‘어댑터의 작동 방식과 원리’

‘어댑터의 작동 방식과 원리’

지문해설 : 이 글은 가정에 공급되는 높은 교류 전압을 소형 전기 기기가 필요로 하는 낮은 직류 전압으로 바꾸어 주는 어댑터의 두 가지 방식인 선형 방식과 스위칭 방식을
비교하여 설명하고 있다. 선형 방식은 변압기로 교류 전압을 낮춘 뒤 정류기에서 전류가 한쪽 방향으로 흐르게 하고, 평활 회로로 전압의 변동을 억제한 다음 정전압 소자를 이용해 일정한 출력 전압을 만든다. 이 방식은 구성이 단순하지만 전력 손실과 발열이 크고 변압기의 크기가 커질 수 있다. 스위칭 방식은 정전압 소자 대신 스위치를 제어하여 원하는 전압을 만든다. 220 V 교류 전압을 정류기와 평활 회로로 변동이 적은 전압으로 바꾼 뒤, 반도체 스위치의 주기적인 온・오프를 통해 변화가 심한 전압으로 바꾸어 변압기에 입력한다. 이때 스위치가 한 주기 동안 켜져 있는 시간의 비율에 따라 변압기의 출력 전압이 달라지며, 비교 회로가 최종 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 스위치의 온・오프를 조절한다. 스위칭 방식은 전력 손실과 발열이 적고 변압기를 소형화할 수 있지만, 스위치의 온・오프로 인해 발생한 전압 변동이 노이즈로 남아 최종 출력 전압에 포함될 수 있다.

[주제] 어댑터의 선형 방식과 스위칭 방식의 작동 원리 및 특성

가정에 공급되는 전원은 220 V, 주파수가 60 Hz인 교류 전원으로 초당 60번 크기와 방향이 규칙적으로 바뀐다. 그러나 우리가 쓰는 소형 전기 기기들은 5 V에서 12 V 정도의 직류 전원을 공급해야 작동한다. 따라서 220 V의 높은 교류 전압을 낮은 직류 전압으로 바꾸어 주는 어댑터를 사용해야 한다.

어댑터에는 선형 방식과 스위칭 방식이 있다. ㉠ 선형 방식은 변압기, 정류기, 평활 회로, 정전압 소자로 구성된다. 변압기는 입력되는 전압에 변화가 생기면 자기장이 유도되어 출력 측에 발생하는 교류 전압을 높이거나 낮출 수 있는 장치이다. 전원이 공급된 후, 변압기를 통과하면서 크게 낮아진 교류 전압은 정류기에서 전류를 한쪽 방향으로 흐르게 하는 전압으로 바뀐다. 그런데 이 전압은 변동이 크기 때문에 이를 억제하기 위해 평활 회로가 사용된다. 평활 회로에는 에너지 저장 소자가 있어, 전압이 높을 때 일시적으로 전기 에너지를 저장했다가 전압이 낮아질 때는 에너지를 방출하여 전압 변동을 억제한다. 어댑터에서 출력되는 전압이 항상 일정하게 유지되지 않으면 이를 사용하는 전기 제품이 오작동을 일으킬 수 있다. 그래서 출력 전압이 고정된 정전압 소자를 이용하여 안정화된 직류 전원을 만든다. 예를 들어 5 V 정전압 소자에 출력 전압보다 높은 9 V 전압이 들어오면, 4 V에 해당하는 전력을 열로 소모하고 필요한 5 V만 출력한다. 선형 방식은 구성이 간단하지만, 전력 손실이 많고 열 발생이 과도하면 회로가 파손될 수 있다. 또한 일반적으로 입력 전압의 주파수가 낮을수록 변압기의 크기가 커서 주파수가 낮으면 어댑터의 크기가 클 수밖에 없다. 현재는 선형 방식의 단점을 해결하고 소형화, 전력의 고효율화를 이룬 스위칭 방식이 주로 사용되지만, 선형 방식도 특별한 경우에 사용되고 있다.

