[1] 소자 사용법

차량에 사용된 회로를 얘기하기 전에, 얘기할 순서에 대해 고민하였다. 내가 만든 회로들은 언급하면서 소자에 대해 계속 얘기할텐데, 중복되는 소자와 사용 방법이 많이 때문이다.

따라서 먼저 내가 사용했던 소자들의 종류와 사용법에 먼저 사용한 뒤, 추후 다른 챕터로 글을 작성하는 게 좋을 듯 생각했다.

소자들은 LM393N, NE555와 같은 전기적 소자를 먼저 얘기하고 이를 어떻게 사용했는지에 대해 얘기하겠다. 커넥터, 고전압용 릴레이 등의 소자/부품들은 나중의 각 단계에서 언급하겠다.

[주의 사항]

※ 나의 글이 좀 더 정확하고, 유용한 정보가 많았으면 하는 마음에 글을 쓰면서도 많은 정보를 읽고 작성한다. 디지털 소자 작동법은 실험 값으로 한다고 해도, 아날로그 소자(R, L, C)는 나의 방법에 자신감이 많이 없다. 아날로그라는 분야 특성 상 최신 정보가 인터넷에 많이 없고 정보가 잘 안 풀린다. 물론 되는 회로이다만, 안정성과 노이즈, 주파수 등의 면에서 효율이 많이 떨어질 수 있다. 이 점 많은 양해 바란다.

※ 글 내용이 무척 기니깐 한 번에 다 알려고 하지 말고, 쉬엄쉬엄 읽는 걸 추천한다.

위의 스프레드시트에는 회로에서 공통적으로 많이 쓰이는 소자들을 적어두었다.

나는 브레드보드에 여러 번 실험을 해볼 계획으로 스루홀 방식(DIP)의 소자들을 구매하였다. 가격대는 웬만하면 1~2천원을 넘지 않으며 특수 소자들(래칭 릴레이, DC-DC 컨버터)들은 좀 비싸다. 우리는 여러 테스트를 해본다고 소자를 많이 망가트려서 모든 전기적 소자 및 부품 구매에 150~160만원 정도 사용하였다.

부품은 일괄 처리하기 편하게 디바이스마트에서 모두 구매하였다. '[0] 시작하기'에서 얘기했던 장점(빠른 배송과 AS, 한국 판매업체 등) 때문이다.

부품 설명에 앞서 위 부품을 사용한 이유를 얘기해보겠다. 1년 간 활동하면서 우리 전기팀은 여러 목표를 세웠다

1. 작년 대회에서 NE555와 여러 게이트에서 문제가 많이 발생했으니 이번에는 문제가 거의 안 나는 npn, pnp 트랜지스터 위주로 한번 회로를 짜보자!

▶ 처참히 망함. 망했던 이유는 전기적 지식의 부족이기도 하지만 특히 BJT 트랜지스터는 전류로 스위칭이 되는 소자였기 때문이다.

회로의 종류로는 아날로그, 디지털 회로 두 가지로 나눌 수 있는데 두 개의 특징이 크게 다르다. 디지털 회로를 컴퓨터 코드와 비슷하다. Ctrl + C, Ctrl + V처럼 내가 만든 회로에 다른 사람의 회로를 연결하는 게 된다. 하지만 아날로그 회로는 이게 안된다. 내가 만든 회로에서는 잘 작동해도, 내 회로 뒤로 다른 회로를 연결하면 작동할 지는 미지수이다. 뒷 단에 연결된 회로에서 얼만큼의 전류를 먹을 지, 노이즈가 날 지 모르기 때문이다. 그래서 처음에 이 사실을 모르고 몇 달을 날리게 된다.

2. BJT가 전류로 제어되니까 어려웠네... 그러면 MOSFET을 이용해서 회로를 짜보자! 소자는 릴레이, OP AMP가 쉽게 작동하니까 이를 넣어서 해보자!

▶ 릴레이, OP AMP는 잘 작동하나 MOSFET이 잘 되지 않았다. 전압으로 스위칭이 되어도 제어가 우리의 전기적 수준에서 어려웠다.

릴레이는 전류를 흘려보내면 되는 친구고, OP AMP는 여러 테스트 결과 잘 되는 방법을 찾았다. 그래서 릴레이와 OP AMP는 그대로 들고 가기로 했다. 허나 MOSFET은 죽어도 잘 되지 않았다. 대회 2달 전까지도 잘 되지 않았기에 시간이 없었기에 나는 MOSFET을 버렸다. 

3. 시간이 없다. 되는 애들로 어떻게든 회로를 만들어보자!

▶ 결국 릴레이, OP AMP 위주로 회로를 만들고, 전류 스위칭 및 증폭이 필요하면 BJT 트랜지스터를 조금씩 사용하였다.

따라서 내가 완성한 회로를 매우 단순하게 작동한다. 전류 증폭이니 MOSFET이니 어려운 회로적 원리는 전혀 없다. 그러니 천천히 따라해보면 내가 1년 간 맨 땅에 헤딩하며 배운 정도는 쉽게 따라올 것이다.

이제 소자들의 종류를 하나씩 얘기하며 어떻게 작동시켰는 지, 그걸 이용해 어디에 사용하였는지 적어보겠다. 참고로 나는 원리는 이해하지 못한다. 되니까 쓰는 거다.

