[3호]왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 2

왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 2 글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 통하여 사용을 득한 내용입니다.

점점 게을러지는 LED를 만나보자.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 점점 게을러지는 LED 회로

▶ 회로설명 (circuit description)
이쯤에서 슬슬 555의 동작원리를 설명해 둘 필요가 있습니다.
지금까지 4회에 걸쳐 555의 역사 및 연속발진과 펄스발진의 기본회로를 계산식과 함께 설명하고, 555 IC의 작동를 검사할 수 있는 회로까지 선을 보였습니다. 그러나 어디에도 555가 “어떤 원리로 동작하는지” 감을 잡을 수 있는 단서는 없었습니다. “이거 초보자 회로라고 싹 무시하는거 아냐? 누굴 붕어빵 장사로 아나?”라는 항의가 들리는 듯 합니다.
맞습니다. 원리를 모르면 기본 회로조차 활용할 수 없습니다. 그러나 장황하게 미주알 고주알 설명한다는 것은 역시 피해야 하겠습니다. 우선 전체적인 원리부터 파악해 나가기로 하면 어떻겠습니까?

먼저 첫 번째 이야기 즉 “재미있는 555 Timer IC 이야기” 페이지를 참조해 보겠습니다. 두 번째 그림인 555 IC 내부구조를 소개한 그림 내에서 각 5K 저항인 R7, R8, R9를 찾아 보십시요. 이 세개의 연결된 저항이 중요한 역할을 합니다. R7의 한 단자는 전원(Vcc, VDD)에 연결되어 있고, R9의 한 단자는 GND(0V)에 연결되고, 각 저항값이 모두 5K로 같으므로 이 R7, R8, R9 세 저항으로 구성된 회로는 전원 전압을 3등분 한다는 것을 알아채는 것이 핵심입니다.
즉 R7와 R8의 연결점은 Vcc의 2/3 값이며, R8과 R9의 연결점은 Vcc의 1/3 값이 되는 것이지요.
555 IC는 (지금 설명한) 내부의 2/3 Vcc, 1/3 Vcc를 상한, 하한의 기준전압으로 하고 이 2개의 기준전압과 외부에서 가해지는 전압을 비교함으로써 출력의 상태를 결정합니다.
555 Timer IC는 (외부에서) 6번핀에 가해지는 전압이 2/3 Vcc보다 높아지는 순간 3번 출력핀을 ON으로 셋트(set)하고, 2번핀에 가해지는 전압이 1/3 Vcc보다 낮아지는 순간 3번 출력핀이 OFF로 리셋(reset)시킵니다. 2, 3번 핀의 전압이 2/3 Vcc에서 1/3 Vcc로 떨어지거나, 반대로 1/3 Vcc에서 2/3 Vcc로 올라가는 동안에는 출력핀의 상태가 변하지 않습니다. (디지털회로의 SET-RESET FLIP-FLOP 동작과 같습니다)

