[4호]2010 국제조명산업전
2010 국제조명산업전
글 | 정현진 기자 blue7563@ntrex.co.kr
현대사회의 실생활에서 빼놓을 수 없는 필수요소인 조명. 그 조명산업의 현주소를 눈으로 확인하며, 국내/외 조명관련 신기술과 제품들을 직접 보고 체험할 수 있는 2010 국제조명 산업전이 9월 27일부터 29일까지 3일간 코엑스에서 열렸다.
한국 조명 연구원과 한국 조명 전기 설비학회가 주최하고 서울시, 지식 경제부, 중소기업청, 에너지 관리공단, 대한 전기학회 등이 후원한 이 전시회는 국내 유일이자 최대 규모의 전시회라고 하는데, 이번 전시회에는 국내외 121개 업체에서 LED 공원등과 보안등, 실내용 LED 형광등, LED 야간조명, 간판 조명등 차세대 조명인 LED를 활용한 다양한 제품들과 안정기와 점등 장치 및 광원, 키오스크등을 선보였다.
예전엔 가로등이라하면, 그저 어두운 밤을 밝게 비쳐주는 시설물이라고만 여겼었는데, 요즘엔 경관용, 보안용 등 그 설치목적도 다양해졌다.
그 중 보안등은 범죄 예방에도 한 몫 한다고 하여 각광받고 있으며, 이번 전시회에서도 여러 업체에서 보안등 및 가로등을 전시하였다. 이는 모두 차세대 조명인 LED로 만들어, 현재의 조명 시장이 LED를 중심으로 발전하고 있음을 보여줬다.
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조명을 이용한 각종 인테리어 디자인 제품들.
가로등과 마찬가지로 이제 조명은 더 이상 빛만 내는 기구물이 아니었다. 마치 예술 작품 전시회에 온듯한 기분이랄까.
LG전자에서는 조명과 스크린을 이용하여 국내 화백들의 미술 작품들을 디지털화한 일명 「디지털갤러리」를 전시했다. 화면속의 그림은 디지털이란 말 그대로, 움직이거나 변화가 있었으며, 일반 미술 작품과는 또다른 신비로운 느낌을 주었다.
대형 터치스크린과 키오스크.
이번 전시회에 특히 눈에 띠는 분야로 대형 터치스크린과 키오스크를 꼽을 수 있다. 키오스크라하면 공공장소에 설치된 터치스크린 방식의 정보전달 시스템을 말하는데, 현재 실생활에서 공항이나 지하철등에서 종종 찾아볼 수 있으며, 터치스크린 방식을 적용하여 정보를 얻거나 구매·발권·등록 등의 업무를 처리하는 시설물로, 대단히 편리한 시대가 왔음을 실감했다.
터치스크린을 직접 만져보고 체험 해보는 모습.
이제는 터치스크린이 그저 편리하고 신기한 아이디어 제품이라기 보다, 실생활에 꼭 필요한 제품으로 자리 잡아가고 있다는 느낌이 들었다.
그밖에도 조명을 이용하여 식물을 재배하는 조경기구와 LED램프, 조명에 필요한 제어 장치나 안전 장치 등등 조명과 관련한 각종 제품들이 전시된 이번 전시회를 통해 나날이 발전하는 조명 산업을 몸소 체험하였고, 밝게 빛을 내는 조명 전시회라 눈은 조금 아프지만 아름답고 화려한 제품들을 많이 볼수 있어 즐거웠으며, 내년 전시회는 더욱더 발전하기를 기대해보며 참관기를 마친다.
[3호] S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER 2부
전력 전자 부품의 삼총사!
S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER
자료 제공 ❘ Unionelecom 홈페이지 ❘ www.unionelecom.co.kr
전력 전자 부품의 핵심 분야인 S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER 에 대해서
분야별로 알아보는 시간을 가지고 있습니다. 이번 시간은 S.S.R 에 대해서 살펴보겠습니다.
