[2호]왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 5
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왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 5
글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 |
일곱번째 회로 만들기 / 코일
이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 일곱번째로 555 (Timer IC)의 펄스열 발생회로를 사용하여
코일의 특성을 이해할 수 있는 회로입니다.
회로의 부품중에 코일이 추가 되었으므로, 아래에 설명합니다. (공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
그림 “회로도 이해하기 (9)”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 555 Timer IC 회로는 (여섯번째 회로와 같은) 펄스열 발생회로 입니다. 그러므로 555 IC의 3 번 출력핀에서는 주기(T)가 약 1.4초 간격인 펄스열이 발생됩니다. 발생된 펄스를 전압으로 관측하면 주기 T의 구형파(square wave)가 나타납니다.
이 출력전압에 의한 전류는 2 줄기로 나누어져 GND(0V)로 흘러갑니다.
(① R2 → LED1 ② D1 → L1, C2 → R3 → LED2) 한 줄기의 전류는 R2를 거쳐 LED1으로 전달되므로 LED1은 약 1.4초의 간격으로 점등/소등을 되풀이합니다. 다른 줄기의 전류는 D1을 거친 후에 L1과 C2로 구성된 로우패스 필터 (LPF)에서 직류로 변환됩니다. 이 직류전압에 의한 전류가 R3을 거쳐 LED2로 흐르므로 LED2는 (점멸하지 않고) 켜져있게 됩니다.
▶ 추가실험
L, C로 구성된 로우패스 필터 (LPF)를 낮은 주파수에서 동작하게 만들려면 L과 C를 곱한 값이 매우 커져야 합니다.
실험에 사용된 L1은 쉽게 구입할 수 있는 반면에 크기가 330μH로 너무 작습니다. (코일값이 커지면 따로 주문해야 하므로 소량으로 구입하기 어렵습니다) 그 때문에 회로의 필터에서 코일이 담당하는 역할이 콘덴서의 역할에 비해 너무 미미해 졌습니다. 그 결과로 LC 로우패스 필터(LPF)의 우수한 점이 우리 회로에서는 확실히 나타나지 않습니다.
ㅛR과 C의 부품으로 구성되는 로우패스 필터를 만드려면 코일만 저항으로 바꾸면 됩니다. 실험을 위해 코일자리를 100Ω 미만 값의 저항으로 대치하여 (바꾸어서) 동작을 확인해 봅니다. LED2의 동작은 LC 필터와 같은 결과를 보여줍니다.
▶ 부품설명 : 코일 (Inductor, 정격 단위는 헨리 [H로 표기] )
코일은 신기한 부품입니다. 전선을 길게 쭉 뻗어 놓으면 아무 일도 일어나지 않습니다. 그러나 전선을 같은 방향으로 둘둘 감아 놓으면 교류 에너지를 저장하는 코일이라는 부품이 됩니다. 코일 값을 크게 하려면 코일 가운데 페라이트(ferrite) 코아를 넣습니다. (페라이트 코아의 모양은 I형, O형이 있습니다)
코일은 전자회로에서는 필터회로, 안테나 회로등에 사용되는 정도지만, 발전기, 변압기, 모터등의 전력용 기기에서는 전기 에너지와 기계 에너지를 상호교환 하는 핵심부품으로 중요한 역할을 수행합니다. 코일에 전류가 흐르면 코일 주변에는 자기장이 형성되는데, 하나의 자기장이 영구자석이나 또 다른 코일의 자기장과 상호작용하는 과정에서 힘이나 토오크가 발생됩니다. 이런 이유로 힘이나 토오크를 발생시키는 장치를 설계하거나 성능을 개선하기 위해 코일이 발생하는 공간자속의 분포를 해석하는 작업이 매우 중요하게 되었습니다. 인터넷에 찾아보면 PC를 사용하여 코일의 자기장을 계산하는 finite element analysis (FEA) 공개 프로그램을 발견할 수 있을 것입니다.
※ FEA 에 관심있는 분은 David Meeker의 free modelling package, FEMM v4.0 을 참조하십시요.
여덟번째 회로 만들기 (단안정 멀티바이브레이터)
새롭게 추가된 부품은 없습니다.
(공통 부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
그림_“회로도 이해하기 (10)”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
555 IC의 2 번핀 상태를 주목해 봅시다. 스위치(S1)이 열려있으면 555 IC의 2 번핀은 R3를 통해 전원으로 연결되어 있으므로 ‘H’상태입니다. 스위치(S1)을 닫으면 (여전히 전원에는 R3가 연결되어 있지만) S1을 통해 GND(0V)로 곧바로 연결되므로 ‘L’상태로 바뀝니다. (저항을 통하지 않는 쪽이 영향을 크게 미칩니다. 이렇게 저항과 스위치로 ‘H’와 ‘L’을 변경하는 회로는 아주 많이 사용됩니다. )
※ 만일 회로에서 R3를 없애서 2 번핀이 바로 전원에 연결되어 있다면?