㉡ 스위칭 방식은 선형 방식과 동일한 기능의 전기 소자들이 사용되며, 정전압 소자를 사용하는 대신 스위치를 제어하여 원하는 전압을 만들어 낸다. 먼저 220 V 교류 전압이 정류기와 평활 회로를 거치며 변동이 적은 전압으로 바뀐다. 이 전압은 변화가 적어 변압기에 입력되어도 변압기의 출력 측에 전압이 거의 발생하지 않는다. 이 때문에 반도체로 만들어진 스위치를 사용하여 이 전압을 변화가 심한 전압으로 바꾼다. 스위치가 ‘온’인 동안은 입출력의 전압이 같아지고, ‘오프’인 동안은 전압이 발생하지 않는데, 스위치는 대략 10∼500 kHz 사이의 주파수로 온과 오프를 주기적으로 반복한다. 이때 한 주기 내에서 온 되어 있는 시간의 비율을 나타내는 온오프비에 따라 변압기에서 출력되는 전압이 달라진다. 그 비율이 커지면 출력 전압이 높아지고, 비율이 작아지면 전압이 낮아진다. 변압기에서 출력된 교류 전압은 다시 정류기와 평활 회로를 거쳐 어댑터의 최종 출력 전압이 된다. 이때 안정화된 직류 전원을 만들기 위해 비교 회로를 이용하여 최종 출력 전압이 기준 전압과 같아지도록 한다. 비교 회로는 최종 출력 전압을 기준 전압과 비교하여 스위치의 온․오프를 조정하는 신호를 생성한다. 스위칭 방식은 열로 소모되는 전력이 적지만, 스위치의 온․오프에 의해 생긴 전압 변동이 온․오프 신호와 동일한 주파수의 노이즈로 남아 최종 출력 전압과 함께 출력된다.

1. 윗글의 내용과 일치하지 않는 것은?

① 변압기는 교류 전압을 높게 만들 수 있다.
② 스위치는 온․오프를 통해 전압 변동을 억제한다.
③ 정전압 소자는 출력 전압을 항상 일정하게 유지하기 위해서 사용된다.
④ 가정에 공급되는 전원이 사용되는 어댑터는 높은 교류 전압을 낮은 직류 전압으로 변환해 준다.
⑤ 선형 방식에서 정류기는 방향이 바뀌는 전압을 입력받아 전류를 한쪽 방향으로 흐르게 하는 전압을 출력한다.

정답해설 : 4문단에 따르면, 스위칭 방식에서 스위치는 정류기와 평활 회로를 거쳐 변동이 적어진 전압을 변화가 심한 전압으로 바꾸는 장치이다. 즉 스위치의 주기적인 온・오프는 전압 변동을 억제하는 것이 아니라 전압 변동을 만들어 내는 역할을 한다. 2문단에 따르면, 전압의 변동을 억제하는 역할을 하는 것은 평활 회로이다. 정답 ②

[오답피하기] ① 2문단에서 변압기는 입력되는 전압에 변화가 생기면 자기장이 유도되어 출력 측에 발생하는 교류 전압을 높이거나 낮출 수 있는 장치라고 하였다. ③ 2문단에 따르면 어댑터에서 출력되는 전압이 항상 일정하게 유지되지 않으면 전기 제품이 오작동을 일으킬 수 있다. 그래서 출력 전압이 고정된 정전압 소자를 이용하여 안정화된 직류 전원을 만든다고 하였다. ④ 1문단에서 가정에 공급되는 전원은 220 V의 교류 전원인데, 소형 전기 기기들은 5 V에서 12 V 정도의 직류 전원을 공급해야 작동하므로 높은 교류 전압을 낮은 직류 전압으로 바꾸어 주는 어댑터를 사용해야 한다고 하였다. ⑤ 1문단에서 교류 전원은 초당 60번 크기와 방향이 규칙적으로 바뀐다고 하였고, 2문단에서 선형 방식의 정류기는 변압기를 통과하면서 크게 낮아진 교류 전압을 전류가 한쪽 방향으로 흐르게 하는 전압으로 바꾼다고 하였다.

2. 특별한 경우를 이해한 내용으로 가장 적절한 것은?

① 전원 장치의 전력 효율이 높아야 되는 경우에 해당한다.
② 소형화된 기계에 맞게 어댑터의 크기를 줄여야 하는 경우에 해당한다.
③ 전력 손실을 적게 하기 위해 전기 소자를 많이 써도 되는 경우에 해당한다.
④ 발열에 의한 회로의 손상을 방지하고 안정적인 전원 공급이 필요한 경우에 해당한다.
⑤ 최종 출력 전압에 불필요한 전압 변동이 남아 있으면 기기의 작동 성능에 문제가 발생하는 경우에 해당한다.

