[3호]왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 3
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왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 3
글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 |
“앞면이냐? 뒷면이냐?”(Heads-or-Tails)
▶ 회로설명 (circuit description)
우리 나라에는 흔하지 않지만 외화에 보면 종종 동전을 던져 순서를 정하거나 선택을 하는 경우가 나옵니다. 바둑에서 흑 백의 돌을 가리는 방법도 마찬가지이지만, 본질은 정확히 50%의 확률이 나타나는 상황하에서 어느 한 쪽을 선택하고 (선택이 옳았는지…) 운을 시험해 보는 것입니다.
이와같은 동전 던져 맞추는 과정을 전자회로로 만들어 보면 어떨까요? 핵심은 정확히 50%의 확률상황을 만들고, 선택의 순간을 재빨리 잡아 표시하도록 하여 의지의 선택이 끼어들 수 없도록 만드는 것입니다.
그렇다면 회로적으로 50%의 확률상황을 어떻게 만들 수 있으까요? 555로 고속의 구형파를 발생시키고, JK F/F (JK 플립플롯) IC를 사용하여 매 구형파마다 JK F/F 출력의 (2가지) 상태를 바꾸어 나갑니다.
시험자가 스위치를 떼는 순간 JK F/F 입력에 공급되는 펄스가 멈추게 되므로, JK F/F 출력은 스위치를 떼기 직전의 상태를 보존하여 전해주게 되는 것입니다.
※ JK F/F IC는 J, K 입력을 모두 High로 두면, 출력은 매 입력펄스마다 토글됩니다. 토글이란 이전상태가 High면 Low가 되고, Low면 High로 번갈아 바뀌어 가는 상태를 의미하는 “디지털 로직” 용어입니다.
▶ 회로도 (The circuit diagram) : Heads-or-Tails 회로
▶ 회로동작 설명 (circuit operation) :
555는 T=(R1+2xR2) x C1 / 1.44 = 약 0.5ms 주기의 구형파를 발생합니다. 즉 1초당 약 2,000개의 펄스가 만들어지고 있는 것이지요. 4027은 CMOS 페밀리 IC로 2개의 JK F/F을 내장하고 있습니다. (이 회로에서는 하나만 사용)
4027 JK F/F의 6번 J단자와 5번 K단자를 전원에 함께 묶어 High 상태로 만들어 두었으므로 이제 매 번의 입력 펄스마다 출력상태가 반전되는 T 플립플롯 (T F/F)으로 동작합니다. 좀 더 정확히 묘사하면 입력펄스가 상승하는 순간에 출력상태가 반전됩니다. (상승에지에서 동작)
SW1을 누르면, 고속의 555 출력펄스가 4027 T F/F 입력으로 연결되므로 적색과 녹색의 LED가 번갈아 켜집니다. (초당 2,000번의 횟수로…) 그러나 LED의 깜박이는 점멸속도가 워낙 빠르므로 우리 눈에는 그저 두 LED가 같이 켜져있는 듯이 보이게 됩니다. SW1을 떼는 순간 (T F/F 입력이 차단되므로) LED는 적색 혹은 녹색중에 하나만 켜진 상태로 얼어붙게 됩니다.
※ 로직 IC 중에서 트랜지스터로 구성된 TTL 페밀리 IC는 연결되지 않은 입력단자는 High 상태가 됩니다. 반면에 FET로 구성된 CMOS 페밀리 IC는 입력단자를 반드시 전원(High)이나 GND(Low)에 연결해서 상태를 고정해 두어야 IC의 정상적인 동작을 기대할 수 있습니다. 그 이유는 CMOS IC인 경우 입력단자가 오픈(아무데도 연결되지 않은 상태)되어 있으면, 상태가 오락가락하며 안정되지 않기 때문입니다.
스위치를 누르고 어느 색깔의 LED가 켜질 지 마음속으로 정하십시요.
자 하나, 둘, 셋 스위치에서 손을 떼십시요. 결과가 어떻습니까? 색을 맞추셨나요? 아니면 원하는 색이 켜졌나요? 아니면 그 반대인가요? 어떤 경우에는 보이지 않는 반반 확률의 손에 선택의 방향타를 맡겨 보심이 어떠하신지요.
경찰차의 싸이렌 소리를 만들어보면…
▶ 회로설명 (circuit description)
세 번째 555 응용 “메트로놈” 회로에서 짧은 펄스에 의한 소리발생 회로를 실험해 보았습니다. 이번에는 (좀 더 본격적으로…) 2개의 555로 2가지 주파수를 발생시켜 서로 높낮이가 다른 두 소리를 만들고, 이 두 주파수를 섞어서 (주파수 변조시켜) 소리의 음색를 변화시키는 회로를 실험해 보겠습니다.
555 IC를 사용한 회로에서 외부 펄스의 주파수를 내부 (펄스)와 섞으려면, 5번 control voltage 단자에 (원하는 주파수의) 구형파를 외부에서 공급해 주면 됩니다. 나머지는 기본회로와 동일합니다.
▶ 회로도 (The circuit diagram) : 경찰차의 싸이렌 소리 발생회로 (주파수 변조)
▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
555 (IC1)의 주파수는 (T = (R1+R2) x C1 / 1.44 ) 약 0.14 초이며, D1의 역활로 듀티비가 50%인 느린 대칭 구형파를 발생시킵니다.
IC2 555는 IC1보다 약 100배 빠른 주파수의 구형파를 발생시키고, C3를 거쳐 스피커를 구동합니다.
