[3호]왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 1

왕초보 전자회로 강좌특집 3부 – 1 글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 통하여 사용을 득한 내용입니다.

재미있는 555 Timer IC 이야기

이 페이지에서는 심각한 이야기는 없습니다.
편안한 마음으로 즐기시기 바랍니다.

때는 “마법의 돌”로 불리우는 트랜지스터의 전성기이며, 새로 개발되는 IC들이 호시탐탐 세력을 확장하려고 노리고 있던 1970년대 초반, 미국 시그네틱스(Signetics)사 엔지니어인 Hans R. Camenzind씨가 개발한 오실레이터/타이머 IC인 제품명 SE/NE555가 시판되기 시작하였습니다.
초창기에 “The IC Time Machine”라는 예명으로 불리운 SE/NE555는 상업적으로 개발된 최초의 Timer IC 였습니다.
SE/NE555는 값싸고, 안정하고, 사용하기 쉬운 특징으로 회로 설계자와 땜쟁이들 모두에게 호평 받으며 전대미문의 판매고를 올리기 시작하였습니다. 오늘날 MC1455와 같은 CMOS 버젼으로 재 설계된 555는, 2003년 한 해만도 약 10억개가 판매되었으며 대부분 한국의 삼정전자에서 만들어져 전 세계로 공급되었습니다. 555는 하이테크 회로의 설계에는 물론이고 취미 회로와 장난감에서부터 NASA의 우주선까지를 망라하는 (믿을 수 없을 정도로) 광범위한 응용예를 가지게 되었습니다. (주 : 우주선의 회로에 사용하는 555는 NASA에서 요구하는 저온 동작 특성을 만족하는 것입니다)
555를 개발한 Hans Camenzind씨의 2004년 6월에 이루어진 인터뷰에 의하면 “나에게 555 family는 놀라움 그 자체입니다. 나는 555가 범용으로 사용되도록 개발했습니다. 그런데 이렇게까지 널리 사용될 줄은 전혀 생각하지 못했습니다. 지금 555가 사용되는 응용회로의 종류를 생각하다 보면 흥분을 억제할 수 없습니다. 그리고 사용되는 양이라니…
발매된 이듬해부터 지금까지 30년동안 시판되는 어떤 IC보다도 월등한 양이 판매되고 있습니다. 원래는 타이머(timer)와 발진기(oscillator)에 응용하도록 설계되었는데, 지금은 처음 생각을 완전히 넘어가고 말았습니다.”
OP-AMP IC가 대량으로 사용되는 것을 생각하면, 555가 30년 동안 1위의 판매량을 고수하고 있다는 말은 의아하게 들린다.
그러나 OP-AMP는 서로다른 사양의 약 500 종류의 IC가 경합하는 까닭에, 단일 IC의 판매량으로는 555에 미치지 못한다고 합니다.
자세한 내용은 아래의 참고자료들을 참조하십시요.

www.semiconductormuseum.com/Transistors/LectureHall/Camenzind/Camenzind_Index.htm
www.uoguelph.ca/~antoon/gadgets/555/555.html

▶ 555 IC의 내부구조
단지 25개의 트랜지스터와 2개의 다이오드만을 사용하고 있다.

555는 응용회로 설계에 사용하기에 아주 편리한 특성을 가지고 있습니다. 우선 외관적으로 8핀 뿐이므로, 간단하고 만만해 보입니다.
동작하는 전압의 범위도 4_15V로 신축성이 있어 까다롭지 않고, 동작 주파수 범위도 1/50Hz에서 1MHz까지 넓은 영역에서 동작합니다. (1/20Hz_300KHz 사용권장) 온도특성도 50ppm/℃로 아주 우수한 편이며, 회로의 동작은 555 외부에 자리잡은 저항(R), 콘덴서(C) 값과 연결방법만으로 정해집니다. 이와같이 555를 사용한 회로의 안정성과 정확도는, 555 IC 외부의 저항(R)과 콘덴서(C)의 특성에만 의존하므로 쉽게 고급 기능의 회로를 만들 수 있다는 장점이 있습니다.
이런 이유들로 555는 어디에서나 발견할 수 있는 IC가 되었습니다. 그러므로 적절히 사용하기만 한다면, 초보자를 위한 우리의 응용회로에서도 훌륭히 임무를 완수하여 줄 것을 믿어 의심치 않습니다.