현재 소자를 사용할 줄 모른다고 가정하자, 그럼 어떻게 해야 할까? 인터넷에서 구매를 해도 설명서가 배송되지 않는다. 따라서 우리는 데이터시트를 직접 확인해야 한다.

데이터 시트를 찾는 방법은 크게 2가지이다. (1) 구글에 검색하거나 (2) 판매처 내 상세 설명을 검색하는 것이다. 이렇게 해도 없다면 구매한 곳에 연락을 해 데이터시트를 이메일로 받는 방법밖에 없다.

먼저 OP AMP가 1개인 LM311N의 사용법을 알아보자.

구글에 검색해도 나오고, 디지키 같은 대형 부품업체에서 검색해도 잘 나온다.

데이터시트는 회사마다 형태가 다르다. 위의 데이터시트처럼 중요 정보를 FEATURES로 요약해 정리한 곳도 있고, 표로 소자의 전기적 특성들을 분류해놓은 곳도 있다. 이 많은 정보를 모두 알고 이해하려면 많은 시간이 걸리기에 우리는 중요한 정보만 볼 필요가 있다.

중요한 정보는 소자마다 달라진다. 소자의 기능을 하기 위해 관련된 정보를 보면 된다. 위의 OP AMP의 경우 작동 전압(5V Supply)가 중요할 것이다.

보통 중요한 부분은 첫 페이지의 요약(Feature, Description)과 전기적 특성(Electrical Characteristics), 핀 구성 (Pin Configuration)에 많다. 작동시키기 위해선 이 부분을 보고 이해가 안되거나 궁금한 부분은 그때 인터넷과 데이터시트를 찬찬히 찾아보면 편할 것 같다.

또한 데이터시트에는 회사에서 소자를 이렇게 사용해라~ 라고 적어놓은 회로도가 있다. 위 사진에 빨간 체크 표시가 있는 것이 그 의미이다. 필요 기능에 따라 OP AMP를 응용한 회로도가 있으니 이를 참고해도 좋을 것이다.
(그렇다고 위의 회로도에 집착하지 말자. 학사 수준의 PCB에선 위의 기능을 하는 회로를 쓸 일이 많이 없으니깐 말이다.)

조금 말이 길어졌는데, 소자를 작동시키기 위한 동작을 요약하면 다음의 순서와 같다.

1. 특정 동작을 수행하기 위해, 어떤 소자를 많이 이용하는 지 검색

2. 소자를 인터넷 검색해 사람들의 회로도를 찾은 뒤, 직접 빵판에서 테스트해보기

3. 동작하지 않거나 정확한 정보를 알고 싶다면 데이터시트를 읽기 (위의 중요한 부분부터)

4. 세부적인 정보는 데이터시트의 목차를 보고 해당하는 부분을 꼼꼼히 읽기

※ 전기 공부를 처음하면 데이터시트 읽기가 매우 어렵다. 내가 필요한 정보의 단위 위주로 찾아보며 조금씩 읽어보자.
(Ex. 소자 구동 전압이 알고 싶다 > 데이터시트 중 [V] 단위가 있는 부분을 찬찬히 읽어보기)

OP AMP는 두 가지 기능이 있다. 첫 번째는 전압 비교이며 두 번째는 버퍼이다. 어떻게 사용하는 지 알아보자. 위의 목록에서 LM393N, LM311N이 OP AMP 소자이다.(LM393N과 LM311N의 차이는 소자 내부에 OP AMP가 2개이냐 1개이냐 차이다. 둘 다 같은 기능을 한다.)

먼저 OP AMP가 1개인 LM311N의 사용법을 알아보자.

LM311N의 핀은 총 8개이며, 각각의 의미와 사용법에 대해 얘기하겠다. 꾸준히 얘기하지만 내가 소자를 쓴 방법과 다르게도 쓸 수 있음을 강조한다.

Pin 1 : 회로 전원의 GND에 연결하면 된다.

Pin 2, 3 : OP AMP에 비교될 신호 2개가 입력으로 들어간다.  2번 Input(+)이 3번 Input(-)보다 크면 Pin 7의 출력이 High가 되며, 3번 Input(-)이 2번 Input(+)보다 크면 Pin 7의 출력이 Low가 될 것이다.

중요한 점은 꼭 GND로 Pull Down 저항을 연결해야 된다. 그래야 A, B의 입력 전압이 매우 낮거나 Floating이 되더라도 GND에 연결된 저항으로 0으로 인식하여 OP AMP가 잘 작동한다. 이게 없으면 이상한 출력을 보여줄 수 있다.

Pin 4 : 회로 전원의 GND에 연결하면 된다.

Pin 5, Pin 6 : 이 핀은 사용하지 않는다. 이 핀을 이용해 BJT처럼 스위칭을 하거나, 입력 Input의 Offset을 조절하거나 노이즈 감쇠를 할 수 있다지만 난 쓰지 않았다. 여러 실험을 해본 결과 우리의 회로에는 쓸 일이 없었다.

Pin 7 : Output이다. High일 때(Pin 2 > Pin 3) 소자 전원만큼의 전압이 출력되고, Low일 때는(Pin 2 < Pin 3) GND와 같다.

Pin 8 : 소자 전원을 가해준다. LM311N의 경우 5V를 전원으로 사용한다. 그 이상 가해주면 소자가 매캐한 냄새와 함께 타버린다.