제 2부 S.S.R
1. S.S.R의 개요
MAGNET RELAY가 전자력에 의한 동작으로 이루어지는 방식인 반면에 S.S.R은 기계적인 접점 구조가 없는『무접점 릴레이』로서 스위칭 반도체 소자를 사용하여 케이스에 수지 몰딩된 상태로 스위칭이 이루어 지는 방식으로 완전히 고체화된 전자 스위치이다.
S.S.R은 MAGNET RELAY에 비해 신뢰성이 높고 수명이 길며, 노이즈(EMI)와 충격에 강하고 소신호로 동작하며 응답 속도가 빠른 우수한 특성을 지니고 있어 산업기기, 사무기기 등의 광범위분야에서 정밀 제어시 적용하기에 적합하다.
2 S.S.R의 특징
1) PHOTO COUPLER로 입출력간 절연
S.S.R 입력과 출력의 전기적 절연을 위해 광소자(PHOTO COUPLER)를 사용하여 입력과 출력간을 절연시키고, 부하측의 노이즈가 입력측으로 FEED-BACK 되는 것을 차단한다.
2) 소신호동작
광소자 결합으로 입력 신호에 저전압, 저전류를 인가해도 S.S.R이 동작하므로 DTL, TTL, C-MOS 및 LINEAR IC 등으로도 직접 구동할 수 있다.
3) ZERO-CROSS 기능회로 내장
ZERO-CROSS 회로 내장형은 S.S.R 입력측에 신호가 인가되어도 부하 전원 전압의 ‘제로점’부근에서 스위칭이 이루어지기 때문에 TURN-ON시 돌입 전류 및 노이즈(EMI)를 억제시킨다.
4) 위상제어가능
MAGNET RELAY는 TURN-ON시간이 길고 채터링이 발생하여 위상 제어가 불가능한 반면 S.S.R은 스위칭이 빠르고 위상 제어가 가능하다.
5) 완전수지몰딩화
난연성 수지로 완전 몰딩되어 습기, 먼지, 가스 등에 영향 받지 않으며, 진동이나 충격 등에도 강하다.
6) 높은신뢰성
반도체 스위치 사용으로 아크, SURGE 등의 노이즈 발생 및 동작음이 없으며, MAGNET RELAY와 달리 기계적인 접점 마모가 없어 수명이 길고 신뢰성이 높다.
3 S.S.R의 응용분야
1) 공장자동화(FA)/설비
전기로, NC M/C, SEQUANCE 제어기, 공작기, 항온기, 초음파 세척기 등
2) 교통 조명제어기
교통신호기, 철도신호기, 전광표시판, DIMMER CON-TROLLER 등
3) 사무자동화(OA)
컴퓨터 주변기기, 복사기, FAX 등
4) 가정자동화(HA)
에어콘, 냉장고, 식기세척기, 전자레인지 등
5) 기타
ELEVATOR, 의료기, 사진현상기 등
4 S.S.R의 동작원리
4-1 동작개요(AC OUTOUT 기준)
S.S.R 입력측에 동작 전압(PICK-UP VOLTAGE) 이상의 HIGH-SIGNAL이 인가되면 PHOTO COUPLER가 동작하여 TRIGGER 회로에 의해 스위칭 소자(TRIAC 또는 SCR등)가 TURN-ON 되어 출력측에 전류가 흐르고, 입력 전압이 복귀 전압(DROP-OUT VOLTAGE) 이하의 LOW-SIGNAL이 되면 스위칭 소자가 TURN-OFF된다.
여기에서, PHOTO COUPLER는 광결합 소자로서 신호 전달 및 1, 2차간 절연 유지 회로이며, CR-SNUBBER는 ON-OFF시 전압 상승률(dv/dt) 및 과도 전압을 억제하여 스위칭 소자를 보호하기 위한 회로이다.
