[2호]왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 5

왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 5 글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 통하여 사용을 득한 내용입니다.

 

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.

[2호]왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 4

왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 4 글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 통하여 사용을 득한 내용입니다.

 

네번째 회로 만들기 / 트랜지스터

이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 네번째로 트랜지스터의 특성을 이해할 수 있는 회로입니다.
회로의 부품에 트랜지스터(Tr)가 추가 되었으므로 이 부품도 함께 설명합니다.

(공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
그림_“회로도 이해하기 (6)”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
스위치(S1)을 닫으면 R1을 통해 C1으로 전하가 천천히 모입니다. 그 결과 C1의 전압이 서서히 상승합니다. 상승되가는 C1의 전압은 R2를 거쳐 Tr1의 베이스 전류(Ib)를 0 으로부터 천천히 증가시켜 갑니다. 트랜지스터(Tr)의 특성에 의해 콜렉터 전류(Ic)는 베이스 전류에 비례하여 증가하므로 LED1이 서서히 밝아집니다. ( Ic = hfe (증폭률) × Ib )
반대로 스위치(S1)을 열면 C1에 모여있는 전하가 (베이스 전류(Ib)를 통해서 완전히 방전될 때 까지) 서서히 감소하므로, 콜렉터 전류(Ic)도 따라서 감소하게 되고 그 결과 LED1이 서서히 어두워지면서 마침내는 완전히 꺼져버립니다. R3의 역할은 C1에 모여있는 전하를 완전히 방전시켜서, 다시 스위치(S1)을 닫을 때 전원을 투입한 처음상황과 똑같은 회로동작을 재현하도록 만드는 것입니다.

※ 베이스 전류 (Ib) = 베이스(B)에서 에미터(E)로 흐르는 전류
※ 콜렉터 전류 (Ic) = 콜렉터(C)에서 에미터(E)로 흐르는 전류
※ hfe(증폭률)은 트랜지스터 마다 다릅니다. (대개 50 – 200 정도입니다)
※ 제작할 때 사용한 트랜지스터(2SC1815)의 B, C, E 배열의 순서에 주의합시다.

▶ 추가실험
이 회로는 트랜지스터(TR)의 정상동작 여부을 시험해보는 회로로 사용하면 편리합니다. (대부분의 트랜지스터에서 잘 동작합니다.) 만약 다른 형번의 트랜지스터를 가지고 있으면 B, C, E를 잘 맞춰서 동작시켜 봅시다. 다른 응용은 (트랜지스터의 B, C, E 순서가 아리송할 때) 확실한 B, C, E 순서를 확인해 보는 회로로 사용할 수 있습니다. (트랜지스터의 B, C, E 배선이 하나라도 틀리면 회로는 전혀 동작하지 않습니다.)
지금까지의 회로에는 리드(lead)가 2 개 있는 부품만 사용되었습니다. (전지, 저항, LED, 스위치, 다이오드, 콘덴서) 이번 시간에는 세간에 “세발의 마술사”로 불리우면서 한 시대를 풍미한 트랜지스터(TR)를 소개하게 되었습니다. 지금은 이미 트랜지스터를 집적한 IC, LSI가 널리 사용되는 시대가 되었으므로, 트랜지스터가 단독으로 활약한는 부분으로는 인터페이스 부, 대(大)전류 제어부, 고주파 증폭부 등등으로 사용범위가 축소되었습니다. 그러나 IC, LSI를 비롯한 현대의 모든 전자소자가 궁극으로는 트랜지스터를 기본으로 설계/제조/집적되었으므로, 트랜지스터를 이해해야 하는 필요성은 예나 지금이나 마찬가지 입니다. (트랜지스터의 친척인 FET는 트랜지스터를 배우고 나면 이해가 간단합니다)’

트랜지스터 동작의 핵심(key point)
① 트랜지스터는 (전압이 아닌) 전류로 동작한다. ② 작은 (베이스) 전류로 큰 (콜렉터) 전류를 조절(control)할 수 있다. (이 기능으로 트랜지스터는 회로안에서 전류증폭기로 동작하며, 전압/전류 앰프(amplifier)가 됩니다)

※ 트랜지스터가 증폭한다는 말은 오해의 소지가 있습니다. 세상의 어떤물질이나 장치도 흡수한 에너지를 키워서 방출할 수는 없습니다. (물리적 기본법칙에 위배) 트랜지스터가 증폭한다는 말은 적은 에너지인 베이스 전류로 큰 에너지인 전원을 조절하고 변화시킬 수 있다는 뜻입니다. (이 때문에 증폭기능이 있는 모든 전자회로에는 반드시 전원(電源)이 필요한 것입니다)
※ 트랜지스터가 증폭하는 전류크기의 비는 hfe 값으로 나타내며 hfe = Ic / Ib 입니다.
※ Ic : 콜렉터 전류, Ib : 베이스 전류, hfe : 증폭률

트랜지스터 사용의 핵심(key point)
① 선형적(직선적) 전류 증폭기 모드 ② ON-OFF 영역에서만 동작하는 스위치 모드의 2 가지 모드로 동작시킬 수 있다.
첫번째 증폭기 모드가 트랜지스터를 아날로그 영역에서 사용하는 것이며, 두번째의 스위치 모드가 트랜지스터를 디지탈 영역에서 사용하는 것입니다. 디지탈 IC나 컴퓨터 칩에서는 트랜지스터를 스위치 모드에서 동작시킵니다.
반면에 라디오 IC나 오디오 IC, OP-AMP IC에서는 트랜지스터를 증폭기 모드로 동작시킵니다. 트랜지스터의 두 모드를 섞어서 사용할 수는 없습니다. 주변회로의 구성이 완전히 다르기 때문입니다. (우리의 네번째 회로에서는 트랜지스터의 증폭기 모드로 회로를 구성하여 실험하고 있습니다)

※ 초보자는 제작시에 트랜지스터의 두 모드를 구분하지 않아도 됩니다. 하지만 알고는 있어야 합니다. 대화하거나 질문할 때 요긴하게 쓰일 수도 있으니까요.