※ Input의 100k Pull Down 저항은 오로지 실험 값에 의한 결과이다. 100k 저항이 Pull Down일때 잘 출력되어서 썼다. Pull up 저항은 Output으로 나오는 신호의 전류에 따라 변경해주면 된다.

위의 회로도와 같이 OP AMP를 연결하고 전원을 가해준다면 OP AMP는 전압 비교기로 잘 작동한다. 그럼 이를 어떤 방식으로 사용하면 될까?

[1] 전압 신호 비교

 대회 규정 중에는 센서 신호를 비교하는 부분이 많다. 예시로 AVI 규정 중 "구동 시스템 전압의 차량쪽 전압이 60V DC 이상일 때, 적색으로 점등되는 LED와 같은 눈에 띄는 표시장치가 있어야 한다." 라는 규정이 있다. 그럼 이 60V DC를 OP AMP를 이용해 비교하는 것이다. (물론 60V DC를 바로 비교하지 않는다. 자세한 내용은 AVI 목차에서 다루겠다)

 한 개의 입력은 비교할 신호를, 다른 한 개의 입력은 저항과 가변 저항의 전압 분배 회로를 입력해, 가변 저항을 이용해 내가 원하는 전압 값 이상 올라가면 Output이 High가 되도록 만들 수 있다. (아래의 회로 설명 참조)

[2] 버퍼 (Buffer)

 버퍼는 부하 저항에 가하는 전압을 입력 전압 그대로 전달해주기 위해 사용된다... 이해가 잘 되지 않는 말이다. 한번 쉽게 생각해보자. (저항의 전압 분배 법칙의 선행이 필요)

나는 5V의 전압을 저항 분배를 통해 절반으로 나눈 2.5V를 부하 저항에 가해주고자 한다. 좌측의 회로도에서 Probe_1가 표시하는 전압은 얼마인가?

저항 분배를 하여 2.5V를 가해주었으니 Load_Reg에 2.5V가 가해지는 중일까? 이는 틀렸다. 실제로는 1K 와 1K // 1K = 0.5K의 저항이 전압 분배를 한 것처럼 되며, 실제 가해지는 전압은 1K / (1K + 0.5K) * 5V = 3.3V가 가해지고 있는 중이다. 이는 우리가 가하고 싶은 전압과 다른 결과가 나온다.

그럼 우측 회로도에서 Probe_2가 표시하는 전압은 얼마인가?

이는 OP AMP의 응용 중 비반전 증폭을 사용한 것으로, 출력 전압은 2.5V가 출력된다. Load_Reg에 상관 없이 OP AMP의 입력단에서 저항 분배된 전압 값이 그대로 Load_Reg에 가해지는 것이다. (OP AMP의 비반전 회로 설명은 여기서 하기 너무 길다... 잘 설명된 사이트를 첨부하겠다. 실무 설계에서의 OP AMP 글도 읽어보면 좋을 듯 하다. )

따라서 OP AMP를 이용해 내가 원하는 만큼의 전압을 소자에 가해줄 수 있다. 나는 보통 OP AMP로 출력된 OUTPUT 신호를 버퍼로 넣은 뒤, 릴레이를 작동시켰다. 릴레이는 소모 전력이 높아 일반 소자의 출력으로 완벽히 구동시키기 어렵기 때문이다. 

릴레이는 단순하게 '전기적 스위치'라고 얘기할 수 있다. 릴레이의 전기적 코일 부에 전류를 가해주면 전자석의 원리로 접점이 개방된다. 이를 이용하여 여러 기능의 시스템을 만들 수 있다.

릴레이 회사 브랜드에는 여러 회사가 있는데, 나는 오므론(OMRON) 회사를 제일 추천한다. 가격이 다른 릴레이에 3~4배 정도 하지만 그만큼 좋다. 여기서 '좋다'의 기준은 안정성이 좋다라는 뜻으로, 허용 전압보다 더 높게, 오래 전압을 가해줘도 소자가 고장나지 않고 오래 버틴다는 뜻이다. 릴레이에 전압을 오래 가해주면 그만큼 발열도 심해지는데, 오므론은 내가 사용했던 릴레이 중에서 제일 안정성이 높았다. 오므론 짱짱 좋다.

릴레이를 국산화하고 싶다면 '한국 리레이' 회사도 있다. 여기에도 일반 릴레이, 래칭 릴레이가 다 있어서 한번 시도해도 좋다고 생각한다. 또한 학생들 대상으로 고전압 차단 릴레이(AIR) 무료 지원을 많이 해주셔서 감사한 마음의 홍보도 어느정도 있다. (성능도 좋다)

내가 사용한 릴레이는 두 종류가 있다. 일반 릴레이(TY-5SH, G2RL-2 DC12)와 래칭 릴레이(RT424F12)다. 먼저 일반 릴레이부터 알아보자.

흔히 릴레이라 부르는 것이 바로 일반 릴레이다. 위의 두 릴레이는 DC 전원에서 사용되는 릴레이로, 코일 부와 접점 부가 존재한다. 역할은 단순하다. 코일 부에 전류를 흘려주면 접점부가 스위칭된다. 코일에 흘려주는 적은 전력량으로 높은 전류, 전압을 제어할 수 있다. 어느 정도의 전류를 제어할 수 있는지는 데이터시트를 참고하자.

