[2호]왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 4
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왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 4
글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 |
네번째 회로 만들기 / 트랜지스터
이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 네번째로 트랜지스터의 특성을 이해할 수 있는 회로입니다.
회로의 부품에 트랜지스터(Tr)가 추가 되었으므로 이 부품도 함께 설명합니다.
(공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
그림_“회로도 이해하기 (6)”에 회로도, 실체도, 부품리스트, 동작테스트 방법 및 주의사항이 나옵니다. 이 구성은 모든 회로예제에서 마찬가지입니다.
※ 처음 회로를 제작하시는 분은 “실체도”를 똑같이 제작하시기 바랍니다. 다음에 회로동작을 확인한 후 자신의 생각대로 부품배치를 바꿔서 동작시켜 보십시요.
▶ 회로설명
스위치(S1)을 닫으면 R1을 통해 C1으로 전하가 천천히 모입니다. 그 결과 C1의 전압이 서서히 상승합니다. 상승되가는 C1의 전압은 R2를 거쳐 Tr1의 베이스 전류(Ib)를 0 으로부터 천천히 증가시켜 갑니다. 트랜지스터(Tr)의 특성에 의해 콜렉터 전류(Ic)는 베이스 전류에 비례하여 증가하므로 LED1이 서서히 밝아집니다. ( Ic = hfe (증폭률) × Ib )
반대로 스위치(S1)을 열면 C1에 모여있는 전하가 (베이스 전류(Ib)를 통해서 완전히 방전될 때 까지) 서서히 감소하므로, 콜렉터 전류(Ic)도 따라서 감소하게 되고 그 결과 LED1이 서서히 어두워지면서 마침내는 완전히 꺼져버립니다. R3의 역할은 C1에 모여있는 전하를 완전히 방전시켜서, 다시 스위치(S1)을 닫을 때 전원을 투입한 처음상황과 똑같은 회로동작을 재현하도록 만드는 것입니다.
※ 베이스 전류 (Ib) = 베이스(B)에서 에미터(E)로 흐르는 전류
※ 콜렉터 전류 (Ic) = 콜렉터(C)에서 에미터(E)로 흐르는 전류
※ hfe(증폭률)은 트랜지스터 마다 다릅니다. (대개 50 – 200 정도입니다)
※ 제작할 때 사용한 트랜지스터(2SC1815)의 B, C, E 배열의 순서에 주의합시다.
▶ 추가실험
이 회로는 트랜지스터(TR)의 정상동작 여부을 시험해보는 회로로 사용하면 편리합니다. (대부분의 트랜지스터에서 잘 동작합니다.) 만약 다른 형번의 트랜지스터를 가지고 있으면 B, C, E를 잘 맞춰서 동작시켜 봅시다. 다른 응용은 (트랜지스터의 B, C, E 순서가 아리송할 때) 확실한 B, C, E 순서를 확인해 보는 회로로 사용할 수 있습니다. (트랜지스터의 B, C, E 배선이 하나라도 틀리면 회로는 전혀 동작하지 않습니다.)
지금까지의 회로에는 리드(lead)가 2 개 있는 부품만 사용되었습니다. (전지, 저항, LED, 스위치, 다이오드, 콘덴서) 이번 시간에는 세간에 “세발의 마술사”로 불리우면서 한 시대를 풍미한 트랜지스터(TR)를 소개하게 되었습니다. 지금은 이미 트랜지스터를 집적한 IC, LSI가 널리 사용되는 시대가 되었으므로, 트랜지스터가 단독으로 활약한는 부분으로는 인터페이스 부, 대(大)전류 제어부, 고주파 증폭부 등등으로 사용범위가 축소되었습니다. 그러나 IC, LSI를 비롯한 현대의 모든 전자소자가 궁극으로는 트랜지스터를 기본으로 설계/제조/집적되었으므로, 트랜지스터를 이해해야 하는 필요성은 예나 지금이나 마찬가지 입니다. (트랜지스터의 친척인 FET는 트랜지스터를 배우고 나면 이해가 간단합니다)’
트랜지스터 동작의 핵심(key point)
① 트랜지스터는 (전압이 아닌) 전류로 동작한다. ② 작은 (베이스) 전류로 큰 (콜렉터) 전류를 조절(control)할 수 있다. (이 기능으로 트랜지스터는 회로안에서 전류증폭기로 동작하며, 전압/전류 앰프(amplifier)가 됩니다)
※ 트랜지스터가 증폭한다는 말은 오해의 소지가 있습니다. 세상의 어떤물질이나 장치도 흡수한 에너지를 키워서 방출할 수는 없습니다. (물리적 기본법칙에 위배) 트랜지스터가 증폭한다는 말은 적은 에너지인 베이스 전류로 큰 에너지인 전원을 조절하고 변화시킬 수 있다는 뜻입니다. (이 때문에 증폭기능이 있는 모든 전자회로에는 반드시 전원(電源)이 필요한 것입니다)
※ 트랜지스터가 증폭하는 전류크기의 비는 hfe 값으로 나타내며 hfe = Ic / Ib 입니다.