▶ 부품설명 : 트랜지스터 (Transister)
트랜지스터(TR)를 사용한 회로도를 해석하거나 제작시에 부품으로 사용하는 경우에는, 트랜지스터 종류에는 PNP과 NPN의 2 가지가 있다는 점에 유의해야 합니다.
트랜지스터는 외관과 모양이 여러가지이며 제조회사마다 B, C, E 리드(lead)의 배열을 배치하는 순서도 다르므로 부품 설명서에서 외양과 리드(lead) 배열을 반드시 확인하고 사용하는 습관을 들여야 합니다. (트랜지스터 pdf 파일형태의 부품 설명서는 온라인에서 쉽게 구할 수 있습니다)

 

네번째 회로 만들기 / 트랜지스터

이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 다섯번째로 2개의 트랜지스터를 사용한
“비안정 멀티바이브레이터”회로를 설명합니다.새롭게 추가되는 부품은 없습니다.함께 설명합니다.

(공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)

아래의 “회로도 이해하기 (7)”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 “비안정 멀티바이브레이터” 회로는 일정한 주기를 갖고 무한히 진동하는 회로 입니다. 이렇게 무한진동이 발생하는 회로를 발진회로라고 부르며, 이 회로는 2 가지 전압상태만을 무한히 되풀이 함으로 펄스발진회로라고 불려집니다. (펄스발진회로는 디지탈 회로의 범주에 속한다)

※ 상승구간 (T1) = 0.69 × R1 × C1 (초)
※ 하강구간 (T2) = 0.69 × R2 × C2 (초)※ T (전체주기) = T1 (상승구간) + T2 (하강구간) = 1.38 × R1 × C1

(초)회로동작의 자세한 풀이는 상당히 복잡하여 우리의 학습범위를 벗어나므로 여기서 자세히 설명하지 않습니다. 회로를 제작하는 것도 생각하는 것 보다는 까다로우므로 서두르지 말고 차분히 제작에 임하시기를 권합니다. (이 정도의 회로만 제작할 수 있으면 앞으로 그다지 어려운 회로는 없다.) 회로가 성공적으로 동작하면 번갈아 가며 아름답게 반짝이는 한 쌍의 불빛과 만날 수 있습니다.

▶ 추가실험
R1, C1과 R2, C2의 값을 변경시켜 보면 T1과 T2가 변화되는 것을 LED1과 LED2의 점등시간의 변화로 확인할 수 있습니다.
단지 트랜지스터가 2 개 얽혀진 회로도 상당히 복잡하다는 것을 느낄 수 있습니다. 실험에 사용한 “비안정 멀티바이브레이터”의 회로동작을 전기적으로 해석하려고 하면 몇 개의 수식과 함께 수 페이지의 공간이 필요하게 됩니다. 회로해석이 이와같이 금방 복잡해지기 때문에, 원칙적으로는 트랜지스터만으로 모든 회로를 설계할 수 있지만, 빠르고 정확하게 설계하기 위해서는 전용의 로직 IC를 사용하게 됩니다. (디지탈 회로는 TTL이나 CMOS 종류의 로직 IC로, 아날로그 회로는 OP-AMP IC를 주로 사용한다) 더욱 복잡한 디지탈 회로가 필요하게 되거나 제작후에 동작기능이 변경될 가능성이 있는 경우가 되면 프로그램이 가능한 로직 IC 즉 마이컴의 사용을 강력히 고려하는 단계로 발전하게 됩니다.
이 이야기는 2 개의 트랜지스터를 사용한 복잡도를 가진 회로를 해석하고 제작할 수 있으면 개별부품만을 사용한 제작은 거의 마스터했다고 해도 과언이 아니라는 뜻입니다. 10 여년 전만해도 트랜지스터를 여러개 사용된 복잡한 회로도 많이 설계되었으나, 현재에는 IC를 사용해 회로를 (의미별로) 단위 블럭화한 후 단위블럭을 모아서 커다란 전체회로를 만드는 기법이 주로 사용되고 있습니다.
언뜻 보기에 매우 복잡해 보이는 회로도 실제로는 간단한 단위블럭으로 해체하여 해석하고 시험해 볼 수 있는 경우가 대부분 입니다. 이런 이유로 막막해 보이는 회로공부도 차분히 노력하다 보면 어느새 실력이 부쩍 늘어있는 경우를 왕왕 발견하는 것입니다.

 

여섯번째 회로 만들기 / 555

이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 여섯번째로 555 (Timer IC)를 이용한 펄스열 발생 회로입니다.
회로의 부품중에 555 Timer IC가 추가 되었으므로 이 부품도 함께 설명합니다.

공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
아래의 “회로도 이해하기 (8)”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 회로는 555 Timer IC를 사용한 펄스발진 회로로 연속된 펄스열을 발생시킵니다.
회로에 사용한 R1, C1의 값으로 555 IC의 3 번 출력핀에연결된 LED에 표시되는 펄스의 전체주기(T)는 약 1.4초가 됩니다. (555 IC 사양참조) 555 응용회로는 여러가지가 있으나, 실험에서 사용한 회로는 상승구간(T1)과 하강구간(T2)의 길이가 같으며 각각 1.4 /2 = 0.7초 입니다. 그 결과 555 IC의 3 번 출력핀에 연결된 LED1은 점등/소등 현상을 반복하게 됩니다. (출력핀의 상태가 상승구간일 때 LED1 점등, 하강구간일 때 LED1 소등)

※ T (전체주기) = T1 (상승구간) + T2 (하강구간) = R1 × C1 / 0.72 (초)
※ T1 (상승구간) = 0.69 × R1 × C1 (초)
※ T2 (하강구간) = 0.69 × R1 × C1 (초)
※ 펄스 (pulse) : 펄스의 의미는 (손목에 손가락을 대서 맥박을 느낄 때 처럼) 순간적으로 나타났다 바로 사라지는 현상을 표현하는 말입니다. 디지탈 세계에는 (한 자리에서) 단지 두 가지 상태만이 존재하므로, 관측하는 모든 현상은 펄스나 펄스의 열로 보여지게 됩니다. (펄스에도 여러종류가 있으나 우리 강좌에서는 펄스의 종류를 따로 구분하지 않습니다)

▶ 추가실험
R1과 C1의 값을 변경하고, 변화된 LED1의 주기를 계산값과 비교해 봅니다.