마지막으로 하나만 더 555 단독으로 지속적인 구형파(ON-OFF 상태만을 가지고 있는 사각파)를 만들어 내는데 사용하도록 출력이 ON 상태일 때, 7 번핀이 (555 내부에서) GND로 연결되도록 회로가 설계되어 있습니다. (출력이 OFF인 상태에서 7번핀은(내부에서) 아무데도 연결되지 않는, 소위 오픈(OPEN) 상태로 됩니다. 즉 555 내, 외부의 회로에 아무런 영향도 주지 못합니다) 지금까지 설명한 2, 6, 7번핀의 기능이 555 동작의 핵심이 됩니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
① 스위치(SW1)를 닫으면 R4를 통해서 C3에 전하가 채워지고, 그 결과 C3 전압은 6V가 됩니다.
② C3 전압의 압력으로, (직렬연결된) R1과 R2를 통해서 C1에 전하가 채워집니다. 그 결과 C1의 전압은 0V 에서부터 상승하기 시작합니다. 555는 (연결된) 2번과 6번핀으로 C1의 전압을 관찰하고 있습니다.
③ 드디어 C1의 전압이 2 V (1/3 Vcc)를 넘어섭니다. 555는 이 순간을 2번핀을 통해서 알아채고 출력을 리셋(reset)시켜 OFF 상태로 만듭니다. 그러나 555의 초기상태 출력이 OFF 상태였으므로, 외관상 출력변화는 관찰되지 않습니다. (LED가 계속 켜져 있습니다)
④시간이 흘러감에 따라 C1의 전압이 점점 상승하여, 마침내 4V (2/3 Vcc)를 넘어섭니다. 이 순간을 555는 6번핀으로 낚아채어, 출력을 ON으로 셋트(set) 시킵니다. 이제 출력에 연결된 LED가 꺼져 변화가 감지됩니다. 동시에 555의 7번핀이 (555 내부에서) GND로 연결됩니다. 전류 상황이 바뀌었습니다. 이제 C3의 전하는 R1을 거쳐서, 555 7번핀을 통해 GND로 흘러갑니다. 동시에 C1에 축적되었던 전하도 R2와 555 7번핀을 거쳐서 GND로 흘러듭니다. 그 결과 (충전시보다 2배의 속도로) C1의 전압이 하강하기 시작합니다.
⑤ C1 전압이 점점 떨어져서 2V(1/3 Vcc)이하로 내려섭니다. 555는 2 번핀으로 감지하고, 출력을 리셋(reset)시키고 7번핀을 오픈(OPEN) 상태로 만듭니다. LED는 다시 켜집니다. 또 다시 전류흐름이 바뀝니다. (555 7번핀이 GND에서 분리되었으므로) C3의 전하가 R1과 R2를 통해서 C1으로 이동합니다. 그 결과 C1의 전압이 (2V에서) 다시 상승하기 시작합니다.
⑥ 4번으로 돌아갑니다. (즉 4번 상황과 5번 상황이 무한히 반복됩니다.) 지금까지 설명한 내용은 정상적인 555동작을 보여주고 있습니다. 그러나 이번 회로에서는 약간 조건을 비틀어 놓았습니다. 그림의 회로에서 스위치(SW1)를 열어버리면 어떻게 되겠습니까? C1에 공급되는 전하를 C3(100uF)에서 공급받는 점은 변함이 없지만, C3는 이제 전원과 분리되어 있으므로 소비되는 전하를 보충할 길이 없습니다. C3의 고갈되어 가는 전하는, C3 전압이 떨어지는 결과로 되어 C1에 전하가 충전되어 가는 속도를 점점 늦추게 됩니다. 결국 C1의 전압이 점점 늦게 상승하게 되므로 LED의 깜박임도 서서히 늦어지게 되고, 최후에는 완전히 멈추게 됩니다.

전자 메트로놈(Metronome)을 만들어보면…

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 메트로놈 회로

▶ 회로설명 (circuit description)
이번에는 555의 구형파 출력을 소리로 변환하는 회로를 실험하는 것입니다. 우리는 인간(人間)의 귀가 20-20,000Hz의 주파수의 (공기)진동을 소리로 감지(感知)할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 555가 출력하는 구형파의 상승, 하강 부분에는 여러가지 주파수의 진동이 섞여 있습니다.
다만 전기적 진동이지요. 이 전기 진동을 공기의 진동으로 변환하여 우리가 소리로 인지할 수 있도록 해 주는 부품이 바로 스피커입니다.
그런데 이번 실험에서는, 555로 출력되는 구형파의 주파수 변화를 바로 소리의 높낮이로 연결하지는 않습니다. 오히려 주파수보다는 시간을 중시합니다. 구형파 한 주기 내에서의 ON시간을 (OFF 폭보다) 훨씬 짧게 만들어 주면 “똑” 하고 짧게 끊어지는 소리가 나옵니다. (한 마디로 듀티비가 큰 파형을 만들어 주는 것입니다.) 이런 조건하에서 전체 주파수를 변화시켜 보면, (음색에는 영향을 주지 않고) “똑” 소리와 다음에 이어지는 “똑” 소리 사이의 시간만이 달라지는 것을 알 수 있습니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
먼저 시간의 설명에 따르면 555출력은 6번핀의 전압이 2/3 Vcc에 도달했을 때 ON상태가시작되고, 2번핀이 1/3 Vcc 아래로 떨어지면 OFF로 환원됩니다. 우리의 목적은 555출력 구형파에서, 짧은 시간의 ON 시간을 갖도록 설계하는 것이므로 VR1과 R1 저항값의 비율을 크게해 주는 것이 포인트가 됩니다.
회로에서 보면, C1의 전압은 직렬연결된 VR1과 R1을 거쳐 전원에서 유입되는 전하에 의해 상승합니다. 반면에 (555 출력이 ON 상태일 때) R1을 거쳐 7번핀과 연결된 GND로 빠져나가는 전하에 의해 C1 전압은 하강합니다. 이 회로에 설계된 외부저항(VR1, R1)의 값을 관찰해 보면 VR1의 값이 R1보다 큰 값으로 되어 있습니다. 이런 이유로 C1에 충전되는 전압은 서서히 상승하지만, 방전은 상대적으로 빠르게 일어나서 일종의 톱니 모양의 파형을 나타내게 됩니다.
555의 출력 구형파를 소리로 변환시키는 스피커 회로는 의외로 간단합니다. 특이한 점이 있다면 C3, 10uF 콘덴서를 출력단자와 스피커사이에 직렬로 연결해 둔 것입니다. 이유는? 스피커에 직류성분을 뺀 교류신호만을 인가해 주기 위해, 콘덴서를 직렬로 삽입한 것입니다. 소리의 발생은 신호의 변화부분(교류)만이 필요하다는 것을 짐작할 수 있는 대목입니다.