4-2. 부하(AC기준) 및 S.S.R 종류에 따른 동작파형
1) 저항성부하(히타, 백열구 등)
A. ZERO-CROSS형 S.S.R
B. RANDOM형 S.S.R
2) 유도성 부하(모타, 솔레노이드, 트랜스 등)
A. ZERO-CROSS형 S.S.R
B. RANDOM형 S.S.R
5 S.S.R 용어설명
1) 최대부하전류(On-state Load Current)
규정의 방열 조건(방열판, 주위온도 등)에서 출력측에 흘릴 수 있는 최대 전류치
2) 부하전압범위(Load Voltage Range)
출력측에 부하와 전원을 직렬로 접속하여 연속적으로 인가할 수있는 부하 전원 전압의 범위
3) 전압강하(ON-state Voltage Drop)
출력 ON 상태에서 출력측에 정격 부하 전류 통전시 출력 단자간에 측정되는 전압치
4) 누설전류(Off-state Leakage Current)
출력 OFF 상태에서 출력측에 정격 부하 전압을 인가할 때 흐르는 전류치
5) 입력전압범위(Input Voltage Range)
규정의 온도 조건에서 연속적으로 인가할 수 있는 입력 신호 전압의 범위
6) 동작전압(Pick-up Voltage)
출력측에 부하와 전원을 직렬로 접속하고 입력 신호 전압을 서서히 증가하여 출력이 ON 할 때의 입력 전압치
7) 복귀전압(Drop-out Voltage)
출력 ON상태에서 입력 신호 전압을 서서히 감소하여 출력이 OFF 할 때의 입력 전압치
8) 동작시간(Turn-on Time)
입력측에 동작 전압 이상의 신호를 인가하고 난 후 출력이 ON 될 때 까지의 지연 시간
9) 복귀시간(Turn-off Time)
입력측에 인가되어 있는 신호가 복귀전압의 LOW-SIGNAL이 된 후 출력이 OFF 할 때까지의 지연시간
10) 절연저항(Isolation Resistance)
입/출력-CASE 간에 500VDC를 인가했을 때의 저항치
11) 절연전압(Isolation Voltage)
입/출력-CASE 간에 1분간 인가하여 견딜 수 있는 전압치
6 S.S.R 보호회로
1) 과전류로부터 보호
S.S.R 스위칭 소자의 전류자승시간( i2t ) 정격을 초과하여 과전류가 흐르면 S.S.R을 파괴할 우려가 있으므로 돌입 전류 또는 부하 쇼트 등의 돌발적으로 발생 될 수 있는 과전류로부터 S.S.R을 보호하기 위해서는 속단 FUSE를 사용하는 것이 좋으며, 속단 FUSE의 규격은 『Is(S.S.R의 i2t ) 정격 > IF(FUSE의 i2t 정격) > IL(부하의 전류)』의 조건하에서 선정한다.
2) 과전압으로부터 보호
전원측이 환경에 따른 심한 변동이나 부하측에 유기되는 역기전압의 영향으로 S.S.R에 과전압이 인가되어 스위칭 소자의 전압 정격을 초과하게 되면, 오동작 또는 파괴의 우려가 있으므로 VARISTOR를 S.S.R 출력측에 병렬로 결선하여 S.S.R을 보호한다. 부하 전원 전압 대비 VARISTOR 선정은 아래표의 내용과 같이 추천한다.
3) RC-NETWORK
유도성 부하(모타, 솔레노이드, MAGNET 등)에서는 전류와 전압의 위상차로 인하여 부하 전류가 스위칭 소자의 HOLDING 전류 이하로 떨어져 S.S.R의 접점이 닫힐때 출력측에 전압이 크게 상승하여 S.S.R이 콘트롤을 상실할 우려가 있으므로, 이 전압 상승률(dv/dt)을 제한하여 S.S.R을 보호하기 위해서는 출력측에 병렬로 CR-NETWORK 회로를 접속하나, 일반적으로 CR-NETWORK는 S.S.R에 내장되어 별도 부착이 불필요하다.
7 S.S.R & MAGNET RELAY비교
8. S.S.R 응용회로
1) 백열구의 점멸제어
백열구는 스위칭시 큰 SURGE 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 정격 이내에서 사용한다.
