 제어하므로 기계적인 운동이 필요하지 않다.

[그림 2] 선형 전위차계와 회전식 전위차계의 비교 (이미지 출처: CUI Devices)

전위차계 대 가변 저항기 및 인코더

본질적으로 전위차계와 가변 저항기의 주요 차이점은 대상 응용 제품과 단자 구성에 있다. 전위차계는 주로 전압 제어에 사용되는 3단자 장치이고, 가변 저항기는 전류 제어를 위해 설계된 2단자 장치이다. 그러나, 연결되지 않은 단자 하나를 사용하여 전위차계를 가변 저항기로 사용할 수 있다.

반대로, 가변 저항기는 회로 내에서 전류 흐름을 조정하도록 특별히 설계되었다. 이 저항기는 일반적으로 두 개의 단자를 갖추고 있으며 높은 전력량과 권선 구조를 특징으로 한다. 가변 저항기는 일반적으로 고전류 응용 제품에서 램프 및 모터와 같은 장치에 대한 전류 흐름을 제어하는 데 사용된다. 또한, 저항 소자를 따라 슬라이드 소자의 위치를 조정함으로써 저항의 점진적 변화를 허용하는 고강도 전선 코일이 통합되어 있다. 전위차계와 달리, 가변 저항기는 저항값이 아니라 전력 처리 능력을 기준으로 사양이 지정된다.

다음으로 회전식 인코더와 전위차계의 경우, 둘 모두 샤프트의 회전을 감지할 수 있지만 서로 다른 원리로 작동하고 복잡성 수준이 다양하며 별도의 설정이 필요하다. 다음은 이러한 두 장치 간의 차이점에 대해 설명한다.

[그림 3] 전위차계 및 가변 저항기 회로 구성도 (이미지 출처: CUI Devices)

(1) 작동 원리

• 전위차계: 전위차계는 디지털 변형이 존재하기는 하지만 주로 아날로그 장치이다. 전위차계는 샤프트가 회전할 때의 저항 변화에 의존하여 위치를 나타내거나 전압 레벨을 조정한다. 

• 회전식 인코더: 회전식 인코더는 2진 논리를 사용하여 샤프트의 각위치 또는 운동을 디지털 신호로 인코딩 및 전송하는 디지털 장치이다. 이 장치는 일반적으로 정전 용량, 광학 또는 자기 감지 기술을 사용한다.

(2) 설정 복합성

• 전위차계: 전위차계는 일반적으로 더 간단한 설정 및 연결 과정을 제공한다. 전위차계는 복합적인 신호 조정 없이도 회로에 손쉽게 통합할 수 있다.

• 회전식 인코더: 디지털 장치인 회전식 인코더는 디지털 출력 신호를 처리하고 해석하기 위해 신호 조정, 디코딩 및 인터페이스 부품과 같은 추가 회로를 필요로 한다.

(3) 입력 범위 및 분해능

• 전위차계: 전위차계는 아날로그 특성 덕분에 무한대로 다양한 입력을 허용한다. 전위차계는 평탄하고 연속적인 값 범위를 제공하여 정밀한 제어가 가능하다. 또한 비선형 방식으로 전압을 분배하여 사용자 지정된 응답 곡선을 제공할 수 있다.

• 회전식 인코더: 회전식 인코더는 연속적으로 회전하여 뛰어난 분해능의 피드백을 제공할 수 있다. 회전식 인코더는 디지털 형식으로 정밀한 위치 또는 운동 정보를 제공하여 고분해능 제어 및 피드백을 가능하게 한다. 이는 정밀한 모터 제어 또는 위치 정확도를 필요로 하는 응용 제품에 특히 유용하다.

(4) 응용 시 고려 사항

• 전위차계: 전위차계는 오디오 시스템의 볼륨 조절이나 보정 과정의 미세 조정과 같이 아날로그 제어가 필요한 응용 제품에 주로 사용된다.