릴레이는 알아야 될 용어 몇 개가 있다. 그리 어렵지는 않으니 차근차근 이해해보자.

코일에 전류를 흘려보내지 않은, 기본 상태일 때 접점부에는 붙어있는 접점(그림 2에서 2, 7번)과 떨어져 있는 접점(그림 2에서 4, 5번)이 있다. 이를 각각 NC(Nomally Closed)와 NO(Normally Open)이라 부른다. 또한 각 연결에 공통으로 쓰이는 접점(그림 2에서 3, 6번)은 COM(Common)이라 부른다.

※ NC, NO, COM들을 세트로 묶어 a 접점, b 접점, c 접점이라 하는데, 그냥 영어 표기가 더 쉽다.

또한 내부 접점 구조에 따라 종류를 다르게 얘기한다. 이는 사진을 참고해보자. 예시로, TY-5SH는 SPDT이며, G2RL-2는 DPDT로 구분할 수 있다.

이제 특수한 래칭 릴레이를 알아보자. 위의 릴레이들은 전류를 가해주는 동안에만 접점이 닫힌 채 유지되며, 전류가 더이상 가해지지 않으면 접점은 원상복귀한다. 하지만 래칭 릴레이는 다르다. 전류를 제거해도 접점이 붙은 채 남아있다!

위의 특징 덕분에 래칭 릴레이는 안전 회로에 사용된다. 시스템 내부에서 에러가 한 순간 발생해 반짝! 에러 신호를 줬다고 가정하자. 이때 일반 릴레이었다면 에러 신호를 순 짧은 순간에만 접점이 닫혔다 열릴 것이다. 허나 래칭 릴레이는 접점이 닫힌 뒤 특정 행동을 취하지 않으면 그대로 유지될 것이다. 그래서 래칭 릴레이는 유용하게 쓰일 수 있다.

(그래서 그런가 더럽게 비싸다. 24년도 9월 기준 릴레이 개당 1.3만원이었다. 이 릴레이를 사용한 이유는 다른 릴레이를 테스트해볼 시간이 없었기 때문이라, 대체 릴레이도 많을 것이다. 한국리레이에도 래칭 릴레이가 있으니 이걸 사용해보면 좋을 듯 하다.)

래칭 릴레이를 이용하는 법은 단순하다. 작동법인 Bistable coils - operation을 정리하면 아래와 같다. (우리가 사용할 릴레이는 2 coils이다)

▶ 코일의 접점부를 Operate(닫기) 위해선 (11 - 14 연결, 21 - 24 연결) A3에 (+) 전압, A2에 GND를 연결한다

▶ 닫힌 접점을 Reset하기 위해선 (초기 상태인 11 - 12연결, 21 - 22연결) A3에 (+) 전압, A1에 GND를 연결한다. 

요약하자면, A3에 (+)를 연결해두고 Operate = A2을 GND, Reset = A1을 GND인 것이다.

접점을 닫고 래칭하는 방법이 쉽게 쉽게 되기 때문에 래칭 릴레이는 차단 회로 구성에 제일 중요한 소자가 된다.

대회 규정을 보다 보면 "A와 B의 조건이 모두 만족했을 때" 처럼 조건을 만족했을 때 수행되어야 되는 규정들이 있다. 이런 상황이 동시에 만족했다는 것을 어떻게 알아차릴까? 바로 게이트를 통해 쉽게 해결할 수 있다

게이트에는 여러 종류가 있다. AND, OR, NOT, XOR, NOR 등... 여러 종류가 많다. 각각이 어떤 논리 의미를 갖고 있는지는 알고 있다고 넘어가자. 할 얘기가 많다.

우리가 사용한 게이트는 같은 Texas Industry에서 만들었고, 게이트 종류를 제외하면 같은 특성을 갖고 있어 앞에 "CD"라는 같은 접두어를 갖고 있다. 같은 접두어를 갖고 있는 소자로 통일하면 같은 전압 영역대에서 동작하고, 특성이 같으니 같은 방식으로 사용할 수 있으니, 웬만하면 게이트는 같은 종류로 쓰자.

또한 뒤의 숫자에 따라 종류가 달라지며 소자 내부 Gate의 갯수도 달라진다. 예시로 CD4081BE, CD4082BE는 같은 AND 게이트지만 AND 게이트의 Input, Output 갯수와 게이트의 갯수가 다르다. 이를 참고하며 소자를 구매할 때 주의해야 한다.

위 사진의 핀 번호를 확인하면 쉽게 이해할 수 있다. Functonal Diagram에서는 게이트의 Input, Output을 쉽게 확인할 수 있다. 게이트로 들어가는 알파벳(CD4081B 기준 A, B, C, D 등)이 Input 신호이며 게이트에서 나가는 알파벳(CD4081B 기준 J, K, L, M)이 신호의 Output 신호이다.

또한 다이어그램 맨 위의 V_DD는 전원이며, V_SS는 GND로 사용된다. 그럼 이를 이용해 회로를 만들어보자.

※ 위의 핀 중 NC 표기가 되어있는 핀은 연결하지 말라는 의미이다. 아무것도 연결하지 않아야 한다.