2) 히타의 온도제어
3) 솔레노이드밸브의 구동
SOLENOID VALVE는 수 CYCLE 동안 돌입 전류가 흐른 뒤 정상 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 정격 이내에서 사용한다.
4) 단상 유도전동기의 ON/OFF 제어
초기 동작시 큰 돌입 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 전류 정격 이내에서 사용한다.
5) 단상유도 전동기의 정.역제어
두개의 S.S.R중 OFF 하고 있는 쪽의 출력 단자에 전동기의 LC특성에 의해 부하 전원의 2배의 전압 걸리므로 부하 전원의 2배에 전압 정격의 S.S.R를 사용한다.
6) 단상 S.S.R로 삼상부하제어
부하 전원이 항상 연결되어 있어 전동기의 절연 약화와 감전에 주의해야 하며, 안전상 사용치 않을 시 전원 차단을 위해 NFB를 OFF 하는 것이 좋다
7) 삼상히타 온도제어
8) 삼상 유도전동기의 ON/OFF 제어
초기 동작시 큰 돌입 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 전류 정격 이내에서 사용한다.
9. HEATSINK 선정
S.S.R은 반도체 스위칭 소자의 사용으로 P,N 접합부 사이의 접촉 저항에 의해 전류 도통시 전력 손실이 발생하여 열에너지로 변환되어 발열을 하므로, 이로인해 S.S.R 스위칭 소자의 접합부 온도 정격을 초과하면 오동작, 파손 등의 불량을 초래할 우려가 있으므로 S.S.R에 적정 방열판을 부착하여 충분히 방열 시키므로서 S.S.R을 보호 할 필요가 있다.
S.S.R 스위칭 소자의 접합부에서 전력 손실에 의해 발생된 열이 주위공간으로 방열되는 흐름은,
와 같으며, 스위칭 소자의 접합부 온도(Tj)는 다음공식에 의해 계산한다.
10. STANDARD HEATSINK
1) UHS118 Series
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2) UTHS11 Series
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3) UHS120V80-3-110
4) UHS124V128-3-105
11. 방열판선정가이드
S.S.R 모델별로 차이는 있으나 주위온도 상온에서 부하 전류가 S.S.R 출력 전류 정격의 60% 이하 조건하에 선정된 방열판으로 주위온도가 높거나 부하전류가 큰 경우에는 S.S.R 또는 방열판을 변경하여 적용해야한다.
[3호]왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 4
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왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 4
글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 |
차례로 빛나는 LED를 만나보자.
이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 일곱번째로 555 (Timer IC)의 펄스열 발생회로를 사용하여 코일의 특성을 이해할 수 있는 회로입니다.
▶ 회로설명 (circuit description)
이번에는 555에서 발생시킨 구형파를 입력으로 하는, 로직(Logic) 카운터 IC 4017의 활약으로 10개의 LED를 순차적으로 점등시키는 회로를 소개합니다.
이 회로의 핵심인 4017 (10진 카운터 IC)는, 여섯 번째 555 응용회로에서 소개한 CMOS 로직(Logic) 페밀리 IC인 4027 (JK F/F)과 같은 종류로 널리 사용되는 대표적인 CMOS IC중 하나입니다.
이번 회로를 기점으로, 로직회로와 디지털 인터페이스 회로에서 폭 넓게 사용되고 있는 CMOS 계열의 Logic IC에 친숙해지고, 편안히 사용할 수 있는 계기가 되기를 바랍니다.
▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
그림에서 소개된 회로는 많은 설명이 필요하지 않습니다.
먼저 555는 T=(R1+2 x R2) x C1 / 1.44=약 0.08초 (80ms) 주기의 구형파를 발생 시킵니다. 이제는 너무나 익숙한 회로이지요.
555 출력 구형파는 4017의 14번 Clock 입력단자로 들어갑니다.
4017은 메뉴얼에 의하면 입력펄스 상태가 Low에서 High로 바뀔 때 (on the rising-edge) 카운트가 증가하며, 카운팅에 해당되는 Q0_Q9 단자만 High 상태가 됩니다. (결과적으로 입력펄스가 들어오면, 10개 LED 중 하나씩만이 돌아가며 켜집니다.)