정답해설 : ‘특별한 경우’는 소형화, 전력의 고효율화를 이룬 스위칭 방식이 주로 사용되는 현재에도 선형 방식이 사용되는 경우를 가리킨다. 4문단에서 스위칭 방식은 스위치의 온・오프에 의해 생긴 전압 변동이 온・오프 신호와 동일한 주파수의 노이즈로 남아 최종 출력 전압과 함께 출력된다고 하였다. 2문단에서 어댑터에서 출력되는 전압이 항상 일정하게 유지되지 않으면 이를 사용하는 전기 제품이 오작동을 일으킬 수 있다고 하였다. 그래서 선형 방식은 출력 전압이 고정된 정전압 소자를 이용하여 안정화된 직류 전원을 만든다고 하였다. 따라서 최종 출력 전압에 남아 있는 불필요한 전압 변동이 남아 기기의 작동 성능에 문제가 발생하는 경우는 선형 방식을 사용하는 특별한 경우에 해당한다고 볼 수 있다. 정답 ⑤

[오답피하기] ① 3문단에서 선형 방식은 전력 손실이 많다고 하였고, 스위칭 방식이 전력의 고효율화를 이루었다고 하였다. 전원 장치의 전력 효율이 높아야 하는 경우라면 선형 방식이 아니라 스위칭 방식이 적합하다. ② 3문단에서 선형 방식은 일반적으로 입력 전압의 주파수가 낮을수록 변압기의 크기가 커서 주파수가 낮으면 어댑터의 크기가 클 수밖에 없다고 하였고, 스위칭 방식은 이러한 단점을 해결해 소형화를 이룬 방식이라고 하였다. 어댑터의 크기를 줄여야 하는 경우라면 스위칭 방식이 적합하다. ③ 3문단에서 선형 방식은 구성이 간단하지만, 전력 손실이 많다고 하였다. ④ 3문단에서 선형 방식은 열 발생이 과도하면 회로가 파손될 수 있다고 하였다. 또한 2문단에서 선형 방식의 정전압 소자는 남는 전력을 열로 소모한다고 하였고, 4문단에서 스위칭 방식은 열로 소모되는 전력이 적다고 하였다. 발열에 의한 회로의 손상을 방지해야 하는 경우라면 스위칭 방식이 적합하다.

3. ㉠과 ㉡에 대한 이해로 가장 적절한 것은?

① 공급되는 전원이 직류이면 ㉠과 ㉡ 모두 변압기에 출력 전압이 발생하겠군.
② ㉠의 정류기에 입력되는 교류 전압은 ㉡의 첫 번째 정류기에 입력되는 교류 전압보다 높겠군.
③ 어댑터의 출력을 바꾸려면 ㉠은 출력이 다른 정전압 소자로 교체하고, ㉡은 비교 회로의 기준 전압을 바꾸면 되겠군.
④ 변압기에 입력되는 전압의 주파수가 ㉠에 비해서 ㉡이 높으므로, ㉠에서 사용하는 변압기의 크기가 ㉡에서보다 작겠군.
⑤ 남는 전력을 ㉠에서는 열에너지로 소모하지만, ㉡은 에너지 저장 소자에서 전압 변동을 크게 만드는 형태로 소모하겠군.

정답해설 : 2문단에서 ㉠은 출력 전압이 고정된 정전압 소자를 이용하여 안정화된 직류 전원을 만든다고 하였다. 따라서 ㉠에서 어댑터의 출력을 바꾸려면 출력 전압이 다른 정전압 소자로 교체해야 한다. 한편 4문단에서 ㉡은 안정화된 직류 전원을 만들기 위해 비교 회로를 이용하여 최종 출력 전압이 기준 전압과 같아지도록 한다고 하였다. 따라서 ㉡에서는 비교 회로의 기준 전압을 바꾸면 그에 맞추어 최종 출력 전압도 달라진다. 정답 ③

[오답피하기] ① 2문단에서 변압기는 입력되는 전압에 변화가 생기면 자기장이 유도되어 출력 측에 발생하는 교류 전압을 높이거나 낮출 수 있는 장치라고 하였다. 공급되는 전원이 직류이면 전압에 변화가 없다고 볼 수 있으므로, ㉠에서는 변압기의 출력 측에 전압이 발생하지 않는다. 4문단에 따르면, ㉡은 스위치를 사용하여 변화가 심한 전압으로 바꾼 뒤 변압기에 입력한다. 따라서 ㉡은 변압기에 출력 전압이 발생한다. ② 2문단에서 ㉠은 전원이 공급된 후, 변압기를 통과하면서 크게 낮아진 교류 전압이 정류기로 입력된다고 하였다. 반면 4문단에서 ㉡은 220 V 교류 전압을 먼저 정류기와 평활 회로에 통과시킨다고 하였다. 따라서 ㉠의 정류기에 입력되는 교류 전압은 ㉡의 첫 번째 정류기에 입력되는 교류 전압보다 낮다. ④ 1문단에서 가정에 공급되는 전원의 주파수는 60 Hz라고 하였고, 4문단에서 ㉡의 스위치는 대략 10~500 kHz 사이의 주파수로 온과 오프를 반복한다고 하였다. 따라서 변압기에 입력되는 전압의 주파수는 ㉠보다 ㉡이 높다. 그런데 3문단에서 일반적으로 입력 전압의 주파수가 낮을수록 변압기의 크기가 크다고 하였으므로, 주파수가 낮은 ㉠에서 사용하는 변압기의 크기는 ㉡보다 크다. ⑤ 2문단에서 ㉠은 정전압 소자가 남는 전력을 열로 소모한다고 하였다. 그러나 2문단에서 에너지 저장 소자는 평활 회로에 있어 전압이 높을 때 전기 에너지를 저장했다가 전압이 낮아질 때 방출함으로써 전압 변동을 억제한다고 하였다. ㉡이 에너지 저장 소자에서 전압 변동을 크게 만드는 형태로 남는 전력을 소모하는 것은 아니다.