게이트는 풀 다운 저항이 필요하다. 여러가지 저항으로 실험해봤을 때 1K ~ 100K 사이에선 잘 작동하는 것 같다. OP AMP와 달리 Output에는 풀 업 저항이 필요없다. 그래서 나는 게이트 Output에서 바로 릴레이로 연결해주기도 했다. (원래 게이트 출력단으로 릴레이를 키면 좋지는 않을 것이다... 말했지만 어떻게든 대회를 나가려고 만든 회로라 엉성한 점이 많다)

여기서 궁금증이 들 수도 있다. 컴퓨터 지식으로 아는 게이트는 0, 1을 입력 값을 갖는데, 전압 값으로 어떻게 0, 1을 결정지을까? 이 답은 데이터시트에 있다.

사진의 우측 사진에서 Input, Output 소자의 High와 Low 단계의 전압 값이 나와있다. 15V 전원 기준 4V보다 낮으면 Low로, 11V보다 높아야 High로 인식한다는 것이다. 또한 15V 전원 기준 Low일 때는 0.05V가 출력되고 High일 때는 14.95V 전압이 나온다는 얘기이다. 만약 Low 기준과 High 기준 사이의 전압이 Input으로 가해진다면 어떻게 될까? 그럼 작동에 대해 에러가 발생할 수 있다. 

또한 다이어그램 맨 위의 V_DD는 전원이며, V_SS는 GND로 사용된다. 그럼 이를 이용해 회로를 만들어보자.

NE555 소자는 정확한 시간 지연이 필요할 때 사용된다. 시간을 조절하는 법도 간단하다. 저항과 커패시터 값을 바꿈으로써 지연 시간을 쉽게 바꿀 수 있다.
(단점이라면 소자가 진짜 잘 죽는다. 작동이 처음과 동일하게 되지 않는다면 먼저 이 소자를 갈아보자. 한 70%는 얘 문제였던 거 같다.)

NE555는 모드가 2가지 있다. Input Voltage가 Low가 된 순간 일정 시간동안 Output이 High가 되는 Monostable Mode, Output이 일정 주파수로 High, Low를 반복하는 Astable Mode가 있다. 

Monostable 모드는 일정 시간 지연하기 위해서 사용된다. "어떤 동작이 수행 후 0.5초 이후에, 10초 이후에"의 조건에 사용되는 것이다.

이 모드의 회로는 아래와 같은데, 사용되는 R, C의 시정수에 따라서 Output이 High로 지속되는 시간이 정해진다. 약 1.1RC초 만큼 유지된다고 한다. 

이 모드는 많이 사용되어서, 디지키의 NE555 계산기 사이트에도 잘 나와있다. 사용할 저항과 커패시턴스를 입력하면 지연 시간이 자동으로 계산된다. 여기서 어느 정도의 저항과 커패시턴스를 사용하면 좋을 지도 궁금할 것이다. 데이터시트에서 C는 0.001 ~ 100uF, R은 1K, 10K, 100K, 1M, 10M를 사용해 10^-5초부터 10초까지 그린 그래프가 있다. 이 범위 내의 R, C를 사용하는 게 좋을 것이다.

회로도를 빵판에 직접 해보려고 인터넷이나 데이터시트를 찾으면, 다른 사람들이 사용했던 구체적인 저항 값이 잘 나오지 않았다. 그래서 여러 군데 발품을 팔아본 결과, falsted에 예시 회로로 나와있는 그림에서 찾을 수 있었다. (찾아보니 데이터시트의 p. 10에도 있었다. 회사에서 증명한 정보이니 잘 쓰자)

위의 Figure.9와 아래의 사진은 Pin 5에 커패시터가 달려있나, 안 달려있나 차이인데 없어도 무방하다.
(Pin 5에 전압이 가해짐에 따라 나오는 Pulse의 길이가 달라진다. 커패시터를 달면 커패시터가 충전되면서 전압이 올라가기에 Pulse가 조금씩 증가한다. 근데 우리는 RC만 조절해서 출력을 바꿀 것이므로 Pin 5는 사실상 필요없는 부분이다.)

※ 회로들은 검색하다 보면 회로의 전체적 구성은 같은데 커패시터(CAP)의 유무가 다를 수 있다. 대부분의 회로에서 CAP은 회로 노이즈를 줄여주는 역할로 사용해 없어도 동작에 큰 영향을 주진 않는다. 믿을만한 출처에서 CAP을 달았다면 CAP을 쓰는 게 좋으나, 막 달아서 되는 경우는 오히려 손해가 될 수 있다. 이 점 주의하자.

Astable 모드는 설정한 주파수대로 High, Low가 진동하여 나오는 회로이다. 차량에서 TSAL 등이 일정 주파수로 켜져야 된다는 규정이 있는데, 우리는 이 모드를 이용해 TSAL 등을 켰다.

R_A, R_B, C의 값에 따라서 주파수, t_H(High Pulse의 Width), t_L(Low Pulse의 Width), Duty Cycle 등 많은 변수가 생긴다. 이를 직접 계산하기엔 비효율적이니, 디지키의 비안정 계산기를 이용하자. 원하는 주파수 영역대에 맞추고 Width의 폭을 적절히 조절하면 된다. 우리는 3.4Hz를 맞추기 위해 아래와 같은 저항, 커패시터 값을 사용했다. (3.4Hz = 1초에 3.4번 진동함)

작동하는 모습이 궁금하면 falsted > circuits > 555 Timer Chip > Square Wave Generator를 클릭해 시뮬레이션을 보자.