▶ 부품설명 : 555 (Timer IC)

555 Timer IC는 재주가 많은 특이한 IC 입니다. (실제로 필자가 전자회로의 세계에 입문한 동기도 555 IC를 만났기 때문입니다) 555 IC는 IC 외부에 연결하는 저항과 콘덴서를 사용하여 일정한 주기의 펄스열 또는 (하나의) 펄스를 발생시키는 기능을 가지고 있습니다. 555는 몇 개의 저항과 콘덴서만으로 작동하므로 사용하기가 쉽우며, 펄스의 주기나 주파수의 계산도 간단합니다.
555가 사용하는 전원범위는 4.5V 에서 16V 까지이며, 발생시킬 수 있는 펄스간격도 최저 약 1 시간에서 최고 0.00005초 까지로 범위가 매우 넓습니다. 이러한 기능을 이용하여 정확한 타이머를 만들 수도 있고 재미있는 소리와 반짝이는 불빛을 발생시키기도 합니다.
IC 외부에 연결된 저항과 콘덴서의 값으로 주기가 정해지는 출력펄스를 발생하므로, 거꾸로 출력된 펄스의 시간을 측정함으로써 연결된 콘덴서의 용량값을 측정할 수도 있습니다. (저항값의 측정도 마찬가지 입니다. 물리적 세계를 측정하는 센서(sensor) 에는 물리량의 변화를 저항값의 변화로 변환시켜 출력하는 타입의 센서가 많으므로 555를 사용하면 쉽게 측정회로를 설계할 수 있습니다)
이와같이 555 IC의 응용을 주제로 하면 책 한권 만드는 분량이 될 정도로 쓰임새가 다양한 IC 입니다.

다음편에서 계속 됩니다.

 

[2호]왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 3

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

두번째 회로 만들기 / 스위치, 다이오드

이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 두번째로 다이오드의 특성을 이해할 수 있는 회로입니다.
회로의 부품중에 스위치와 다이오드가 추가로 사용되어 이 부품들도 함께 설명합니다.

(공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
그림“회로도 이해하기 (4)”에 회로도, 실체도, 부품리스트, 동작테스트 방법 및 주의사항이 나옵니다. 이 구성은 모든 회로예제에서도 마찬가지입니다.
※ 처음 회로를 제작하시는 분은 “실체도”를 똑같이 제작하시기 바랍니다. 다음에 회로동작을 확인한 후 자신의 생각대로 부품배치를 바꿔서 동작시켜 보십시요.

▶ 회로설명
회로의 스위치(S1)가 닫히면 (눌리면) LED1은 켜지고 LED2는 꺼진 채로 남아 있습니다. 그 이유는 다이오드의 전류특성 때문입니다. (R1, R2는 전류제한용 저항) 이러한 다이오드의 선택적 특성은 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 많은 회로에 응용되고 있습니다.

※ D1, D2 실리콘 (Si) 다이오드에는 애노드의 전압이 캐소드의 전압보다 (0.6V 이상) 높은 경우에 다이오드를 통해 전류가 흐른다. 반대로 캐소드의 전압이 애노드의 전압보다 높으면 전류는 흐르지 않는다. (다이오드 설명참조)
※ 회로에서 사용한 스위치는 “택 스위치”로 접점이 2 개인 2 극 스위치이다. (스위치 설명참조)

▶ 추가실험
이 회로의 속에는 첫번째 회로가 사용되고 있는 것은 볼 수 있습니다. 이와같이 모든 회로는 보다 큰 회로의 부분집합으로 사용될 수 있습니다. D2 다이오드를 뒤집어 연결하고 스위치(S1)을 닫으면 LED2도 점등될 것입니다.

▶ 부품설명 : 스위치 (Switch)

스위치는 일견(一見) 간단해 보입니다. 그러나 세상만사가 겉보기와는 다른 경우도 비일비재 합니다. 스위치가 바로 이런 경우에 해당합니다. 반도체(Tr, FET)를 스위치로 동작시켜 (1과 0의 상태만으로 사용) 논리회로에 적용하면 디지탈 회로가 됩니다. 우리는 컴퓨터가 디지탈 회로를 발전시켜나간 결과임을 알고 있습니다. 그렇다면 논리적으로 추론하여 컴퓨터도 스위치를 응용한 것이라는 말이 됩니다. 재미있는 사실은 실제로 컴퓨터는 방대한 스위치의 집합이라는 것입니다. 지금 우리가 전자회로를 공부하는 것도 디지탈 회로의 꽃인 마이컴의 세계로 여행하는데 필요한 과정이기 때문입니다.
디지탈의 세계는 본질적으로는 스위치로 이루어져 있기 때문에 스위치의 “열림”과 “닫힘”이라는 두 가지 상태만이 존재합니다. 이러한 논리적으로 두가지 상태를 디지탈 회로에 대응시키면, 열림과 닫힘은 물리적으로 각각 전압의 최저값과 최고값에 해당하게 됩니다. 전압의 최저값은 항상 0V 이며, 최고값은 공급되는 전원전압의 크기와 같게 됩니다. (디지탈 회로가 5V 전압을 사용하는 경우에 최고값은 5V, 최저값은 0V 이다)
간단히 사용하기 위해 최고값은 1 혹은 H, 최저값은 0 혹은 L 로 사용하기로 약속하고 있습니다. 디지탈의 세계가 1과 0의 세계 혹은 H 와 L의 세계라고 불리우는 것은 이런 이유가 있기 때문입니다.

▶ 부품설명 : 다이오드 (Diode)

다이오드는 회살표 모양의 심볼로 표시됩니다. 심볼에는 화살표의 끝 부분에 세로 띠가 있는데 실제 부품에도 한 쪽 끝에 “띠”표시가 있습니다. 그러므로 쉽게 방향을 구분할 수 있지요. 다이오드는 역방향 전압의 크기와 통과시켜 흘릴 수 있는 순방향 전류의 크기로 정격이 정해 진답니다. (작은 다이오드라도 100V 내압에 1A 전류는 거뜬히 흘릴 수 있습니다. 이 말은 다이오드에 거꾸로 걸리는 전압이 100V 까지 O.K 라는 뜻입니다. 우리 실험회로에서 다이오드 D2에 걸리는 역방향 전압은 당근 6V가 되겠습니다)

※ 순방향 전압 : 애노드가 +, 캐소드가 _전압인 경우 (순방향 전류가 흐른다)
※ 역방향 전압 : 애노드가_, 캐소드가 + 전압인 경우 (역방향으로 전류가 흐르지 않는다)