※ 영문참조 : The count advances as the clock input becomes high (on the rising-edge). Each output Q0-Q9 goes high in turn as counting advances.
※ 4017 카운터 IC 핀 번호는 메뉴얼을 참조 바랍니다. (표준 번호매김 방법과 동일)
▶ 회로도 (The circuit diagram) : 순차점등 카운터 IC 회로
1 Hz, 10 Hz, 100 Hz, 1 KHz, 10 KHz, 100 KHz 표준 펄스발생기
▶ 회로설명 (circuit description)
이제 555 응용회로의 마지막 예제에 이르렀습니다.
이번 회로는 임의 시간을 관측할 때, 비교기준으로 사용할 수 있는 표준펄스를 만드는 회로입니다. 정확한 주기의 표준펄스는 계측기나 측정회로의 기준신호로 필수적인 것입니다.
정확한 표준펄스는 특별한 회로가 필요한 것이 아니고, 정확하고 안정된 부품에서 나옵니다. 우리는 이런 종류의 부품을 표준부품이라고 부르며 구하기도 어려울 뿐만 아니라 값도 비쌉니다. (고가의 계측장비에 사용) 시중에서 1% 오차의 저항은 구할 수 있으나, 1~2% 오차의 콘덴서를 구하기는 거의 불가능하므로 표준부품을 구하는 어려움이, 단지 가격의 문제뿐이 아니라는 것을 알 수 있습니다.
우리는 실험단계에 있으므로, 기존의 부품으로 동작시켜 보겠습니다.
만일 오실로스코우프나 주파수 카운터를 이용할 수 있으면 VR1을 조정하여 정확한 주파수에 셋팅할 수 있습니다. 이렇게 보다 정확한 장비를 기준으로 (제작된 회로를) 조정하는 과정을 보정(Compensation)이라고 부릅니다.
▶ 회로도 (The circuit diagram) : 1, 10, 100, 1K, 10K, 100KHz 표준 펄스발생기 회로
▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
회로 설명은 주파수의 계산으로 끝입니다. R1과 VR1의 직렬값을 미리 50㏀이 되도록 맞추어 둡니다. 발생되는 펄스 주기의 계산은 아래를 참조하시기 바랍니다.
1Hz→ (50k+2 x 47k) x 10uF/1.44=144k x 10uF/1.44=1(sec)=1Hz
10Hz→ (50k+2 x 47k) x 1uF/1.44 = 144k x 1uF/1.44=0.1(sec)=10(Hz)
100Hz→ (50k+2 x 47k) x 104p/1.44=144k x 104p/1.44=0.01(sec)=100(Hz)
1KHz→ (50k+2 x 47k) x 103p/1.44=144k x 103/1.44=0.001(sec)=1(KHz)
10KHz→ (50k+2 x 47k) x 102p/1.44=144k x 102p/1.44=0.1(msec)=1(KHz)
100KHz→ (50k+2 x 47k) x 100p/1.44=144k x 100p/1.44=0.01(msec)=100(KHz)
설명드린 대로 콘덴서의 오차가 10% 이므로, 555에서 출력되는 펄스도 동일한 (크기의) 오차를 가집니다. 소개한 “표준 펄스발생기” 회로는 만능기판에 (독립해서) 제작해 두면, 다른 Logic 회로나 마이컴 인터페이스 회로를 실험하는데, (기준 펄스원으로) 매우 유용하게 사용될 수 있습니다.
▶왕초보 전자회로의 555Timer IC 강의를 종료합니다.
수고하셨습니다. 다음 강의에 만나뵙겠습니다.
[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.
[3호]왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 2
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왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 2
글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 |
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.
※ CDS는 저항과 마찬가지로 극성이 없습니다. 둥근 판 아래에 2개의 긴 리드가 달려 있으며, 원판의 직경에 따라 2~3 종류가 시판되고 있습니다. (위 그림 참조)
▶ 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.