이번 글은 책의 부록 B에 실린 마이크로컨트롤러를 위한 전자공학의 부분을 정리할 예정이다. 이 책의 좋은 점은 단순히 마이크로컨트롤러에 대해서 설명하는 것이 아니라 그 외에도 내가 마이크로컨트롤러를 다루면서 궁금했던 기본적인 점들도 함께 다뤄준다는 것이다.
물론 많은 내용을 몇장에 담은 요약 내용이기 때문에 더 깊은 내용을 알고 싶다면 관련 도서를 읽는 것이 좋겠지만, 전반적인 내용을 간단히 훑고 지나갈 수 있어서 좋았다. 예전에 알고 있었지만 까먹었던 내용도 상기해가며 읽었다.
B1. 전류, 전압, 전력
전자공학의 핵심인 전자는 원자를 이루는 구성 요소 중 하나로 음(-)의 전기를 띠는 입자를 말한다. 원자는 양(+)의 전기를 띠는 양성자와 전기를 띠지 않는 중성자로 이루어진 원자핵과, 그 외곽을 회전하는 전자로 이루어져 있다.
전류(current)는 전자의 움직임에 의해 만들어지는 전하의 흐름이다. 원자에서 양성자와 전자의 수는 동일하므로 전기적으로 중성 상태에 있지만 약간의 힘을 가하면 전자는 자리를 이탈하여 다른 원자로 이동할 수 있다. 어디로 움직일지 모르는 이 전자를 원하는 방향으로 유도함으로써 다양한 전자 기기들을 동작시키는 것이다.
자유전자란 특정 원자핵에 소속되지 않고 자유롭게 움직일 수 있는 전자를 뜻하는데, 원자핵에서 멀리 떨어질 수록 더 쉽게 이동할 수 있다. 이처럼 자유전자를 많이 가지고 있는 물체를 도체라고 하고, 자유전자가 극히 적어서 전자가 자유롭게 움직일 수 없는 물질들로 이루어진 물질을 부도체라고 한다.
하나의 전자가 띠고 있는 전하의 양은 극히 적으므로, 전하의 양을 나타내가 위해서 6.241 x 10^8개의 전자가 가지고 있는 전하의 양을 합한 쿨롱(Coulomb, C) 단위를 사용한다. 전하의 움직임을 전류라고 하며, 단위는 암페어(Ampere, A)를 사용한다. 전류는 양(+)에서 음(-)으로 흐른다고 생각하겠지만 실제로 움직이는 것은 전자이며, 전자의 흐름은 전류의 흐름과 반대로 음에서 양으로 흐른다.
대체적으로 많은 일을 하는 전자제품일수록 많은 전류를 필요로 한다. 선풍기에 감전되면 찌릿한 정도로 끝나겠지만 냉장고에 감전되면 위험할 수도 있다.
관 속의 물을 한쪽에서 다른쪽으로 보내려면 힘이 필요하다. 이러기 위해서는 관의 한쪽 끝을 들어 올리면 되는데, 이처럼 전류를 흐르게 하기 위해서는 전압(Volatage, V)이라는 힘이 필요하다. 전하에 의해 할 수 있는 일의 양은 전류와 전압의 곱으로 나타낼 수 있고 이를 전력(Power)라고 한다.
P(전력) = V(전압) x I(전류)
전력의 단위는 와트(W)를 사용한다. 우리가 흔히 가전제품의 전력을 비교하곤 하는데, 예를 들어 선풍기는 40W, 에어컨은 1,200W의 전력을 필요로 한다고 보면 에어컨이 선풍기에 비해 3배의 소비전력을 소비하는 것을 알 수 있다.
이처럼 전력은 일의 양을 나타내기 위해서 사용된다. 하지만 전력은 특정 시점에서 순간적으로 소비되는 에너지를 표시하는 것으로, 일의 총량을 알아내기는 어렵다. 예를 들어 배터리로 할 수 있는 일의 총량을 알아내기 어렵다. 그러므로 일정 시간 동안 소비된 전력을 나타내기 위해서는 에너지라는 용어를 사용하며, 전력과 시간을 곱해서 나타낸다. 앞에서 본 소비전력 역시 실제로는 한 시간 동안 소비하는 전력을 나타내므로 와트시(Wh) 단위를 사용해야 되지만 와트로만 표시되는 경우도 많다.
배터리의 경우는 와트나 전류로 표시되는데, 5V, 30Wh로 표시된 배터리의 경우는 한시간 동안 5V, 6A의 전원을 공급할 수 있다는 뜻이다. 예를 들어 6A(6,000mA) 용량의 배터리의 경우 1A를 필요로 하는 장치에 연결하면 대략 6시간을 사용할 수 있음을 뜻한다.
우리가 흔히 사용하는 알칼리 건전지의 경우 2,850mAh의 용량을 가지고 있는데, 알칼리 건전지의 경우 사용 시간이 증가할수록 전압이 감소한다. 스마트폰에서 사용되는 리튬 이온이나 리튬 폴리머 배터리의 경우 방전될 때까지 거의 일정한 전압을 유지하는 특성이 있다.
마이크로컨트롤러에서는 직류를 사용하며, 가정에서는 교류를 사용한다.
B.2 저항
저항은 전류의 흐름을 방해하는 것으로, 물이 흐르는 관의 예시를 다시 들자면 관을 좁히는 역할을 한다고 볼 수 있다.
