LED구동회로. TR이용구동회로

[쑤구리[08학번B반이승훈]]

LED기본구동회로 및 브레드보드 연결

※ 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)

※ 책만으로는 절대로 마이컴에 재미를 붙일 수 없습니다. (98%의 신뢰도) - 이유는 명확하지만 나중에 설명합시다. 사실은 전자회로도 마찬가지입니다. 대학에서 전공을 했어도 실험이 부족하기 때문에 회로사용에 자신있는 사람이 별로 없을 정도입니다. -_- (거기다가 전자회로는 어렵니, 어쩌니 하면서 다 완성되어 있는 컴퓨터의 프로그램만 선호합니다. 대부분 틀린 말입니다. 차근차근 순서대로 공부해가면 전자회로는 결코 어렵지 않습니다. ^^)

▶ 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 훓어보듯이, 전자회로라는 큰 성채를 한번에 휘둘러 돌아볼 수 있도록 "왕초보 전자회로" 강의를 기획했습니다. 강의의 요점은 ① 전자부품을 학습하고, ② 부품의 심볼을 익혀 회로도를 볼 수 있으며, ③ 실제부품과 브레드보드를 사용하여 회로를 제작하고 동작을 확인한다는 3 마리 토끼를 단번에 잡으려는 것입니다. (각 장에 소개되는 회로는 그 장에서 설명하는 부품을 실험하도록 설계 되었습니다. 왜 부품이 그와 같은 동작을 하는지 주의깊게 살펴보시기 바랍니다) 산을 바라보고 있으면, 산보다 작은 나무 하나하나는 주의가 소홀하게 되는 경우가 많습니다. 중요한 의미를 전달하는데 중점을 두다보니, 부득이 생략되는 부분에 대해서도 관심과 주의를 부탁드립니다. ^^

LED

▶ 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.

TR이용기본구동회로및 브레드보드 연결

▶ 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 어떤 물질이나 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)

 출처 : http://www.snailnsnake.co.kr/Lecture/first%20circiuts/subjects.htm