전자과에서 RC 회로를 배우면 보통 노이즈 필터(저역 통과 필터)로 배웠을 것이다. 하지만 나는 전압을 천천히 올려 커패시터에 걸리는 전압을 OP AMP의 Input으로 사용할 때 사용했다. (주파수 문제는 나도 잘 몰랐고 시간이 없어서 PCB 설계 시 고려하지 않았다)

왜 전압이 천천히 오르는 지에 대한 질문에 대해선 전류, 전압에 대한 전기적 지식이 약간 필요하다. 이에 대해 간단히 작성해보겠다. 나는 전기적인 특성을 생각할 때 비유를 많이 하는 편인데, 보통 아래와 같이 생각한다

전원 -> 정수기
저항 -> 물이 나오는 수도꼭지 : 저항 값이 높아짐에 따라 수도꼭지에서 나오는 물의 양이 줄어든다.
전류 -> 수도꼭지에서 나오는 물의 양
전압 -> 담긴 물의 높이
커패시터 -> 물컵

위의 비유를 생각하며 위 그림의 RC 회로를 보자. 전원 VCC에서 전류가 나와 저항 R7을 지나 커패시터 C1에 저장될 것이다. 나는 C1 상단의 전압을 확인하고 싶다. 다음과 같은 순서대로 커패시터의 전압이 천천히 상승하게 된다.

1. 전원에서 저항을 통해 전류가 흐른다
   = 물이 정수기에서 나온다. 이는 수도꼭지를 통해 물이 흐른다. 만약 저항 값이 높다면 수도꼭지에서 나오는 물의 양이 줄어들 것이다.

2. 흐른 전류는 커패시터를 통과한다
   = 물이 물컵에 고인다.

3. 커패시터에 전류가 계속 흐르며 전압이 점점 쌓인다
   = 물을 물컵에 계속 따르는 중이다. 물의 높이가 점점 올라간다.

4. 커패시터에 전류가 가득 차면, 더 이상 물이 흐를 수 없다. 전원에서 전류가 흐르지 않는다.
   = 물컵에 물이 가득 차면 더 이상 정수기에서 물이 나오지 않고, 수도꼭지에도 물이 흐르지 않는다.

그럼 물컵에 물이 천천히 상승하게 하려면(커패시터의 전압이 천천히 오르게 하려면), 어떻게 해야 될까?
    = 수도꼭지를 잠근다(저항 값을 올린다) 또는 더 큰 물컵에 물을 받는다(커패시터의 값을 증가시킨다)

(사실 위의 내용 꽤 야매스러운 방법으로 이해한 것이다. 전기적인 이론을 싸그리 무시한 생각 방법이기 때문이다. 전하, 커패시터와 같이 전기적인 이론을 안다면 이해하기 쉬울 것이다. 이해가 많이 어렵다면 옴의 법칙부터 알고 오는 게 좋다. 영어를 잘하면 이 사이트를 봤으면 좋겠다)

결론은 커패시터의 전압이 천천히 오른다는 점이다. 여기서 시정수의 개념이 등장한다. 시정수(τ, 타우)는 캐패시터에 걸리는 전압이 가해준 전압의 63.2%가 될 때의 시간을 얘기한다. 위의 RC 회로에서 VCC = 10V이라면 C1의 전압이 6.32V가 되는 시간은 τ = 1k * 1u = 1ms가 된다는 얘기다. 이는 방전되는 상황에서 같은 의미가 된다. 시정수의 배수에 따라 충전된 퍼센트가 달라지는데 2τ는 86.5%, 3τ는 95%, 4τ는 98.2%, 5τ는 99.3%가 된다. 

RC회로에서 C에 걸리는 전압은 공식으로 표현이 가능한데, 이는 생략하겠다. 자세한 내용은 이 사이트를 참고하자.

결론적으로 커패시터나 배터리를 충전하는 상황에서 충전 시간을 결정하는 것은 저항과 커패시턴스임을 얘기한다.

LC 회로는 필터로도 쓰이지만, 나는 전원 안정화를 위해서 사용했다.

인덕터는 단순히 코일을 감은 도선이라 생각하면 된다. 따라서 저항도 없어서(구리 도선이라 저항이 매우 낮다) 인덕터 양 끝에 DC 전원을 물리면 쇼트가 난다. 따라서 다른 소자와 같이 사용해야 된다.

인덕터는 돌입 전류를 막아주는 역할을 한다. 회로의 전원 스위치를 딱! 올렸을 때, 전류가 빠르게 회로를 통해 들어간다. 너무 빠른 전류는 회로 내부의 소자에 무리를 줄 수 있기에, 이 속도를 줄여줄 친구가 필요하다. 이때 인덕터를 이용하는 것이다. 페러데이와 렌츠의 법칙이 이용되는데... 다른 사이트에서 공부해오자. 

커패시터는 전원 공급에 사용 시 (1) 리플 전압을 줄여주고 (2) 고전력 순간 사용 시 전력량 보조 공급을 목적으로 사용된다. 커패시터는 초기 방전 상태 이후 전류가 들어오게 되면, 충전이 된다. 전원이 끊길 때 충전된 커패시터는 자연스레 방전되며 회로에 전류를 공급해준다. (리플 전압은 매우 낮고 빠르게 발생되기 때문에 104 커패시터처럼 낮은 C값인 커패시터를 써야 한다.) 자세한 내용은 사이트를 참고하자.