IC2 회로만을 (단독으로) 동작시키면 높고 단조로운 소리가 스피커에서 나오게 됩니다. 이제 IC2의 5번 단자에 IC1의 느린 구형파 출력을 연결하여 변화를 보겠습니다. (10K 저항을 직렬로 연결해 줍니다)
실험해 보면 높고, 낮은 두 주파수가 연결되어서 “삐~뽀~ 삐~뽀~” 하는 2련의 연속음이 (스피커에서) 발생됩니다. (그렇게 예쁜 소리는 아닙니다.) 이 주파수 혼합실험을 통해, 555로 발생시킨 (전기적) 주파수가 어떻게 실제 소리로 (변환되어) 나타나는지 관찰 할 수 있으리라 기대됩니다.
PWM방식으로 소형 모터의 회전속도를 변화시켜 보자… .
▶ 회로도 (The circuit diagram)
PWM 방식을 사용한 직류모터 속도가변 회로
▶ 회로설명 (circuit description)
저속에서 힘(토크)이 좋은 직류모터의 속도를 변화시키는 회로는 모터제어의 핵심입니다. 서보모터 속도/위치 제어는 로봇관절과 같은 정밀 응용분야에서 사용되지만, 비교적 간단히 구현할 수 있는 일반 직류모터의 속도제어는 실 생활의 여러 분야에서 사용되고 있습니다.
이번에는 (상업적으로 사용되고 있는) PWM 방식을 선택하여 소형 직류모터의 속도를 변화시킬 수 있는 회로를 시험해 보겠습니다. 이와 같이 모터회전을 조종할 수 있는 회로에, 회전속도를 검출하여 피드백(Feedback)하는 부분과 연산부를 더하면 모터의 회전속도를 “제어”할 수 있는 구성으로 발전하게 됩니다. (회로자체는 새로 설계해야 함.)
▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
먼저 PWM 펄스열을 만드는 부분을 생각해 보겠습니다.
PWM이란 Pulse Width Modulation의 약자로, 펄스의 듀티비를 0~100% 까지 변화시키는 것입니다.
(회로에서 양 끝의 0%와 100% 듀티비는 나오지 않을 수도 있으나 모터의 속도변화 실험에는 문제가 없습니다)
그림의 555 회로에서 전하가 C1에 충전되는 경로는 R1 → VR1의 1_2 단자 → D1 → C1 이며, 방전되는 경로는 C1 → D2 → VR1의 3_2 단자 → 555 7번핀 → GND 입니다. 555의 두 번째 응용회로에서 설명드린 대로, 555 출력 구형파의 ON 시간은 C1에 전하가 충전되는 시간에 비례하며, (구형파의) OFF시간은 C1에서 전하가 빠져나가는(방전되는) 시간에 따라 정해집니다. 회로에서 전하의 경로를 짚어보면 C1에 전하가 충전되고 방전되는 시간은, VR1 노브의 회전각에 (서로) 반비례하는 것을 알 수 있습니다. 즉 C1에 충전되는 시간을 길게 VR1을 세팅하면, C1에서 방전되는 시간은 짧아지게 되며 반대의 경우도 마찬가지로 됩니다.
VR1에 의해서 정해진 듀티비의 555 출력 구형파는 (베이스 전류제한 저항) R3를 거쳐 Tr1을 ON/OFF 합니다. 정확히 표현하면 구형파가 ON인 시간구간에는 베이스 전류가 흘러 Tr1도 ON되며, (구형파가) OFF인 동안에는 (베이스 전류가 없으므로) Tr1이 OFF 됩니다. 트랜지스터의 ON/OFF 응답은 아주 빠르기 때문에 555 출력 파형의 ON/OFF 짧은 구간이 충실히 재현되어, 모터의 응답으로 변환됩니다.
Tr1이 ON 되어있는 동안에 전원(6V) → R4 (10Ω) → 직류 모터의 a_b 단자 → 콜렉터(C) → 에미터(E) → GND로 전류가 흐릅니다. 이 동안 모터는 (전원에서) 회전력을 얻게 됩니다. 반대로 Tr1이 OFF 되어있는 동안에는, 전원에서 흐르는 전류는 (Tr1에서) 차단되고 모터의 a 단자 → 모터 내부 → 모터의 b 단자 → D3 → 모터의 a 단자로 (뱅글뱅글) 순환하는 전류가 흐르게 됩니다. (물론 회전력은 얻지 못합니다.) 이 현상은 모터의 회전자 코일(coil)에 흐르는 전류는 갑자기 (크기와 방향이) 변할 수 없다는, 전류의 관성효과 때문으로 D3가 생략되면 (경로가 막힌 전류의 몸부림으로…) TR1의 콜렉터 에미터 사이가 (야금야금) 파괴되어 버립니다. (이와같이 트랜지스터 보호 목적으로 모터 전류의 퇴로 확보를 위해 사용되는 다이오드를 플라이휠 다이오드라고 부릅니다)
직감적으로 판단할 수 있는 것처럼, 555 출력 구형파의 듀티비 변화에 따라 Tr1의 ON 비율이 변화하므로 모터에 전류가 흐를 수 있는 (전체적인) 통전시간이 달라지고, 결과적으로 모터의 회전수가 변화한다는 사실을 이해할 수 있습니다.
▶ 동작시험/조정 (testing and tuning)
소형모터의 (매끄럽게 돌아가는) 미세한 회전변화을 확인하기에는 어려움이 따르므로 회전축에 사각형 종이 조각을 끼워두면 (속도변화를 판별하기) 편리합니다.
다음편에 계속 됩니다.