 

세번째 회로 만들기 / 콘덴서

이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 세번째로 콘덴서의 특성을 이해할 수 있는 회로입니다.
회로의 부품중에 콘덴서가 추가 되었으므로 이 부품도 함께 설명합니다

(공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다) 그림_“회로도 이해하기 (5)”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
약간 복잡해 보이는 회로입니다. 제작할 때는 주의하여야 합니다. 그러나 가만히 살펴보면 3개의 독립된 회로가 한꺼번에 그려져 있어 복잡하게 보일 뿐이라는 사실을 알아낼 수 있습니다. (S4는 공통이며, D1, C1, S1, R1, LED1이 하나, D2, C2, S2, R2, LED2가 또 다른 하나, D3, C3, S3, R3, LED3가 하나의 독립된 회로입니다) 회로의 목적은 전기를 충전하는 콘덴서의 특성을 실험해 보는 것입니다.
S4를 눌러서 C1, C2, C3에 6V (전원)전압을 한꺼번에 충전해 둡니다. (금방 충전되므로 잠깐만 눌러도 O.K) 준비가 끝나면 S1, S2, S3를 하나씩 각각의 LED가 완전히 꺼질때 까지 누릅니다. LED는 S4 때문에 회로가 전원으로부터 끊어져 있으므로, 콘덴서(C)로부터만 전기 에너지를 공급받습니다. 사용하는 전해 콘덴서는 큰 용량을 갖고 있지만, 이 정도의 용량으로는 금방 에너지가 바닥 나 버립니다. (그 결과 LED는 점차 희미해지고 마침내 꺼지고 맙니다) 사용한 콘덴서의 크기에 따라 LED가 켜져있는 시간이 달라지는 것을 확인하시기 바랍니다.

▶ 추가실험
전원용 전지는 (화학적으로 전기 에너지를 공급하는) 아주아주 커다란 용량의 충전된 콘덴서와 같습니다. 회로에 사용된 다이오드는 왜 필요할까요? (다이오드가 없으면 C1, C2, C3에 충전된 전하가 섞여 버립니다. 다이오드는 전원에서 콘덴서로 전류가 흘러 들어가는 것은 허용하지만, 반대 방향으로 콘덴서에서 전류가 역류하는 것은 막아 버립니다)

▶ 부품설명 : 콘덴서 (Capacitor, 정격 단위는 패럿 [F로 표기] ) – 1 편
콘덴서는 사용할 수 있는 주파수 영역에 따라 여러가지 종류가 사용되고 있읍니다. 전자부품 중에서 형태가 가장 다양하고 색상도 다채로운 부품입니다. (우리 실험회로에서는 저주파 대용량인 전해콘덴서를 사용) 콘덴서에는 +, _극성이 구분되는 종류와 극성이 없는 2 가지 종류가 있습니다. (대용량 콘덴서는 큰 용량을 만들기 위해 내부에 전해물질을 사용하므로 반드시 +극의 전압이 _극 보다 높은 상태로 사용해야 합니다. 극성이 틀리면 정격내압보다 낮은 전압에서 연기를 내면서 파손되기도 합니다)

※ 극성이 없는 종류 : 세라믹 콘덴서, 마일러 콘덴서, 스티콘 콘덴서, 마이카 콘덴서, 페이퍼 콘덴서 등등
※ 극성이 있는 종류 : 전해 콘덴서, 탄탈 콘덴서 등등

▶ 부품설명 : 콘덴서 (Capacitor, 정격 단위는 패럿 [F로 표기] ) – 2 편
콘덴서의 용량값을 표시하는 방법은 ① 직접표기법 ② 10의 다음에 이어지는 0의 갯수로 표기하는 법의 두가지가 있습니다. 보통 0.1㎌ 보다 큰 용량은 직접표기를 선택하며, 반대로 0.1㎌ 보다 적은 용량의 콘덴서는 ②의 표기법을 사용합니다. (극성이 표시된 콘덴서는 직접표기법을 이용)

용량표시에서 사용 단위인 패럿(F)은 사용하기에 너무 크므로, ㎌(10＾_6, 0.000001F)이나 ㎊(10＾_12, 0.000000000001F)을 실용적인 단위로 사용합니다. 일반적으로 사용되는 콘덴서의 허용오차는 ±10%로 저항의 ±5% 보다는 큽니다. 중요한 것은 저항은 ±1%의 정밀급도 많이 사용되고 있으나, 콘덴서는 ±10%보다 정도가 높은 제품은 구입하기 어렵다는 점입니다. 콘덴서 용량값은 측정할 수 있는 계측기가 흔하지 않습니다. (저항값은 테스터로 측정 가능합니다) 그 결과 콘덴서는 적혀있는 용량값을 측정으로 확인할 수가 없어서 답답할 때가 많습니다. 이런 이유로 시중에는 콘덴서 용량측정기 킷트가 시판되고 있습니다.

 

다음편에서 계속 됩니다.

[2호]왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 2

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

 

첫번째 회로만들기 / LED,저항

이번 시간에는 준비한 8 가지 기초회로 중의 첫번째로 LED를 켜는 가장 간단한 회로입니다.
회로의 부품으로 LED와 저항이 사용되었으므로 이 부품들도 함께 설명합니다.

(공통부품인 브레드보드와 전원, 부품배치와 회로도 보는 법에 대해서는 앞에서 미리 설명을 드렸습니다)
그림_“회로도 이해하기 (3)”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
전원의 6V 전압 때문에 R1과 LED를 통해서 전류가 흐릅니다. (약 1mA 정도) 그 결과 LED가 점등합니다. (켜집니다)

▶ 추가실험
LED가 극성이 있다고 하니 리드(lead)를 바꾸어 꼽아봅니다. LED가 켜지지 않는 것을 확인합니다. 저항의 리드(lead)도 바꾸어 보십시요. 그냥 LED 상태에 변화가 없지요? 그것은 저항은 극성이 없기 때문입니다. (아하! 극성이 없다는 말은, 뒤집어 생각하면 부품의 방향, 앞뒤, 전후가 없다는 말이로구나… 느낌이 팍 오지 않나요?)
첫번째 회로는 무척이나 간단해 보입니다. 그렇다면 우리는 무엇 때문에, 지금, 여기서, 이 회로를 바라보고 있을까요? 간단하고 많이 쓰이니까요? 그런점도 있지만 단지 그런 이유만은 아니랍니다. 여기 쯤에서 우리가 전자회로를 공부하는 동기와 비젼 그리고 마음자세에 대해 생각해 봅시다.