• 회전식 인코더: 회전식 인코더는 정밀한 디지털 피드백, 고분해능, 정확한 위치 감지가 중요한 산업, 자동화 및 로보틱스 응용 분야에서 선호된다. 회전식 인코더는 정밀한 각도 측정이 요구되는 모터 제어 시스템 및 응용 제품에서 뛰어난 성능을 제공한다.

전위차계 테이퍼

전위차계 테이퍼는 장치의 전기자가 회전하거나 와이퍼가 저항 소자를 따라 미끄러질 때 저항이 어떻게 변하는지를 나타낸다. 전위차계 테이퍼에는 주로 두 가지 유형 즉, 선형 및 로그(오디오 테이퍼라고도 함)가 있다.

선형 테이프를 가진 전위차계에서는 전기자 위치와 저항의 관계가 선형이다. 즉, 전기자 또는 슬라이드가 중간 위치에 있을 때 가변 저항은 전위차계의 전범위 저항의 1/2이다. 선형 테이퍼 전위차계는 가동 범위에 걸쳐 균일한 저항 변화를 제공한다.

로그 테이퍼 전위차계는 소리에 대한 인간 귀의 로그 감도를 모방하는 비선형 응답을 제공한다. 이 테이퍼는 볼륨 제어와 같은 오디오 장비에서 좀더 균형잡힌 볼륨 조정을 달성하기 위해 일반적으로 사용된다. 로그 테이퍼의 경우 회전 초기 단계의 작은 변화는 큰 볼륨 변화를 일으키고, 회전 후기 단계의 큰 변화는 더 작은 볼륨 조정을 제공한다. 또한 반시계 방향으로 작동하는 오디오 제어에 주로 사용되는 역로그 전위차계도 사용할 수 있다.

기타 주요 사양

전위차계를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 다른 주요 파라미터는 다음과 같다.

• 저항: 한 단자에서 다른 단자까지 저항 소자의 전체 길이에 걸친 저항을 나타낸다. 예를 들어 전위차계의 정격이 2kΩ(킬로옴)인 경우, 이는 트랙에 걸친 저항이 2kΩ 값을 가진 고정 저항기와 동일하다는 의미이다.

• 정격 전력: 최대 전력 등급은 전위차계가 과열 또는 고장을 방지하기 위해 처리할 수 있는 전력의 양을 나타낸다.

• 분해능: 저항의 점진적 변화 측면에서 전위차계의 정확도를 나타낸다. 일반적으로 전체 저항의 백분율로 표현되며 저항 소자에서 와이퍼의 점진적 이동마다 감지할 수 있는 가장 작은 저항 변화를 나타낸다.

• 슬라이딩 잡음: 전위차계의 내부 접촉 부품이 이동하는 동안 발생하는 전자 잡음이다. 이 잡음은 원하는 신호의 정확도를 방해하거나 원치 않는 아티팩트를 유발할 수 있다.

• 온도 계수: 작동 온도의 변화에 따라 전위차계의 저항이 어떻게 변할 수 있는지를 나타낸다. 온도 계수가 낮은 전위차계는 넓은 온도 범위에서 보다 안정적인 저항값을 제공하여 다양한 열 조건에서 일관적인 성능을 보장한다.

• 기계적 수명: 전위차계가 성능 사양을 유지하면서 견딜 수 있는 주기 수를 기준으로 하는 예상 수명이다.

결론

전위차계는 단순한 설계, 경제성, 넓은 저항 범위, 손쉬운 작동, 검증된 기술을 비롯한 다양한 장점을 제공한다. 또한, 전자 및 전기 시스템에서 전압 제어, 측정, 선형 또는 회전 운동의 정밀 감지를 위한 신뢰할 수 있는 장치로 사용된다. 그러나 제한된 대역폭, 전류 처리 능력, 기계적 마모, 잠재적인 전기적 잡음 발생과 같은 제한을 고려해야 한다.

이러한 제한에도 불구하고 널리 사용되는 이유는 신뢰성과 다양한 요구 사항을 충족할 수 있는 능력 덕분이다. CUI Devices는 다양한 프로젝트의 특정 요구 사항을 처리할 수 있는 포괄적인 회전식 전위차계 및 트리머 전위차계를 제공한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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