원래 어느정도 지식을 갖추고 있는 사람이 더 많이 공부하는 것이 쉽지, 초보자 입장에서 새로운 지식을 습득하는 것이 훨씬 어려운 법입니다.
이런 이유로 초보자용 교재일수록 대가가 기술하고, 고급의 장비를 사용하여 실험하도록 배려하는 것입니다. (미국의 과학교재인 PSSC 시리즈나 전파과학사의 현대과학신서(現代科學新書)를 보십시요. 대학에서 요구하는 고급 장비와 기자재들을 고려해 보십시요)
필자는 전자회로에 입문(入問)한 용감한 여러분들이 최상의 부품과 최적의 회로로 학습하기를 진심으로 바라고 있습니다.
아마 아날로그 회로에 경험이 많은 누구라도, 초보자 실험용으로 적합한 IC로 555를 꼽는데 주저하지 않을 것이며, 필자의 의견도 이와 다르지 않습니다. 이런 이유로 해외의 수 많은 Hobby 사이트에도 555 응용회로는 빠지지 않는 것입니다.

필자도 고등학교 시절 우연히 아버님이 계시던 연구소에서 근무하는 친절한 연구원으로부터 555를 소개받았던 기억이 있습니다. 그 분이 종이에 그려준 간단한 회로도로 (만능기판에 납땜해) 제작해 보았으나 동작에는 실패하고 말았습니다. (그 분이 한참 주물러서 결국 동작하였습니다. 브레드보드가 없던 옛날이었습니다. ) 그 후 까맣게 잊고 있었으나, 이 경험이 필자에게 전자회로에 친근감을 갖는 계기가 되었다고 생각합니다. 1~2년 후에 전자회로에 입문하게 되었으며 다시 몇 년 후에는 독학으로 국내에 막 도입된 Z80 마이크로 프로세서 회로를 설계하고 프로그래밍하여 그 분을 놀라게 할 수 있었으니까요.

555 연속발진(Astable circuit)에 필요한

기본회로와 계산식

▶ 회로설명 (circuit description) 

555 Timer IC의 응용회로는 1. 연속발진 회로 2. 펄스회로의 두 가지로 크게 나누어집니다. 연속발진 회로는 동일한 주기의 구형파(사각모양의 신호파)를 무한히 발생시키는 회로로 수 많은 응용분야를 가지고 있습니다. 대표적인 사례로 일정한 높이의 소리를 발생시키는 회로를 들 수 있습니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
1. 첫 번째 그림이 연속발진 기본회로입니다.
555 IC의 8번핀은 전원에, 1번핀은 GND에, 4번 reset 핀을 전원에 연결하고 2번핀과 6번핀을 서로 연결해 두면 준비가 끝납니다.
3번핀으로 출력이 나오므로 (눈으로 확인하기 위해) LED를 연결하면서LED가 파손되는 것을 방지하기 위해 전류제한 저항 R3를 LED에 직렬로 연결합니다.
출력되는 구형파의 주파수(f), 주기(T), ON 시간 (T1), OFF 시간 (T2)는 555 IC의 외부에 부착되는 R1, R2, C의 값으로 결정되며, 계산은 (회로도) 우측의 식에 따릅니다. 단 출력되는 구형파의 크기는 전원전압의 값에 따라 진폭이 달라집니다.

※ 555 IC의 동작전압 범위는 3~15V 입니다.
※ 세라믹 콘덴서 C2는 동작 안정용입니다.
간단한 회로에는 생략해도 O.K
※ 전해 콘덴서 C3은 전원전압 안정용입니다. 보통의 경우 없어도 무방합니다.
※ 출력되는 구형파의 주파수가 조금만 높아져도(LED의 깜박거림이 감지되지 않아) 눈으로 T1과 T2 영역을 구별하기 힘들어지고 마치 켜져있는 것처럼 보이므로 주의를 요합니다.

2. 두 번째 그림은 R1과 C1 두 개의 외부부품만으로 동작하는 연속발진 회로입니다.
555의 7번핀을 사용하지 않으며 회로연결과 계산식이 기본회로와 다르므로 주의하여야 합니다.

3. 세 번째 그림은 기본회로에서 다이오드를 사용해 변형시킨 연속발진 회로입니다. 계산식에 의하면 T1과 T2가 각각 R1과 R2에만 영향을 받으므로 임의로 듀티비(T1/T, T2/T)를 설계하고 싶을 때 사용하는 회로입니다. 의외로 사용예가 많습니다.

▶ 동작시험/조정 (testing and tuning)
낮은 주파수(수 십 Hz 미만)에서는 555의 3번 출력핀에 연결된 LED의 깜박거림을 관찰하여 동작을 확인합니다. 주파수가 높아지면 오실로스코프를 사용하지 않는 한 직접적인 확인이 어렵습니다.
역으로 이와같은 확인의 어려움이, IC 외부의 R과 C값만으로 정확한 발진값이 보장되는 555가 널리 사용되는 이유이기도 합니다. 회로를 설계하고 동작을 확인해야 하는 입장에서 보면 555의 정확도와 신뢰성은 백만원군의 가치와 크게 다르지 않습니다.