→ 스위치(S1)을 닫는순간 전원과 GND(0V)가 단락(short) 상태로 됩니다. 이런 경우는 전원인 전지가 커다란 전류때문에 뜨거워지고 내부가 파손(소손)됩니다. (회로가 단락(short)되는 것은 최악의 상황으로 무조건 피해야 합니다.)
555 IC의 사양에 의하면 2 번핀은 트리거(Trigger) 핀이며 ‘H’→ ‘L’로 상태가 바뀌는 순간 동작합니다. 우리 555 IC 회로의 구성은 “단안정 멀티바이브레이터” 이며, 2 번핀이 트리거될 때 주기(T)의 구형펄스가 딱 하나 발생합니다. 발생한 펄스는 3 번핀에 연결된 R2와 LED1에 의해 확인할 수 있습니다.
※ T (주기) = 1.1 × R1 × C1 (초)
▶ 추가실험
R1과 C1의 값을 변경하고, 변화된 LED1의 주기를 계산값과 비교해 봅니다.
원하는 시간에, 원하는 길이의 펄스를 딱 하나 발생시킬 수 있는 능력은 얼핏 생각하기 보다 훨씬 중요한 뜻을 가지고 있습니다. 하나가 맘대로 된다는 말은, 하나를 두번 되풀이 하여 (원하는) 둘을 만들 수 있다는 뜻입니다. 따라서 같은 논리를 여러번 되풀이 하면 결과적으로 내가 원하는 어떤 형태의 펄스열이라도 만들 수 있게 됩니다. 우리 인류는 이렇게 발생시킨 펄스열을 사용하는 능력을 개발하여 최근의 디지탈 통신(communication)과 같은 수 많은 일을 할 수 있게 되었습니다.
※ 원하는 시간에 임의 형태의 펄스열을 주고받는 그 자체가 바로 통신(communication) 입니다.
어느덧 우리 강의도 마지막 회에 도달하였습니다. 강의 시작에서 말씀드렸듯이 본 강의의 목적은 전자회로의 초보자로 하여금 회로도를 이해하고 실제부품을 사용하여 전자회로를 제작할 수 있도록 안내하는 것입니다. 회로도는 일종의 언어라고 말씀드렸습니다. 언어를 이해하려면 단어와 문법을 알아야 합니다. 회로도에서 부품의 심볼과 사용하는 용어는 단어에 해당하며 여러가지 약속과 규칙은 문법에 해당합니다.
그런 이유로 강의에서 10 가지 기본부품과 관련된 심볼, 용어를 설명하였고 회로도에 관련된 약속을 설명하였으며 몇 가지의 실제회로를 제작하면서 동작을 실험해 보았습니다. 그렇다면 회로도의 약속을 제작자가 100% 준수하였다는 것을 어떻게 알 수 있겠습니까? 그 답은 제작된 회로를 동작시켜 확인해 보는 것입니다. 회로가 잘 동작한다는 것은 회로도가 충실히 재현되었다는 것을 의미하게 때문입니다.
우리 강의는 대학의 정규 커리큘럼이 아니므로 수강비도 없지만 기말시험도 없습니다. (시험이 꼭 나쁘지 만은 않습니다. 대학에서 시험이 없다면 우리가 강의에서 획득하는 지식의 양은 지금의 반의 반도 안될 것입니다) 그러나 부품을 구입하여 회로를 제작하고 동작시켜 보았으면 여러분은 이 강좌를 수료할 수 있는 자격을 스스로 획득한 것입니다.
강좌를 수료하고 나니 느낌이 어떻습니까? 그동안 고생은 하였지만 분명히 뿌듯한 기분을 가질 수 있을 것입니다. 그렇습니다! 이제 우리는 전자회로를 만들 수 있습니다. 회로도를 보아도 예전처럼 기하적인 그림으로 보이지는 않을 것입니다. 여러분은 회로도를 특수한 의미를 가지고 있는 설계도이며 부품을 구해서 만들어 볼 수 있는 구체적인 안내서로 바라볼 수 있을 것입니다.
이제는 다음 단계를 이야기 하겠습시다. 필자가 여러분에게 이런저런 좋은 말로 전자회로를 공부해 보시라는 이유는 센서와 인터페이스, 마이컴, 컴퓨터 기술을 적절하게 구사할 수 있으면 로봇(robot)과 같이 과학기술을 응용하는 전문분야의 연구에 입문(入門)할 수 있기 때문입니다.
센서(sensor)의 원리를 이해하는 문제는 센서의 종류마다 다르지만 사용방법은 결국 전자회로로 귀착됩니다. 인터페이스는 아날로그부(센서, 파워부)와 디지탈부(컴퓨터부)를 연결해주는 부분으로 전자회로로 이루어 집니다. 마이컴도 동작은 (마이컴)프로그램에 달려 있지만 동작시키는 모든 준비는 전자회로의 영역을 벗어나지 못합니다. (마이컴도 결국은 하나의 IC에 불과하니까요.) 컴퓨터도 프로그램을 빼고 생각하면 그 자체로 커다란 전자회로 뭉치일 뿐입니다. 인터넷을 위시한 통신도 결국은 마찬가지 입니다.