4. 윗글을 바탕으로 〈보기〉를 이해한 내용으로 적절하지 않은 것은? [3점]

보 기
스위칭 방식의 어떤 어댑터에 220 V, 60 Hz의 전원이 공급되고 있고, 온․오프 신호의 주파수는 100 kHz이며 기준 전압이 5 V이다. 어떤 순간에 최종 출력 전압이 4.5 V이고 이때 비교 회로 출력의 온오프비가 10%인 것으로 측정되었다. 전원 입력에서 변압기의 입력까지를 일차 측이라 하고, 변압기의 출력에서 어댑터의 최종 출력까지를 이차 측이라고 한다.

① 스위치가 계속 온 되어 있으면 변압기를 지난 교류 전압이 5 V까지 점점 높아지겠군.
② 최종 출력 전압에는 스위치를 지난 전압에 있는, 주파수가 100 kHz인 노이즈가 포함되어 있겠군.
③ 일차 측 평활 회로를 지난 전압은 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게 하고, 전압 변동이 적은 상태이겠군.
④ 이차 측 평활 회로를 지난 전압이 기준 전압에 비해 낮으므로 한 주기 내에서 스위치가 오프 되어 있는 시간은 줄어들겠군.
⑤ 스위치가 온 되어 있는 동안 스위치의 입력 전압은 스위치의 출력 전압과 동일하고, 오프 되어 있는 동안 스위치의 출력 전압은 0 V가 되겠군.

정답해설 : <보기>의 스위칭 방식 어댑터에서는 첫 번째 정류기와 평활 회로를 거친 후 변동이 적은 전압이 스위치에 입력된다. 4문단에 따르면 변동이 적은 전압이 변압기에 입력될 경우, 변압기의 출력 측에 전압이 거의 발생하지 않는다. 이 때문에 스위치를 10~500 kHz 주기로 온・오프하여 변압기에 입력되는 전압을 변화시키는 것이다. 스위치가 계속 온 되어 있다면 스위치의 출력 전압은 입력 전압과 같은 값으로 유지되어 전압의 변화가 없다. 따라서 변압기를 지난 교류 전압이 5 V까지 점점 높아질 수 없다.정답 ①

[오답피하기] ② 4문단에서 스위치의 온・오프에 의해 생긴 전압 변동이 온・오프 신호와 동일한 주파수의 노이즈로 남아 최종 출력 전압과 함께 출력된다고 하였다. <보기>에서 온・오프 신호의 주파수가 100 kHz라고 하였으므로, 최종 출력 전압에는 주파수가 100kHz인 노이즈가 포함될 수 있다. ③ 4문단에서 먼저 220 V 교류 전압이 정류기와 평활 회로를 거치며 변동이 적은 전압으로 바뀐다고 하였고, 2문단에서 변압기를 통과하면서 크게 낮아진 교류 전압은 정류기에서 전류를 한쪽 방향으로 흐르게 하는 전압으로 바뀐다고 하였다. 또한 평활 회로는 전압 변동을 억제한다고 하였다. 따라서 <보기>의 일차측 평활 회로를 지난 전압은 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하면서 전압 변동이 적은 상태라 할 수 있다. ④ <보기>에서 기준 전압이 5 V이고, 어떤 순간에 최종 출력 전압이 4.5 V라고 하였다. 그러므로 2차 측 평활 회로를 지난 최종 출력 전압이 기준 전압에 비해 낮다. 4문단에서 비교 회로는 최종 출력 전압이 기준 전압과 같아지도록 스위치의 온・오프를 조정하는 신호를 생성한다고 하였고, 온오프비가 커지면 출력 전압이 높아진다고 하였다. 따라서 출력 전압을 높이기 위해 온오프비를 키워야 하므로, 한 주기 내에서 스위치가 오프되어 있는 시간은 줄어든다고 볼 수 있다. ⑤ 4문단에서 스위치가 ‘온’ 인 동안은 입출력의 전압이 같아지고, ‘오프’인 동안은 전압이 발생하지 않는다고 하였다.