555 펄스발생(Monostable circuit)에 필요한

기본회로와 시험방법

▶ 회로설명 (circuit description)
555의 펄스 발생회로는 최소 10ms에서 최장 1 시간 이상의 폭을 가진 단일펄스를 생성할 수 있으므로 트리거 회로나 기준신호 발생등 다양한 응용분야에서 활약하고 있습니다.
대표적인 사례로는 타이머 회로를 들 수 있습니다.

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
1. 첫 번째 그림이 펄스발생 회로입니다. 딱 하나밖에 없습니다. 555 IC의 8번핀은 전원에, 1번핀은 GND에, 4번 reset 핀을 전원에 연결해 두면 준비가 끝납니다.
2번 trigger 핀은 R2 풀업저항을 거쳐 전원에 연결되어 있습니다.
GND에 연결된 스위치를 눌러 555 2번핀의 상태가 Low로 되는 순간 3번 핀에서 (R1과 C에 의해 정해진 폭의) 펄스가 출력됩니다. 이와같이 특정한 핀의 상태를 전환하는 회로에서, 전원에 연결된 풀업저항을 생략하면 스위치를 누르는 순간 전원이 GND와 쇼트되어 버립니다. 실험시에 논리값에 몰두하다가 무심코 풀업저항(R2)의 사용을 잊어버리는 경우가 종종 생기므로 주의하시기 바랍니다. 3번핀으로 출력이 나오므로 (눈으로 확인하기 위해) LED를 연결하면서 LED가 파손되는 것을 방지하기 위해 전류제한 저항 R3를 LED에 직렬로 연결합니다.
출력되는 펄스의 폭(T)은 555 IC의 외부에 부착되는 R1, C의 값으로 결정되며, 계산은 (회로도) 우측의 식에 따릅니다.
단 출력되는 펄스의 크기는 전원전압의 값에 따라 진폭이 달라집니다.

※ 555 IC의 동작전압 범위는 3~15V 입니다.
※ 세라믹 콘덴서 C2는 동작 안정용입니다. 간단한 회로에는 생략해도 O.K
※ 전해 콘덴서 C3은 전원전압 안정용입니다. 보통의 경우 없어도 무방합니다.

▶ 회로도 (The circuit diagram) : 기본적인 555타이머 IC 펄스발생 회로

2. 두 번째 그림은 펄스발생 회로를 응용한 회로입니다.
스위치 대신 외부의 다른 회로에서 오는 펄스신호를 사용하여 트리거(trigger)합니다. (입력펄스의 하강에지 사용) 예를들어 10ms의 실날같은 펄스폭을 출력하는 회로를 설계하여 만들었다고 생각해 봅시다. 어떻게 하면 펄스가 제대로 발생하는지를 확인해 볼 수 있을까요?
답은 그림에서 소개한 회로를 만들어 시험해 보는 것입니다. 이 회로는 (LED로 구별할 수 없는) 짧은 입력펄스를 받아 R1과 C로 정해지는 긴 폭의 펄스를 생성하므로 적당한 R1과 C 값을 선택하면 3번 출력핀의 LED로 입력펄스의 유무를 눈으로 확인할 수 있습니다.

555 2번의 트리거(trigger)단자는 전압이 H → L 상태에서 동작합니다. (출력펄스의 시작점이 됩니다.) 이 회로에서는 R4, R5, C3, D의 4개 부품으로, 입력펄스의 하강부분(하강에지, falling edge)에서 555 트리거(trigger)에 필요한 짧은 펄스를 만드는 사전작업을 합니다. 사전작업 파형은 회로내에 Vx로 나타내었으며 그림 우측 하단의 타이밍챠트(timing chart)에서 관찰할 수 있습니다. (회로내의 D에 의해 입력펄스의 상승부분(상승에지, rising edge)은 Vx 파형에 거의 나타나지 않습니다)
만약 입력펄스의 상승부분(상승에지, rising edge)에서 555를 트리거(trigger)하고 싶으면, 그림 좌측 하단의 회로를 사용합니다. (즉 (A)와 (B) 사이에 삽입합니다) 사용한 트랜지스터 회로는 (A)신호의 파형을 반전해서 (B)로 전달해주는 역할을 해 줍니다.

▶ 동작시험/조정 (testing and tuning) :
첫 번째 회로의 동작은 적당한 값의 R1과 C를 정하고 R2, 스위치를 555에 연결한 후 스위치를 눌러 출력단자에 연결된 LED의 점등을 관찰합니다.
두 번째 회로는, 첫 번째 회로의 출력(A)을 두 번째 회로의 입력(B)에 연결하고 스위치를 눌러 동작을 시험합니다. (첫 번째 회로의 LED와 두번째 회로의 LED 관찰) 다음에는 트랜지스터를 사용한 반전회로를 (A)와 (B)사이에 넣어 시험합니다. (첫 번째 회로의 R1과 C의 값을 작게 정하면 눈에 보이지 않는 펄스출력을 두 번째 회로에서 감지하는 것을 확인할 수 있습니다)
긴 폭의 펄스(수 십 Hz 미만)에서는 555의 3번 출력핀에 연결된 LED의 점등을 관찰하면 동작을 쉽게 확인할 수 있습니다. 그러나 펄스폭이 짧아지면 고가의 메모리 오실로스코프를 사용하지 않는 한 직접적인 확인이 불가능합니다.