대다수의 사람들은 새로운 것을 받아드리고 배우기를 무척이나 꺼립니다. 웬만하면 그전에 알고 있었던 지식을 이용하여 적당히 이해하고 떼우려고 합니다. 오락실이나 컴퓨터의 게임에서도 마찬가지입니다.
가만히 살펴보면 여러가지 게임의 진행방법과 목표가 매우 비슷비슷하여 판에 박은 듯 합니다. 또 기본적인 규칙도 단순하다고 느껴지는 것이 많고, 결코 어렵지는 않습니다.
우리가 새로운 지식을 습득하기 어렵다는 하나의 예로, 미흡하지만 필자가 지식 ⓐ를 받아들이는 과정을 묘사해 보겠습니다.

① 대부분의 경우 어디서 지식 ⓐ가 필요(중요)하다는 소리(정보)를 듣습니다.
② 긴가민가 하면서 미적미적 여기저기 정보의 진위를 알아봅니다. (마음속으로는 사실이 아니기를 기대하면서…)
③ 알고보니 불행히도 지식 ⓐ는 무척이나 중요할 것 같다는 생각이 듭니다. (세상에는 필요한 지식이 많지요)
④ 그래도 올인하기는 커녕, 겨우 책이나 한권 사두고 한숨을 돌립니다.
⑤ 멀찌감치서 이리 재고 저리 재보며 지식 ⓐ의 근처에서 빙빙 돌면서 세월을 보냅니다. (사실은 팍 덤벼들면 한 입 감인 경우도 많은데…)
⑥ 이 핑계 저 핑계를 대면서 슬슬 공부합니다.
⑦ 많은 시간이 흐릅니다.
⑧ 어찌어찌하여 남보다 많이 알게되면 은근히 뻐기고… 난리도 아닙니다.

재미 있으셨나요? 뭐 인간의 본성이 그렇습니다.
너무 자책하지 말기로 하지요… 하지만 필자가 왜 이런 이야기를 하는 것일까요?

그 이유는 원래 새로운 배움이 힘들기는 하지만, 그렇다고 소 닭보듯 경원하거나 한 발만 슬쩍 걸쳐놓고 “뭐 재미있는 것이 없나”하는 태도는 무척이나 위험하다는 말을 하고 싶어서입니다.

전자회로의 공부에 대해 약간 소개를 드리겠습니다.

만일 대학에서 전공이나 그 비슷한 정도로 공부하시고 싶은 분은 전자공학이 기계공학과 더불어 현대 지식공학의 핵을 이루고 있다는 것만으로도 충분한 매력을 느낄 것입니다.(전자회로는 전자공학의 중요한 부분입니다)
일반 아마추어에게는 전자회로 → 마이컴 (회로/프로그램) → 로봇 (마이컴 + 회로 + 통신 + 모터제어 + 기구) 으로 발전해 나간다는 것에 주목할 필요가 있습니다. 이 예를 보면 왜 로봇기술이 매력적인지 알 수 있습니다. (여러 기술이 종합되는 응용분야이기 때문) 전자회로와 마이컴을 알면 전기/전자분야의 기본이 갖추어진 것이므로, 앞으로 노력 여하에 따라 여러가지 응용기술로 뻗어 나아갈 수 있습니다. (로봇도 그 중의 하나입니다) 대학에서도 실무적으로 전자회로와 마이컴까지만 가르치는 것도 이런 이유가 있기 때문입니다.
그렇다면 가장 중요한 질문 하나!

전자회로와 마이컴을 이해하는데 얼마나 시간과 노력을 투자해야 할까요??? → Nobody know right now. (지금으로서는 아무도 모릅니다)

이런… 무슨 말인지 모르겠다구요?
많은 회사에서 프로젝트를 수행할 수 있는 연구원이 모자라서 발을 구르고 있습니다. 심지어는 대학을 졸업해도 능력이 부족해서 회사에서 다시 교육이 필요하다고 야단이지요. 이러한 현상은 우리나라만의 예는 아닐 것입니다. 세계 어디서나 우수한 인력은 모자랍니다. 그렇다면 우수한 능력을 갖고 있다는게 무슨 뜻인가요? 회사에서 우수한 능력은 새로운 제품을 개발해 내는 능력이고, 연구소에서 우수한 인력이란 새로운 연구를 진행하는 방법과 수단을 갖춘 사람을 의미합니다.
결국 한 마디로 요약하면, 우수한 연구자란 탄탄한 기초위에 응용력을 겸비한 성실하고 겸손한 사람입니다. (겸손해야 새로운 지식(기술)에 마음을 열어 받아들일 수 있고, 성실해야 새로운 지식(기술)을 자기것으로 습득할 수 있습니다)

이런 이유로 기업에서는 대학에서 마이크로 로봇 제작경험이나 기업과 공동프로젝트를 수행해 본 경험을 높이 평가해줍니다. 기초와 응용을 어느정도 겸비했다고 보여지니까요. (대학시절에 까다로운 연구 프로젝트를 찾아서 문제해결에 노력하고, 그 연구결과를 정리하여 레포트를 만들어서 연구직 입사원서와 함께 제출하면 면접까지는 문제없습니다. 누구라도 이런 사람을 한 번 만나보고 싶어하지요. 이런사람이 바로 능동적이고 톡톡튀는 인재랍니다)

전자회로와 마이컴은 위에서 설명한 탄탄한 기초에 해당합니다. 그러므로 “얼마나 시간과 노력을 투자해야 할까?” 라는 질문에 한마디로 답하기는 어렵습니다. 사람마다 자질과 지식을 습득하는 방법이 천차만별로 다르기 때문입니다. 사람이 흉중에 포부가 있어야 한다고 말합니다. 또 미래에 대한 비젼이 있어야 한다고도 합니다. 그러나 무엇을, 어떻게, 얼마나 해야할지를 가늠할 수 없다면 현실적인 포부나 비젼이 자리잡기 어렵습니다.
그렇다면 질문 방향을 바꾸어서, 전자회로와 마이컴 이해에 필요한 시간과 노력에 대한 판단은 각자에게 맡기기로 하고, 방법과 습득해야할 지식의 양을 알아보는 것이 현실적이겠습니다.