▶ 동작시험/조정 (testing and tuning)
VR1의 노브를 돌려 저항값을 변화시키면, 소리의 빠르기를 조정할 수 있습니다.

CDS로 어두워지는 하늘를 감지하는
회로를 만들어보자

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 일몰 경보기 회로

▶ 회로설명 (circuit description)
이번에는 CDS라는 재미있는 부품을 소개하겠습니다.
아시다시피 전자회로의 부품중에는 센서(sensor)라고 불리우는 종류가 있습니다. 센서란 자연의 여러가지 물리/화학적 변화를 전기신호로 변환해 주는 (전기/전자)부품을 의미합니다.
짐작하시겠지만, 두뇌에 해당하는 마이컴이나 컴퓨터, 여러가지 전자회로만으로는 실질적으로 의미있는 일을 수행하기 어렵습니다. 인간(人間)도 마찬가지지요. 오감(五感)과 근육과 뼈로 이루어진 입과 손발이 없다면 달랑 머리만으로 사람이라 말하기 어렵겠지요?
정리하면, 우리 인간의 오감(보고, 듣고, 냄새맡고, 맛보고, 촉감으로 느끼는…)에 해당하는 역할을 담당하도록 개발된 부품종류를 센서(sensor)라고 부릅니다. 현대문명의 발전은 센서의 발달수준과 병행한다고 해도 과언이 아닐 것입니다.
이번 회로에서는 여러가지 센서(sensor) 가운데 빛과 관련된 센서중의 하나인 CDS를 사용합니다. CDS는 빛의 세기를 감지할 수 있는 소자(素子)로, 값이 저렴하고 사용이 간단해서 널리 사용되는 부품입니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation) 

회로도에 보면 555의 4번 리셋(reset) 단자가 R3와 cds1의 연결점에 이어져 있습니다. 메뉴얼에 의하면, 리셋(reset) 단자의 전압이 약 2/3 Vcc보다 높아져야 555가 동작한다고 되어 있으므로 이 회로에서는 리셋단자가 대략 4V 보다 커지면 (555가 동작하여) 스피커에서 소리가 날 것으로 예상할 수 있습니다.
CDS의 양단 저항은 밝은 빛이 닿으면 약 200Ω 정도, 빛이 전혀 닿지 않을 때에는 약 2MΩ까지 증가하므로, 리셋 단자 전압은 약 1.0V (CDS가 밝은 빛에 있어서, 200Ω인 경우) 에서 약 5.7V (CDS가 2MΩ인 경우) 까지 변화하게 됩니다. 이 말은 리셋 전압이 밝은 대낮에는 1V, 깜깜한 밤에는 5.7V라는 의미로 1V에서 5.7V까지 변화하는 동안에 반드시 4V를 거쳐가야 하므로, 날이 어둑어둑해 가는 무렵 어디에선가 555가 갑자기 깨어나서 소리를 지르게 될 것입니다. (집에가서 밥 먹을 시간이라고…)

▶ 동작시험/조정 (testing and tuning)
CDS의 표면을 손으로 천천히 막아나가 입사되는 빛을 점차 차단해 가다보면, 어느 시점에서 555가 동작하고 스피커에서 소리가 나게 됩니다.

