홍라이프 계산기커패시터 전원(트랜스리스 전원) 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
커패시터 전원(변압기 없는 전원)은 커패시터의 리액턴스로 상용 전압을 몇 볼트로 낮춰 작은 전자 회로에 전기를 공급합니다. 이 계산기는 Microchip 응용 노트 AN954를 따라 얻을 수 있는 출력 전류나 필요한 커패시터, 저항 전력과 기타 부담을 계산합니다.
계산 방법
- 커패시터 리액턴스 XC = 1 ÷ (2πfC)
- 공급 가능 전류(반파) I = (√2 × VRMS − VZ) ÷ [2 × (XC + R1)]
- 필요한 커패시터 C = 1 ÷ (2πf × [(√2 × VRMS − VZ) ÷ (2I) − R1])
- 출력 전압 = VZ − VD
- C1을 지나는 선로 전류 ≈ VRMS × 2πfC, R1 전력 = (선로 전류)² × R1, 여유를 위해 두 배
원리
교류에서 커패시터는 전력을 거의 소모하지 않는 저항처럼 동작하므로, 직렬 저항처럼 열을 내지 않고 전류를 제한할 수 있습니다. 제너 다이오드가 전압을 고정하고, 커패시터의 리액턴스가 흐를 수 있는 전류를 정합니다. 전류가 커패시터로 정해지므로, 충분한 전류를 보장하려면 가장 낮은 전원 전압과 주파수로 설계하고 부품 부담은 가장 높은 조건에서 확인해야 합니다.
예제 풀이
기본값: 220 V RMS, 60 Hz, C1 = 0.47 µF, R1 = 470 Ω, 제너 5.1 V, 다이오드 강하 0.6 V
- XC = 1 ÷ (2π × 60 × 0.47 × 10⁻⁶) ≈ 5,644 Ω
- I = (311.1 − 5.1) ÷ [2 × (5,644 + 470)] ≈ 25 mA
- 출력 전압 = 5.1 − 0.6 = 4.5 V, 최소 부하 저항 = 4.5 ÷ 0.025 = 180 Ω
- 선로 전류 ≈ 220 ÷ 5,644 ≈ 39 mA, R1 전력 ≈ 0.039² × 470 ≈ 0.714 W, 권장 정격 1.43 W
- 피상 전력 ≈ 220 × 0.039 ≈ 8.58 VA
| 최저 전원 전압 (V RMS) | 사용 가능한 출력 전류 (mA) |
|---|---|
| 55 | 5.9 |
| 110 | 12.3 |
| 165 | 18.7 |
| 220 | 25 |
| 275 | 31.4 |
| 330 | 37.7 |
| 440 | 50.5 |
결과 해석
이런 전원은 밀폐된 가전 속 표시 LED나 마이크로컨트롤러처럼 작고 일정한 부하에 맞습니다. 전류가 커패시터로 고정되므로 부하가 쓰지 않는 전류는 제너가 모두 흡수해야 하고 효율이 낮습니다. 사람이 만질 수 있는 기기에는 절연형 전원을 쓰십시오. 한국 상용 전원(220 V, 60 Hz)은 이 기본값과 같은 조건입니다.
흔한 실수
- 공칭 전압으로만 설계해 저전압에서 여유가 없는 경우
- 상용 전원용이 아닌 커패시터를 쓰는 경우(X2 안전 커패시터 필요)
- 돌입 전류도 제한하는 R1의 정격을 낮게 잡는 경우
- 절연 변압기 없이 접지된 오실로스코프로 측정하는 경우
자주 묻는 질문
커패시터 전원은 전류를 얼마나 낼 수 있나요?
보통 수십 mA이며, 커패시터의 리액턴스가 한계를 정합니다.
왜 X2 커패시터를 쓰나요?
전원선 사이에 연결하도록 안전 인증을 받았고 고장 시에도 안전하게 끊어지도록 만들어졌기 때문입니다.
커패시터 전원은 절연되어 있나요?
아닙니다. 출력이 상용 전원과 연결되어 있어 손이 닿지 않게 해야 합니다.
50 Hz 지역에서는 어떻게 되나요?
리액턴스가 커져 같은 커패시터로 얻는 전류가 약 6분의 5로 줄어드므로 커패시터를 키워야 합니다.
출처: Microchip Technology, Application Note AN954, Transformerless Power Supplies: Resistive and Capacitive · IEC 60384-14, Fixed capacitors for use in electronic equipment — Part 14: Capacitors for electromagnetic interference suppression and connection to the supply mains