※ Ic : 콜렉터 전류, Ib : 베이스 전류, hfe : 증폭률
트랜지스터 사용의 핵심(key point)
① 선형적(직선적) 전류 증폭기 모드 ② ON-OFF 영역에서만 동작하는 스위치 모드의 2 가지 모드로 동작시킬 수 있다.
첫번째 증폭기 모드가 트랜지스터를 아날로그 영역에서 사용하는 것이며, 두번째의 스위치 모드가 트랜지스터를 디지탈 영역에서 사용하는 것입니다. 디지탈 IC나 컴퓨터 칩에서는 트랜지스터를 스위치 모드에서 동작시킵니다.
반면에 라디오 IC나 오디오 IC, OP-AMP IC에서는 트랜지스터를 증폭기 모드로 동작시킵니다. 트랜지스터의 두 모드를 섞어서 사용할 수는 없습니다. 주변회로의 구성이 완전히 다르기 때문입니다. (우리의 네번째 회로에서는 트랜지스터의 증폭기 모드로 회로를 구성하여 실험하고 있습니다)
※ 초보자는 제작시에 트랜지스터의 두 모드를 구분하지 않아도 됩니다. 하지만 알고는 있어야 합니다. 대화하거나 질문할 때 요긴하게 쓰일 수도 있으니까요.
▶ 부품설명 : 트랜지스터 (Transister)
트랜지스터(TR)를 사용한 회로도를 해석하거나 제작시에 부품으로 사용하는 경우에는, 트랜지스터 종류에는 PNP과 NPN의 2 가지가 있다는 점에 유의해야 합니다.
트랜지스터는 외관과 모양이 여러가지이며 제조회사마다 B, C, E 리드(lead)의 배열을 배치하는 순서도 다르므로 부품 설명서에서 외양과 리드(lead) 배열을 반드시 확인하고 사용하는 습관을 들여야 합니다. (트랜지스터 pdf 파일형태의 부품 설명서는 온라인에서 쉽게 구할 수 있습니다)
네번째 회로 만들기 / 트랜지스터
이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 다섯번째로 2개의 트랜지스터를 사용한
“비안정 멀티바이브레이터”회로를 설명합니다.새롭게 추가되는 부품은 없습니다.함께 설명합니다.
(공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
아래의 “회로도 이해하기 (7)”에 회로도, 실체도, 부품리스트, 동작테스트 방법 및 주의사항이 나옵니다. 이 구성은 모든 회로예제에서 마찬가지입니다.
※ 처음 회로를 제작하시는 분은 “실체도”를 똑같이 제작하시기 바랍니다. 다음에 회로동작을 확인한 후 자신의 생각대로 부품배치를 바꿔서 동작시켜 보십시요.
▶ 회로설명
실험에 사용한 “비안정 멀티바이브레이터” 회로는 일정한 주기를 갖고 무한히 진동하는 회로 입니다. 이렇게 무한진동이 발생하는 회로를 발진회로라고 부르며, 이 회로는 2 가지 전압상태만을 무한히 되풀이 함으로 펄스발진회로라고 불려집니다. (펄스발진회로는 디지탈 회로의 범주에 속한다)
※ 상승구간 (T1) = 0.69 × R1 × C1 (초)
※ 하강구간 (T2) = 0.69 × R2 × C2 (초)※ T (전체주기) = T1 (상승구간) + T2 (하강구간) = 1.38 × R1 × C1
(초)회로동작의 자세한 풀이는 상당히 복잡하여 우리의 학습범위를 벗어나므로 여기서 자세히 설명하지 않습니다. 회로를 제작하는 것도 생각하는 것 보다는 까다로우므로 서두르지 말고 차분히 제작에 임하시기를 권합니다. (이 정도의 회로만 제작할 수 있으면 앞으로 그다지 어려운 회로는 없다.) 회로가 성공적으로 동작하면 번갈아 가며 아름답게 반짝이는 한 쌍의 불빛과 만날 수 있습니다.
▶ 추가실험
R1, C1과 R2, C2의 값을 변경시켜 보면 T1과 T2가 변화되는 것을 LED1과 LED2의 점등시간의 변화로 확인할 수 있습니다.
단지 트랜지스터가 2 개 얽혀진 회로도 상당히 복잡하다는 것을 느낄 수 있습니다. 실험에 사용한 “비안정 멀티바이브레이터”의 회로동작을 전기적으로 해석하려고 하면 몇 개의 수식과 함께 수 페이지의 공간이 필요하게 됩니다. 회로해석이 이와같이 금방 복잡해지기 때문에, 원칙적으로는 트랜지스터만으로 모든 회로를 설계할 수 있지만, 빠르고 정확하게 설계하기 위해서는 전용의 로직 IC를 사용하게 됩니다. (디지탈 회로는 TTL이나 CMOS 종류의 로직 IC로, 아날로그 회로는 OP-AMP IC를 주로 사용한다) 더욱 복잡한 디지탈 회로가 필요하게 되거나 제작후에 동작기능이 변경될 가능성이 있는 경우가 되면 프로그램이 가능한 로직 IC 즉 마이컴의 사용을 강력히 고려하는 단계로 발전하게 됩니다.