전자회로로 5분짜리 타이머를 만들어보자.

▶ 회로설명 (circuit description)
일상 생활에서의 5분은 긴 시간이라고 전혀 생각되지 않습니다.
물론 생사의 위기에 직면해 있는 순간이라면 이야기가 달라지겠습니다만 보통의 5분은 일상에서 흔히 지나치는 평범한 순간 순간들일 뿐입니다.
반면에 마이크로 컴퓨터 세계에서의 5분은 정말로 다른 의미의 시간이라고 밖에는 말할 수 없습니다. 눈 깜짝할 순간에 불과한 1초 동안에 수백만회의 명령을 수행할 수 있는 오늘날 PC의 입장에서 보면, 5분이란 시간은 수 많은 일거리 뒤편에 감추어진 오아시스 만큼이나 까마득하고 아득하게 느껴집니다.
전자회로 하드웨어의 세계에서도 5분이란 기나 긴 시간에 해당합니다.
전자회로에서 흔히 사용되는 단위가 ms (1/1000 초) 나 us (1/1000 x 1/1000 초) 라는 것을 생각해 보면, 300초에 해당하는 5분이 얼마나 오래 지속되는 시간인지 쉽게 가늠해 볼 수 있습니다.
이제 이 길고 긴(?) 5분이라는 시간경과를 알려주는 타이머를 555를 사용하여 만들어 봅시다. 555의 기본적 펄스회로를 응용하면 5분이나 10분을 지속하는 장시간 펄스도 간단히 만들 수 있습니다.
아마 다른 회로나 마이컴 프로그램으로 5분 경과를 나타내고 한다면 결과에 도달하기가 수월치 않을 겁니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 5 분 타이머 회로

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
555 기본회로편의 “펄스 발생회로” 페이지를 참조하면 타이머 회로의 기본요소를 쉽게 파악할 수 있습니다. 차이점이 있다면 4번 리셋(reset) 핀의 처리 정도입니다.
누군가가 SW1을 눌러 타이머를 작동시키고 있다고 가정합시다. 그런데 어떤 이유로 (먼저 타이머 동작을 취소하고) 다시 지금부터 5분을 셀 필요가 생겼다고 합시다. 이런 경우에 555 2번의 트리거 핀을 재 동작시키는 것만으로는 충분하지 않습니다. 트리거의 기능이란 총의 방아쇠와 같아서 단지 시작 순간을 지시할 뿐이지, 한 번 시작한 일을 되돌리는 기능은 없기 때문입니다. 이와같은 경우에 필요한 것은 리셋으로 모든 진행을 취소하고 처음부터 다시 시작하는 기능을 갖고 있습니다. 회로에 보면 4번 리셋단자가 SW1에 연동되어 있어서 SW1을 눌렀다 떼면, 555의 트리거와 리셋이 (0V에서 5V로 상승하는 순간) 동시에 작동하게 됩니다.
SW1을 누르면 두 LED가 모두 꺼집니다. (준비) SW1을 떼면 (땅!), 555 3번 출력은 High 상태로 되고 T = 1.1 x (VR1+R1) x C1 [초] 동안 지속됩니다. 그 동안에 LED1의 녹색 램프가 켜져 있습니다. 정해진 시간이 경과하면 555 3번 출력은 Low로 되고 (555 3번 출력이 0V 이므로) 이번에는 LED2 적색 램프가 켜져서 종료를 표시해 줍니다.
T = 1.1 x (VR1+R1) x C1 식에 의하면, 5분 즉 T = 300초를 맞추기 위해서 VR1+R1값이 약 2.7㏁이 되어야 합니다. R1 값이 2.2㏁이므로 VR1 양단값이 약 0.5㏁ (500㏀)이 되도록 노브를 돌려줍니다.
사용한 C1 100uF 전해콘덴서의 오차가 10% 이므로, 정확한 타이머 값은 시계를 보고 보정해야 한다는 점을 잊지 마시기 바랍니다.

다음편에서 계속 됩니다.