이 두 소자를 같이 사용해서 회로의 전원을 안정시키는 것이다. DC 서플라이에 이런 원리가 들어가있다. DC 서플라이의 출력 버튼을 누르면 설정한 전압 값이 바로 입력되는 게 아니라, 실제 멀티미터로 측정해보면 전압이 천천히 상승하는 것을 볼 수 있다. 우리가 만들 배터리에는 이런 기능이 없으니, 회로적인 면에서 입력 전압이 천천히 증가하도록 만드는 것이다.

요약하면 L은 돌입 전류를 막으면서 동시에 C는 전압이 천천히 상승해 입력되는 전압을 안정하게 들어오도록 해준다.

LC 필터는 여러 종류가 있다. 좌측 사진처럼 인덕터가 전압 입력단에 있으면 인덕터 입력형 LC회로, 반대로 병렬 커패시터가 입력단에 있으면 커패시터 입력형, 입력과 출력단 둘 다 있으면 파이형 필터 등등 많다. 이 중에서 나는 좌측 사진의 인덕터 입력형 LC 회로를 사용했다. 대전류 이용에 용이하기 때문이다. (참고 자료)

우측 사진은 나의 BSPD 회로의 전원 부에 전압 강하와 함께 안정화를 하기 위해 LC 회로를 사용했다(L1, C15). 위와 같이 할 경우에 전압이 천천히 올라 레귤레이터에 가해지는 부하를 막을 수 있다. (C14, R44는 스너버 회로라고 회로의 과전압의 일정치를 흡수하는 역할은 한다고 했다... LC는 큰 차이가 나지만 스너버는 많은 차이를 느끼지 못했다. 없어도 동작은 똑같았다)

DC-DC 컨버터와 레귤레이터는 전압 강하 이후 강하된 전압 유지를 위해 사용하는 소자이다. 용어 정리를 위해 잠깐 언급하면, 전압을 상승시키면 승압, 전압을 하강시키면 강하라고 한다.

왜 전압 강하가 필요할까? 이에 대해선 2가지 이유가 있다.

1. 배터리의 전압은 시간에 따라 방전된다. 따라서 일정한 전압을 유지하기 위해 레귤레이터를 사용한다. 

위에서 RC 회로를 설명할 때 커패시터를 물컵으로 생각했던 것처럼 배터리도 물컵으로 생각하면 된다. 물컵 옆에 구멍을 뚫어서 내부 물을 조금씩 빼내면 물의 수위는 조금씩 줄어들 것이다. 배터리도 전류를 사용하면 사용할수록 전압이 시간에 따라 낮아지는 현상을 볼 수 있다. 전압이 낮아진다면 릴레이처럼 정해진 전압이 있는 소자들이 작동하지 않으며, 저항을 이용해 전압 분배를 했던 부분도 전압이 하강됨에 따라 정해놓은 비율이 망가질 것이다. 따라서 회로에 가해주는 전압은 배터리를 바로 연결하지 않고, 컨버터 및 레귤레이터를 거치게 만들어 일정한 전압이 회로에 가해지도록 해야 된다.

2. 시스템 노이즈를 줄이기 위해 DC-DC 컨버터를 이용해 전원 분리를 한다.

우리가 차량의 전기 시스템을 설계한다고 하자. PCB도 달고, 쿨링용 전기 펌프도 달면서 하나의 배터리팩에 여러 전기 용품이 전원을 공급받을 것이다. 이런 경우에 전류는 물과 같아서 모든 전기 용품이 자기가 필요한 만큼 다 가져가는 것은 아니다. 전류도 물과 같아 한 쪽에서 과도하게 많이 끌어가면 다른 쪽에선 전류가 부족해지는 경우가 생기거나, 노이즈가 같은 전원을 쓰는 모든 전기 부품으로 흘러 동작을 방해하는 경우가 생긴다. 따라서 DC-DC 컨버터를 이용해 전원 분리를 한다.

추가적인 내용은 사이트를 참고하자.

위의 사진은 DC-DC 컨버터 내부 회로도의 간단한 버전인데, 가운데 코일 변압을 이용해 전압을 변경하는 방식을 사용했다. 그럼 In과 Out은 전기적인 연결이 없으니, 같은 전원을 써서 생기는 노이즈를 없애면서 전압도 강하하는 방식이 된다.

위와 같은 방식들로 입력부와 출력부가 전기적 절연이 되는 소자를 절연 DC-DC 컨버터라 하며, 내가 사용한 2S7WA-1212S3RP 소자가 이에 해당한다. 여기서 절연이 되게 중요한데, 고전압(HV)에서 저전압(LV)를 사용하기 위해서 이 소자가 필요하다. 

데이터시트에서 중요한 부분만 정리해봤다. 입력 9~18V를 12V로 고정하여 출력해주고, 추천하는 회로는 왼쪽과 같이 커패시터 2개를 달면 된다. EMC 문제를 해결하는 추천 회로도 있긴 한데 나는 좌측 회로보다 간단하게 사용했다. 회로에 있던 커패시터의 대부분은 전원 안정화에 기여하는 친구인데, 대회 전에 급하게 회로를 짜느라 커패시터를 달지 않았다(우측 회로도). 데이터시트에 추천하는 대로 회로를 구성하면 좋을 듯 하다.