전자회로의 특별한 점은 몇가지 종류의 부품조합으로 회로가 구성된다는 것입니다. (수동부품 : R, L, C 능동부품 : D, Tr, FET, IC) 여기에 더해서 직류(DC), 교류(AC+pulse), 전압(V), 전류(A)의 개념 정도를 이해할 필요가 있습니다. 물론 전자회로 실험이 반드시 병행되어야 합니다. 마이컴쪽은 마이컴 회로와 인터페이스 회로 그리고 마이컴 프로그램의 이해의 3 가지로 나뉘어집니다. 그러나 이미 전자회로를 습득해 두었으므로 마이컴 회로, 인터페이스 회로의 이해와 실험은 간단합니다. (이런 이유때문에 우리가 지금, 여기서 고생하는 거지요 )

하나남은 상대는 “마이컴 프로그램” 이지만, 일단 마이컴 회로가 동작하면 작성한 프로그램을 한단계 한단계 동작을 확인할 수 있으므로 쉽고 재미있고 빠르게 실력이 붙습니다. (대개 30-50가지의 작은 프로그램을 작성해서 시험해보면 혼자서 응용가능한 수준이 됩니다. 프로그램 작성은 의외로 재미있어서 시간가는 줄 모릅니다) 마이컴은 책만 붙들고 백날 공부해 봐도 거의 진전이 없습니다. 반드시 실험이 따라주어야 합니다. (마이컴은 IC이기 때문에 마이컴 실험은 전자회로 제작의 경험이 필요합니다)

▶ 용어 : 저항(R), 코일(L), 콘덴서(C), 다이오드(D), 트랜지스터(TR), 전계효과 TR(FET), 집적회로(IC)
지금까지 전자회로와 마이컴을 이해하고 사용하는 것이 전기/전자분야의 기초가 되는 이유를 설명드렸습니다. 그리고 공부해야 할 내용과 범위도 함께 정리해 보았습니다. 이제 다시 이전의 질문으로 되돌아가 봅시다.
①_⑴ 전자회로에서 부품 10가지, 개념 10가지 정도를 이해하고 나서 ①_⑵ 20-30가지의 간단한 기본회로를 만들고 동작시키는 것을 목표로 부품을 구하고 실험을 해 보는데 얼마나 걸릴까? ②_⑴ 간단한 마이컴 회로를 만들어 두고 ②_⑵ 30-50가지의 100줄 미만의 작은 프로그램을, 하나씩 작성하고 마이컴의 롬(rom)에 입력시키면서 동작을 확인해 나가는데 얼마나 걸릴까? 목표가 분명하니 올인해 볼 수도 있지 않겠습니까? 이 학습이 여러분의 미래에 중요한 역할을 한다고 가정하고 진지하게 생각해 보면 어떤 답이 나올까요?
생각은 사람마다 다르겠지만, 확실한 점은 전자회로와 마이컴 과정을 체계적으로 배워 나간다면 무척 어려운 일은 아니라는 것이지요. 필자의 생각으로는 각각 1~2달 정도 소요되지 않을까요? 이 정도면 대학의 한학기 과정이지요… 그렇다면 우리의 “왕초보 전자회로”의 10가지 부품설명과 8가지 기초회로도 상당한 내용을 담고 있다는 이야기입니다.
필자는 지금의 강의를 만드는데 많은 아이디어와 정성을 들였습니다.
새로운 지식을 배울 때, 배우는 사람의 입장에서 찔끔찔끔 한정없이 끌려다니면 정말 짜증이 납니다. 제목은 거창한데 내용이 별로인 경우도 본전 생각이 납니다. 손오공이 근두운을 타고 적진을 둘러보듯이, 전자회로라는 큰 성채를 한번에 휘둘러 돌아볼 수 있도록 “왕초보 전자회로” 강의를 기획했습니다.

▶ 부품설명 : LED (Light Emitting Diode)
LED는 일종의 다이오드입니다. 빛을 내는 다이오드죠… 그래서 “발광 다이오드” 라고 부릅니다. 다이오드이므로 +, _극이 정해져 있습니다. (다리가 긴 쪽이 Anode로 +극입니다) LED는 반도체로 전류를 빛으로 전환하는 효율이 높아 적은 전류를 소비하며 수명도 깁니다.

적색, 녹색, 노란색의 빛을 내는 3가지 종류의 제품이 판매됩니다. 일반적으로 디지탈 회로에서 회로상태를 모니터하기 위해 많이 사용됩니다.

▶ 부품설명 : 저항 ( Registor, 정격 단위는 오옴 [Ω로 표기] )

저항은 그림_“부품 이해하기 (저항)-1”에서 처럼 여러가지 종류가 있으며 사용용도가 조금씩 다릅니다. 일반적으로 널리 사용되는 종류는 1/4W, 5% 오차의 저항입니다. 지금 단계에서 우리에게 필요한 것은 색깔띠로 표기된 저항값의 크기를 읽는 방법을 습득하는 것입니다.
색띠의 갯수는 보통 4 개이며 맨 마지막의 색은 대부분 금색으로 5%의 오차를 나타냅니다. 앞에서 3개의 띠로 저항값을 나타내며, 그림에서 보면 갈색(1), 검정색(0), 노란색(10㏀:10000Ω) 입니다. 첫번째, 두번째의 숫자를 순서대로 늘어놓고, 세번째의 숫자를 곱합니다. 즉 1 0×10000Ω = 100000Ω (= 100㏀) 이 됩니다. 몇 번 연습하면 어렵지 않습니다. (디지탈 테스터의 저항측정 모드를 사용하면 쉽게 측정할 수 있습니다. )
저항은 전류를 제한하는 역활을 하며, 그 결과 전압을 낮추는 효과를 가져옵니다. 저항과 전압과 전류의 관계는 오옴의 법칙 I=V/R 으로 표현됩니다. (우리 강의에서는 설명하지 않습니다) 저항은 자신을 통해 흐르는 전류의 제곱에 비례하는 열을 발생시킵니다.
그러므로 전류를 많이 흘리는 회로에서는 열을 발산하기 위해 저항의 표면적을 키우므로 덩치가 커집니다. (1/4W는 0.25W 까지 열을 발생해도 좋다는 뜻입니다. 대부분의 회로에서는 이 정격으로 O.K) 저항이 파손되는 경우는 과도한 열이 발생하여 타버리는 것으로, 연기가 솔솔 발생하며 타는 냄새가 나는 경우가 대부분입니다.