자 이제 전자회로를 어느정도 이해할 수 있으니 우리의 목표인 로봇(robot)이나 코일 건(coil gun), 과학실험장치와 같은 응용기기의 개발과 제작에 성큼 한발 다가섰습니다. 다음 목표는 현대 전자부품의 꽃인 마이컴(micro computer)을 이해하고 사용하는 것입니다.
지금의 우리시대는 온통 마이컴과 컴퓨터로 대표되는 디지탈(digital) 왕국으로 변해버렸습니다. 심지어 전자회로도 과거의 영화를 멀리하고 마이컴의 주변으로 활동범위를 축소, 제한하고 있습니다. 그러므로 지금 단계에서 전자회로의 공부에 깊이 빠져들 필요는 없습니다. “모든 길은 로마로 통한다”라는 말은 현대에서 “모든 회로는 마이컴으로 통한다”로 바꾸어야 할 정도가 되었습니다.
지금에 보면 전기/전자/컴퓨터 기술자와 연구자는 마이컴 이해여부에 따라서 두 집단으로 나뉘어진다고 말해도 과언이 아닙니다. 그러나 마이컴은 책 한두권 또는 강좌 한 두개를 섭렵한다고 해서 쉽게 이해되는 대상은 아닙니다. 마이컴 기술은 전자회로의 지식과 프로그래밍의 이해를 배경으로 하여 설명됩니다. 우리의 주변상황은 프로그램을 배우기는 상대적으로 용이하나 전자회로는 배울 곳이 거의 없습니다. (그 이유는 전자회로가 배울만한 가치가 없어서가 아니라 전자회로를 알고 활용하는 사람이 적어 가르치는 곳이 드물기 때문입니다)
그러나 마이컴을 내장된 프로그램에 따라 동작이 정해지는 IC로 생각한다면 사용하는 방법은 어렵지 않습니다. 그냥 일반 로직 IC와 같이 사용하면 되니까요… 마이컴이 배우기 어렵다는 말의 의미는 수 많은 종류의 마이컴마다 서로다른 프로그램 작성법 때문입니다. (마이컴은 종류마다 하드웨어(hardware)가 다르게 설계되므로, 하드웨어와 밀접한 관계를 맺고있는 기계어 명령도 종류마다 다릅니다) 또 마이컴에 사용되는 프로그램은 일반 개인용 PC에서 작성되고 기계어 코드(machine code)가 생성되지만, 개발된 프로그램의 동작을 확인해 보려면 마이컴에 옮겨담는 과정을 거쳐, 마이컴이 동작할 수 있는 회로안에서 작동시키고 시험하는 과정을 반복해야 합니다. 어떤 프로그램도 완전하게 작동하려면 많은 버그(bug)를 잡아내는 수정과정이 필요하므로 설명한 프로그램 개발과정이 (시간이나 비용면에서) 만만치 않으리라는 예상을 쉽게 할 수 있습니다. (시뮬레이션 프로그램을 사용하거나 전문적인 ICE 장비를 사용하는 방법도 있습니다. 그러나 시뮬레이션방법은 제약이 많으며 전문 ICE 장비는 고가(高價)이며 학습기간도 많이 필요합니다.)
이와같이 마이컴의 프로그램을 작성하고 시험하는 방법을 배우는 것은 큰 도전입니다. 학습에 필요한 노력과 시간, 자금도 많이 필요합니다. (대학생인 경우 1 종류 마이컴 습득에 6 개월정도) 그러나 일단 배워서 사용할 수 있게되면 자부심으로 목에 힘 주고 활보할 수 있습니다. 우리의 응용 프로젝트 개발에서도 마이컴은 당연히 많이 사용될 것입니다. (마이컴을 사용하면 사용하지 않을 때보다 훨씬 간단하고 신뢰할 수 있는 회로를 만들 수 있습니다) 그러나 마이컴의 사용방법도 지금까지 우리가 공부해온 “회로도 보고 제작하기”의 범위를 벗어나지 않습니다.
※ 오픈 프로젝트나 다른 공동작업을 할 때는, 이미 마이컴에 기록되어 있는 프로그램을 수정할 필요가 생깁니다. (기능이 추가되거나 변경, 개선될 때) 이런 경우를 대비하여 마이컴의 롬(ROM)안에 미리 부트로더(bootloder) 프로그램을 기입해 놓으면 새로운 프로그램을 PC의 COM 포트(RS232C)에 연결하여 (마이컴으로) 다운로드할 수 있습니다.
※ 부트로더(bootloder) 프로그램의 사용은 원칩 마이컴 롬(ROM)에 플레시롬을 사용한 경우에 한정됩니다. 우리의 응용 프로젝트에는 마이크로칩사의 원칩 마이컴 16F87x 시리즈를 사용하므로 부트로더를 사용할 수 있는 환경입니다.
▶ 왕초보 전자회로 강의를 종료합니다. 수고하셨습니다.
다음 강의에 만나 뵙겠습니다.