이 이야기는 2 개의 트랜지스터를 사용한 복잡도를 가진 회로를 해석하고 제작할 수 있으면 개별부품만을 사용한 제작은 거의 마스터했다고 해도 과언이 아니라는 뜻입니다. 10 여년 전만해도 트랜지스터를 여러개 사용된 복잡한 회로도 많이 설계되었으나, 현재에는 IC를 사용해 회로를 (의미별로) 단위 블럭화한 후 단위블럭을 모아서 커다란 전체회로를 만드는 기법이 주로 사용되고 있습니다.
언뜻 보기에 매우 복잡해 보이는 회로도 실제로는 간단한 단위블럭으로 해체하여 해석하고 시험해 볼 수 있는 경우가 대부분 입니다. 이런 이유로 막막해 보이는 회로공부도 차분히 노력하다 보면 어느새 실력이 부쩍 늘어있는 경우를 왕왕 발견하는 것입니다.
여섯번째 회로 만들기 / 555
이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 여섯번째로 555 (Timer IC)를 이용한 펄스열 발생 회로입니다.
회로의 부품중에 555 Timer IC가 추가 되었으므로 이 부품도 함께 설명합니다.
공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
아래의 “회로도 이해하기 (8)”에 회로도, 실체도, 부품리스트, 동작테스트 방법 및 주의사항이 나옵니다. 이 구성은 모든 회로예제에서 마찬가지입니다.
※ 처음 회로를 제작하시는 분은 “실체도”를 똑같이 제작하시기 바랍니다.
다음에 회로동작을 확인한 후 자신의 생각대로 부품배치를 바꿔서 동작시켜 보십시요.
▶ 회로설명
실험에 사용한 회로는 555 Timer IC를 사용한 펄스발진 회로로 연속된 펄스열을 발생시킵니다.
회로에 사용한 R1, C1의 값으로 555 IC의 3 번 출력핀에연결된 LED에 표시되는 펄스의 전체주기(T)는 약 1.4초가 됩니다. (555 IC 사양참조) 555 응용회로는 여러가지가 있으나, 실험에서 사용한 회로는 상승구간(T1)과 하강구간(T2)의 길이가 같으며 각각 1.4 /2 = 0.7초 입니다. 그 결과 555 IC의 3 번 출력핀에 연결된 LED1은 점등/소등 현상을 반복하게 됩니다. (출력핀의 상태가 상승구간일 때 LED1 점등, 하강구간일 때 LED1 소등)
※ T (전체주기) = T1 (상승구간) + T2 (하강구간) = R1 × C1 / 0.72 (초)
※ T1 (상승구간) = 0.69 × R1 × C1 (초)
※ T2 (하강구간) = 0.69 × R1 × C1 (초)
※ 펄스 (pulse) : 펄스의 의미는 (손목에 손가락을 대서 맥박을 느낄 때 처럼) 순간적으로 나타났다 바로 사라지는 현상을 표현하는 말입니다. 디지탈 세계에는 (한 자리에서) 단지 두 가지 상태만이 존재하므로, 관측하는 모든 현상은 펄스나 펄스의 열로 보여지게 됩니다. (펄스에도 여러종류가 있으나 우리 강좌에서는 펄스의 종류를 따로 구분하지 않습니다)
▶ 추가실험
R1과 C1의 값을 변경하고, 변화된 LED1의 주기를 계산값과 비교해 봅니다.
▶ 부품설명 : 555 (Timer IC)
555 Timer IC는 재주가 많은 특이한 IC 입니다. (실제로 필자가 전자회로의 세계에 입문한 동기도 555 IC를 만났기 때문입니다) 555 IC는 IC 외부에 연결하는 저항과 콘덴서를 사용하여 일정한 주기의 펄스열 또는 (하나의) 펄스를 발생시키는 기능을 가지고 있습니다. 555는 몇 개의 저항과 콘덴서만으로 작동하므로 사용하기가 쉽우며, 펄스의 주기나 주파수의 계산도 간단합니다.
555가 사용하는 전원범위는 4.5V 에서 16V 까지이며, 발생시킬 수 있는 펄스간격도 최저 약 1 시간에서 최고 0.00005초 까지로 범위가 매우 넓습니다. 이러한 기능을 이용하여 정확한 타이머를 만들 수도 있고 재미있는 소리와 반짝이는 불빛을 발생시키기도 합니다.
IC 외부에 연결된 저항과 콘덴서의 값으로 주기가 정해지는 출력펄스를 발생하므로, 거꾸로 출력된 펄스의 시간을 측정함으로써 연결된 콘덴서의 용량값을 측정할 수도 있습니다. (저항값의 측정도 마찬가지 입니다. 물리적 세계를 측정하는 센서(sensor) 에는 물리량의 변화를 저항값의 변화로 변환시켜 출력하는 타입의 센서가 많으므로 555를 사용하면 쉽게 측정회로를 설계할 수 있습니다)
이와같이 555 IC의 응용을 주제로 하면 책 한권 만드는 분량이 될 정도로 쓰임새가 다양한 IC 입니다.
다음편에서 계속 됩니다.