 

다음편에서 계속 됩니다. 

 

[2호]왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 1

왕초보 전자회로 강좌특집 2부 – 1 글 |스네일앤 스네이크 ※ 상기 내용은 디바이스마트와 스네일앤 스네이크의 협의를 통하여 사용을 득한 내용입니다.

브레드보드 이해하기 / 브레드보드

이제 입문을 하였으니까, 본격적으로 회로의 마법세계로 들어가 봅시다.

농부가 씨를 뿌리고 태양이 빛과 열을 주어서 곡식이 자랍니다.
그러나 다시 생각해 보면 대지와 대기의 이산화탄소(CO2)라는 자원이 없으면 이루어질 수 없는 일입니다. 이처럼 우리는 당연히 제공되는 것의 필요성을 잊고있는 경우가 왕왕 있습니다. 그러나 만일, 당신이 신(God)이고 처음으로 하나의 세상을 창조하려고 생각한다면…
그렇습니다. 하나부터 열까지 몽창 고민해 보아야만 합니다.
지금 우리의 손에는 아무 것도 없습니다. (또는 없다고 생각합니다)
그러므로 이제부터 창조의 작업이 필요하군요.
그렇다면 당신이 지금 당신만의 회로세계를 구축하는 신(God)의 입장이라면 당신은 무엇을 먼저 준비해야 하겠습니까?
→ 당연히 어떤 회로제작에도 필요한 근본적인 무엇이 필요하겠지요…
그것은 두가지 입니다. 하나는 실제부품이 조립되는 판(board)이고, 또 하나는 회로운전에 필요한 에너지원입니다. 그런 이유로 이번 (첫번째) 시간의 강의주제는 판(board), 즉 브레드보드(bread board)가 되겠습니다.
(다음시간에 회로의 에너지원인 전지에 대해 설명합니다)
먼저 아래 그림과 사진으로 브레드보드(빵판)을 구경해 봅시다.
전자회로 강의를 좀더 알기쉽게 전달하기 위해서, 제작하는 모든 회로의 실체도를 보여드릴 겁니다.
실체도는 그림 “브레드보드 이해하기 (1)”의 좌측에 보인 2 차원(평면) 브레드보드 그림 위에 부품을 배치한 형태로 나타낼 예정입니다.

▶ ①은 시판되는 브레드보드 모듈입니다.
▶ ②의 영문을 번역해 보겠습니다. – 프로트 형태의 보드(판)은 부품의 리드(lead)를 판의 구멍에 밀어 넣어서(끼워서) 연결할 수 있으므로 납땜이 필요없는 임시회로를 제작하는데 사용된다.

어떻습니까? 단순하면서도 명쾌한 설명이죠.
브레드보드는 회로실험에 그만이랍니다.
다음 차례는 브레드보드에 숨어있는 (겉으로 드러나지 않는) 내부연결을 알아봅시다. 오른쪽의 그림-”브레드보드 이해하기2″을 찬찬히 살펴봅시다.
선(점선)으로 표시된 구멍들은 내부에서 서로 연결되어 있습니다. ① 번은 실물사진이고 ② 번은 숨겨진 내부연결을 나타냅니다.
네모난 작은 구멍 밑에는 ③ 번의 그림과 같은 핀 구조의 금속판(코넥터)이 배치되어 있어 부품의 리드(lead)가 끼워지는 구조로 되어 있습니다.
브레드보드의 블록은 내부연결로 볼 때 두가지 종류가 있습니다.
하나는 세로로 길게 연결되어 있는 블록이고 또 하나는 가로로 (구멍 5 개씩) 짧게 연결된 블록이 마주보고 배치된 형태입니다.
세로의 긴 블록에는 전원의 +, _를 연결합니다. ( +는 적색선 쪽을 사용, -는 청색선 쪽을 사용) 가로로 연결된 블록 사이의 공간이 IC와 같은 중요부품을 배치하는 장소입니다.

▶ 브레드보드는 일명 빵판이라고도 부릅니다.- bread가 빵이라서 그런가??? 이유는 잘 모릅니다.
▶ 브레드보드는 쉽게 구입할 수 있는 부품입니다.
▶ 브레드보드의 구멍사이를 연결하는 선은, 부품의 리드(lead)와 같은 단선을 사용하여야 합니다. -(연선은 가는 선이 여럿 합쳐있는 구조로 구부러져 끼워지지 않습니다) 이 목적으로는 전화선이 값싸고 구하기도 쉽습니다.
▶ 전화선을 자르고 양 끝단의 피복을 벗기려면 니퍼, 롱노우즈, 스트리퍼등의 공구가 필요합니다.

 

브레드보드 사용해보기 / 전지

이번 시간에는 이전에 소개한 브레드보드를 사용하여 가장
단순한 회로를 만들어 보겠습니다. 

 

사용한 회로도는 제작 예정인 8가지 중의 첫번째입니다.
여기서는 회로의 동작보다는 회로도를 읽고 제작하는 방법 위주로 설명합니다. 우선 아래 그림_“회로도 이해하기 (1)” 그림을 살펴보십시요.
우선 회로도를 뜯어보도록 하겠습니다.

회로도는 ② 번이지만, 우선 ① 번 그림을 먼저 살펴봅니다.
가만히 보니 4개의 부분으로 이루어져 있군요. 이 중에 가운데 있는 저항과 LED는 부품입니다. 그렇다면 맨 위의 자루달린 삼각형과 아래의 물 그림자에 비친 뒤집어진 꼬깔 모양은 무엇일까요? ② 번 그림에 설명되어 있습니다. 위의 심볼은 전원의 +에 연결하라는 뜻이고, 아래 심볼은 땅(ground, GND)의 의미로 전원의 _에 연결하라는 뜻입니다.