레귤레이터로는 LM7805, LM7812를 사용했다. 이름위 뒷 숫자가 강하해주는 목표 전압을 얘기한다. 즉 LM7805는 5V로 강하해주고, LM7812는 12V로 강하해준다.

레귤레이터 데이터시트를 보면 회사에서 이렇게 사용하세요~ 하고 알려준 회로도가 있다. 그 중 나는 전압을 강하한 뒤 고정하는 회로도를 사용했다(위의 사진). 세라믹 커패시터 0.22uF, 0.1uF 두 개를 입출력단에 각각 달면 된다. 그럼 12~35V의 전압이 정확히 12V로 강하되어 출력된다. (0.1uF는 데이터시트 상에서 필요없다고 하긴 한다. 근데 난 혹시 몰라 달았다)

레귤레이터는 강하하는 전압뿐만 아니라 출력 전류도 중요하다. 회로에서 사용하는 전류의 30%~50% 정도 더 여유롭게 잡아야 한다. 전류가 부족해지면 심하게 전압이 강하되기 때문에 이는 중요한 요소이다.

(회로에서 사용하는 전류는 어떻게 구하나? > 서플라이에서 사용된 암페어를 보면 된다. 근데 일반 회로에서 1A 이상 먹기 쉽지 않다... LED 바를 회로에서 사용하지 않는 이상. 전류는 항상 여유롭게 잡고 가자)

포토 커플러는 절연된 두 시스템 사이 신호를 줄 때 사용된다. 여기서 중요한 건 절연의 필요성, 신호를 주는 방법이다.

절연은 두 개 이상의 전원을 사용할 때 전기적인 안정성을 위해 꼭 필요하다. 전기 자동차를 생각했을 때, 모터를 굴리는 전원과 회로를 구동시키는 전원은 꼭 달라야 한다. 위에서 얘기했던 것처럼 노이즈가 전원을 통해 흐르기도 하고, 모터가 많이 전류를 쓰면 다른 회로쪽에 전류가 부족해질 수 있기 때문이다. 또한 절연이 되어있지 않다면 LV 쪽에서 쇼트가 나면 HV에서도 쇼트가 날 것이며, 그 즉시 차량 배터리는 스파크 -> 폭발 -> 열폭주의 무서운 단계로 돌입하게 된다. 이를 위해 절연이란 안전 장치는 꼭 필요한 요소이다.

그럼 절연은 어떻게 할까? DC-DC 컨버터처럼 코일을 이용해 절연하기도 하지만, 포토 커플러는 이름과 같이 광(Photo)를 이용해 절연을 만족시킨다.

포토 커플러는 아래와 같은 간단한 원리로 작동한다.

1. 입력 측에서 전기적 신호가 들어오면 내부 LED가 작동한다

2. 빛을 받아서 수광 소자 쪽에서 전류가 생성된다.

이런 방식을 통해 절연을 만족시키는 것이다.

포토 커플러를 동작시키기 위해선 회로 전원을 쌩으로 넣어주면 안된다. 내부 LED가 있기 때문에 저항 값을 계산을 통해 선정해서 전류 값을 조절해야되기 때문이다. 저항을 붙이는 위치와 저항값 계산 방법에는 이 블로그를 보면 좋을 듯 하다. 나도 여기를 보고 회로를 만들었다.

학교에서 이 트랜지스터에 대해 많이 배웠을 것이다. 스위칭 및 증폭 작용을 하는데, 전류를 이용해 동작을 수행한다.

BJT 트랜지스터에는 이미터, 베이트, 컬랙터가 있다. 베이스에 일정 전류를 가해주면 전류가 컬랙터에서 이미터로 많은 전류가 흐른다. 베이스에 전류를 가해줘야 이미터로 출력되는 특성 때문에 스위칭 작용이 된다는 것이다. 또한 베이스에는 적은 전류만 흘러도 작동한다. 그렇기에 증폭 작용이 된다는 것이다.

여기까지만 알아도 된다. PN 정션이니 뭐니는 학교 이론 수업때 열심히 배우고, 우리는 어떻게 동작시킬 지가 관건인 것이다. 그에 대해선 이 블로그를 참고하자

(동작 방법에 대해 계속 블로그를 첨부하는데, 나도 이 블로그를 완전히 참고해서 배웠기 때문에 설명이 많이 어렵다... 그래도 최대한 설명하려고 노력하겠다.)

나는 트랜지스터를 스위칭 대신 증폭으로 많이 사용했다. 스위칭을 할꺼면 차라리 릴레이를 썼다. 전력, 공간 쪽에서 많이 비효율적이었지만 고장이 훨씬 적게 나서 릴레이를 사용했다.

지금까지 내가 사용했던 소자들을 크게 분류해서 설명했다. 남에게 설명하는 방법이 많이 서툴기도 하고, 야매로 많이 진행한 것 때문에 정확하지 않을 수도 있다.

그래도 작동은 했고, 차량까지 굴려봤기에 이를 기반으로 수정하고 보완하면 충분히 더 나은 회로를 작성할 것이라 생각된다.

차량이 굴러갈 때까지 열심히 정진하자.