555 Timer IC의 작동을 확인할 수 있는 회로를 만들어보자

▶ 회로설명 (circuit description)
555 IC를 사용하여 회로를 만들려면, 우선 사용하려고 하는 555가 정상적으로 동작한다는 보장이 있어야 합니다.
회로를 제작하다가 원하는대로 작동하지 않으면 먼저 사용하고 있는 부품이 의심이 가는 법입니다. 저항이야 테스터로 값을 재보면 되고 콘덴서는 외관이 멀쩡하면 보통 문제는 없습니다. 그러다 보면 언제나 의혹의 눈길이 IC로 향하게 됩니다 (혹시 요놈이 죽은 건 아닐까…???)
그렇다면 이런 의심의 검은 구름이 마음속에 뭉개뭉개(?) 일어날 때 도대체 어떤 방법으로 IC가 건재하다는 것을 확인할 수 있을까요?
해답은 하나! 동작시켜 보는 것 뿐이랍니다.

▶회로도 (The circuit diagram) : 555 Timer IC의 작동을 확인하는 회로

▶ 회로동작 설명 (circuit operation)
먼저 설명한 555 (연속발진) 기본회로를 사용하였습니다.
차이가 있다면, 555 3번핀 출력단자에 LED 2개를 사용하여 출력파형의 High상태와 Low상태를 모두 모니터링할 수 있도록 한 정도입니다.
회로안에 주파수를 결정하는 파라미터로 R1 100k, R2 10k, C1 10uF를 사용하였으므로 그림의 아래측에 계산된 바와같이 1.2Hz의 주파수의 구형파가 출력단자에 나타납니다. 1.2Hz의 주파수란 뜻은 약 0.8초의 주기(T, 주파수의 역수)라는 의미로, (약 0.8초의) 1 주기의 신호안에 High, Low 상태가 완결된다는 의미를 가집니다. 회로에서 6V 전원을 사용하므로, 출력상태가 High인 경우는 6V, Low인 경우는 0V가 출력단자에 나타나게 됩니다.

555 출력이 High인 구간에서 3번핀의 전압은 약 6V가 됩니다. 이 경우에 회로안의 LED1은 (555 출력단자에서 LED를 거쳐 GND로 전류가 흐르므로) 켜지게 됩니다. LED2 는 (LED 양단전압이 모두 6V로 전류가 흐를 수 없어) 꺼져있는 상태가 됩니다.
555 출력이 Low인 구간이 되면 3번핀의 전압은 약 0V가 됩니다.
이 경우에 LED1은 (LED 양단전압이 모두 0V 이므로 전류가 흐를 수 없어) 꺼져 버립니다. 반대로 LED2는 (전원에서 LED 2를 거쳐 555 출력단자 속으로 전류가 흐르므로) 켜지게 됩니다.
555 시험회로에서 얼핏 생각하면 LED2는 필요없어 보이기도 합니다.
555 출력단자에서 6V가 나오는 것은 의미가 있지만, 0V로 되는 것은 굳이 고려할 필요가 없다고 생각되기 때문입니다. 그러나 한 번 더 깊이 생각해보면 전압이 0V로 된다는 것만이 고려사항이 아니고, 전압 0V일 때 출력단자로 흡입(sink)되는 전류도 함께 생각할 필요가 있다는 점을 이해할 수 있습니다.
그러므로 소개한 회로처럼, 어떤 부품이나 IC의 동작을 시험하는 장치가 되면 시험대상을 여러가지 다각도로 진단하여 완전한 검사가 되도록 고심할 필요가 있습니다. 시험장치는 이러한 까다로운 조건들을 충족시켜야 하고 믿을 수 있어야 하므로 고급 기술을 필요로 하며 비싼 값으로 판매되는 것입니다.

▶ 동작시험/조정 (testing and tuning)
LED1과 LED2가 약 0.8초 구간안에서 번갈아가며 켜지고 꺼집니다. (LED1이 켜져있는 경우 LED2는 꺼지게 되며, LED2가 켜져있는 경우 LED1은 꺼집니다)
이렇게 두 LED가 번갈아가며 동작하면 555 IC의 상태는 양호하다고 판단할 수 있습니다.

다음편에서 계속 됩니다.