▶ 우리 회로강의에서 전원은 모두 6V를 사용합니다.(건전지를 4개 직렬연결, 1.5V x 4 = 6V)

② 번 그림에서 보면 각 부품의 리드(lead)는, 다른 부품의 리드(lead)나 전원의 +, _에 연결됨으로써 전체적인 회로가 이루어진다는 것을 알 수 있습니다.
③ 번 그림을 보면 필요한 부품의 리드(lead) 끼리 연결만 된다면, 이어지는 선의 색깔이나 길이는 중요하지 않다는 것을 보여주고 있습니다. (이런 이유로 동일한 회로도로부터 제작된 작품도 모양과 크기가 서로 다릅니다. 제작자마다 기호가 다르기 때문이지요.)
④ 번 그림을 보면 하나의 극성있는 부품(LED)의 방향이 잘못되어 있습니다. 부주의로 ④ 번의 잘못된 회로도 처럼 제작한 경우에는 원하는 동작이 나오지 않습니다. (다행히도 부품이 파손되지는 않습니다. 방향을 바로잡아 주면 즉시 동작합니다. )
아래의 그림_“회로도 이해하기(2)”으로 이어집니다.

① 번 그림은 1.5V AA사이즈 전지 4개를 수납하는 전지홀더를 사용하여 6V를 만든 것을 보여줍니다. 회로도에 보면 전지심볼 4 개가 직렬로 연결되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 전지홀더에서는 +,_두 개의 리드(lead)가 나와 있는데, + 리드를 브레드보드 우측 세로모듈의 적색선 옆 구멍에 꼽고, _리드를 좌측 세로모듈 청색선 옆의 구멍에 꼽습니다.
이렇게 배선한 후 ⑥ 번 그림과 같이 전압계로 전원선 전압을 확인해 보면 약 6V가 나옵니다.
② 번 그림은 위에서 설명드린 회로도입니다.
③, ④, ⑤ 번 그림은 모두 ② 번 회로도로 제작한 실체도 입니다. (적, 흑, 청색은 전선) 부품의 배치가 조금씩 틀리지요? 그래도 ② 번 회로도를 충실히 재현하고 있습니다. (제작 취향이나 주변 부품의 배치에 따라 원하는 배치를 하나 사용하면 됩니다. 여기서는 회로도의 이해를 돕기 위해 3 가지 예를 제시하였습니다.)

▶ 실체도에서 부품에 표시된 검은 점이, 실제 회로에서 부품의 리드(lead)에 해당합니다.
▶ 실체도에서 부품모양이 생소하지요? 네모난 것이 저항이고 동그란 것이 LED입니다. 자세히 보면 LED의 리드(lead)에 극성표시가 있습니다. (보다 상세한 설명은 각각의 부품란을 참조)
▶ 브레드보드 안에 숨겨진 내부연결과 배치된 부품 연결을 같이 이어보고, 회로도와 같은지 확인해야 합니다.

전원이 연결되어 있으므로, 회로가 완성되는 순간 LED가 켜지는 것을 확인할 수 있습니다.

▶실제 회로제작에서는 전원을 마지막에 연결합니다. (마지막 순간에 전원의 +단자를 연결합니다. -단자는 연결해 둡니다) 원칙적으로는 전원이 들어가 있는 상태에서 부품을 연결하면 안됩니다. 회로가 완전하게 만들어지지 않은 상태에서 전원이 들어가면 예키지 않은 결과가 나올 수 있습니다. 최악의 경우는 부품이 파손되기도 합니다. 그런 이유로 회로에 전원용 스위치를 부착하는 경우도 있습니다. 우리 실험에서는 회로제작의 마지막에 전원의 +선을 연결하는(브레드보드에 끼우는)것으로 대신합시다.

이번 강의에 사용한 부품으로, 회로의 에너지원인 전지의 종류에 대해 설명합니다. 전지의 크기(사이즈)는 전압과 무관하며, 방출할 수 있는 전류의 크기와 관계가 있습니다. 전지의 크기(사이즈)는 AA, AAA, CM등의 명칭으로 구분합니다.

▶ 부품설명 : 전지

아래 그림에 일반적으로 사용되는 전지의 종류를 정리하였습니다. (휴대폰에 사용되는 리튬(Li) 전지는 제외)

① 번과 ② 번 그림은 우리가 일반적으로 많이 사용하는 건전지입니다.
1.5V / Cell (전지 1개)
③ 번 그림은 충전용으로 가장많이 사용되는 니켈카드늄 전지입니다.
값이 싸고 충전기도 전파사나 대형 마트등에서 쉽게 구할 수 있습니다. 1.2V / Cell (전지 1개)
④ 번 그림은 자동차용으로 널리 사용되는 납축전지입니다. 충전가능하며, 여러가지 전압/용량별로 규격화된 제품이 나와 있습니다. 2V / Cell (전지 1개) ⑤ 번 그림은 최근에야 널리 사용되기 시작한 고체수소전지입니다. 성능은 니켈카드늄 전지의 2배지만, 가격이 고가이며 전용 충전기를 사용해야 합니다. 디카에 많이 사용됩니다. 1.2V / Cell (전지 1개)
⑥ 번 그림은 전지를 직렬로 연결하여 여러가지 전압을 만들 수 있는 (전지)홀더입니다. 3V, 4.5V, 6V, 12V의 규격이 있습니다. (사이즈도 전지별로 여러가지가 준비되어 있습니다)
그림의 우측에 전지의 심볼이 나타나 있습니다. (친숙한 심볼이라고 생각되는군요. )

위에서 설명했듯이, 우리의 강의에서는 6V 전지를 필요로 합니다.
보신 바와 같이 사용되는 전지의 종류는 많지만, 사용목적은 오직 한가지 입니다. 회로에 필요한 전압과 전류를 공급하는 에너지원이 전지사용의 목적입니다. 우리 실험에 사용되는 회로는 전류를 많이 필요로 하지 않습니다. (최고 수십mA 정도) 그러므로 6V 전압만 되면 어떤 종류의 전지를 사용해도 O.K. 입니다. 랜턴용으로 시판되는 6V 전지도 좋습니다.
(단 +, _전선을 납땜하거나 악어클립을 사용하여 전지 밖으로 뽑아내야 하는 번거로움이 있습니다. 선을 대충 감아서 사용하는 것은 통전에 좋지 않습니다.
차라리 전선을 전지단자에 테이프로 꽉 붙여 버리십시요.

다음편에서 계속 됩니다.