우리가 흔히 볼수 있는 LED의 경우 과도한 전류가 흐를 경우 쉽게 파손된다. 그래서 위의 그림처럼 LED에 흐르는 전류를 제한하기 위해서 저항을 사용한다. 이렇게 저항에 의해서 줄어든 전류는 열에너지 형태로 바뀌게 된다. 도체의 경우에도 저항이 없는 것은 아니라서 전자 제품을 오랜 기간 사용하면 열이 발생한다.
전류는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다.
B.3 콘덴서(= 커패시터)
콘덴서는 일시적으로 전기에너지를 저장하는 장치로 커패시터 혹은 축전지라고 불린다.(나는 그냥 커패시터라고 부르겠다.) 커패시터에 저장할 수 있는 전기의 양을 나타내는 단위로는 패럿(F)을 이용하며, 1F은 1V전압이 인가될 때 최대 1C의 전하를 저장할 수 있는 용량을 나타낸다. 우리가 일반적으로 접하는 커패시터는 마이크로패럿(μF = 10^-6) 또는 나노패럿(nF = 10^-9) 단위를 주로 사용한다.
커패시터는 2개의 금속판 사이에 부도체의 일종인 유전체(dielectric)를 삽입한 형태로 만들어진다. 유전체란 부도체의 일종이지만 전압을 가하면 분극 현상이 발생하여 전자가 한쪽으로 치우쳐 양쪽이 극성을 띠게 되고 내부에 전기장을 형성한다.
커패시터에 전압을 가하면 내부에 전기장이 형성되고 시간이 지나면서 커패시터 양(+)단의 전압이 전원의 전압과 같아지면 전기장은 더 이상 강해지지 않는다. 즉, 충전이 완료된다. 이처럼 커패시터는 전원이 가해지면 전하를 저장하는 것이 아니라 전기장의 세기가 강해지면서 전하를 저장하는 장치로 간주된다. 이 충전된 커패시터에 배터리와 유사하게 양단에 저항을 연결하면 전하의 흐름이 발생하고 커패시터는 서서히 방전된다.
이처럼 커패시터는 서서히 충전하고 방전되기 때문에 외부 전압이 변하더라도 전압의 변동 폭을 줄여주는 역할을 한다. 이 외에도 신호에 잡음이 많을 경우 커패시터를 이용하여 잡음을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
일반적으로 전해 커패시터는 극성이 있는 원통형이지만 세라믹 커패시터의 경우 극성이 없는 원형 모양이다.
전해 커패시터는 저렴한 가격에 큰 용량을 제공하며 전원 공급장치의 안정화를 위해 많이 사용되고, 세라믹 커패시터는 고주파 특성이 좋아 고주파 잡음 제거를 위한 필터 회로에 많이 사용된다. ATmega128 보드에서도 어댑터로 공급되는 전압을 5V로 변환해주는 회로에서는 전원 안정화를 위해 전해 커패시터를, 안정적인 16 MHz 클록을 얻기 위해서는 세라믹 커패시터를 이용한다.
이 외에도 커패시터는 전기 에너지를 일시적으로 저장했다가 필요할 때 공급하는 용도로도 사용되는데, 예를 들어 마이크로컨트롤러에서 모터를 구동할 경우 시작 시점에서 에너지 부족을 해결하기 위해 커패시터를 사용할 수 있다.
B.4 반도체
반도체란 도체와 부도체의 가운데 위치하는 물질로 게르마늄과 실리콘이 대표적인 예이다. 실리콘의 경우 원자들 간 공유결합을 이루고 있기 때문에 자유전자가 거의 존재하지 않는 부도체의 성질을 가진다. 하지만 여기에 비소나 붕소같은 약간의 불순물을 도핑(doping)하면 이야기가 달라진다. 비소는 바깥층에 5개의 전자를, 붕소는 3개의 전자를 가지고 있는데 비소를 첨가하여 여분의 전자가 생기도록 만든 반도체를 N형 반도체라고 하고, 붕소를 첨가하여 전자가 모자라도록 만든 반도체를 P형 반도체라고 한다.
N형 반도체의 여분의 전자는 어느 원자에도 소속되지 않고 자유전자처렴 자유롭게 움직이고, P형 반도체의 경우 정공(전자가 모자라 생긴 공간)은 다른 전자를 끌어들이게 된다. 이 N형과 P형의 반도체를 함께 사용해야 비로소 그 진가가 나타난다.
B.5 다이오드
앞에서 말한 P형과 N형 반도체 2개를 연결시켜 만든 부품 중 하나가 PN접합 다이오드이다.
PN 접합 다이오드를 그림 1과 같이 정방향으로 연결하면 P형의 정공은 - 방향으로 움직이고, 전자는 + 방향으로 움직이면서 접합면에서 전자와 정공이 서로 결합하면서 전류가 흐르게 된다. 반대로 그림 2처럼 역방향으로 연결하게 되면 전류가 흐르지 않게 된다.
다이오드는 반도체를 사용하여 만든 것으로, 도체와 차이가 있는데 그중 한 가지는 전류가 흐르도록 하는 최소한의 전압이 존재한다는 것이다. 이를 문턱 전압(threshold voltage)라고 하는데, 문턱전압은 전자와 정공이 접합면을 넘어 서로 결합하도록 해주는 최소의 전압으로 보통 0.7V이다.
다이오드는 교류전원을 직류전원으로 변환(정류기)하거나 역방향의 전류로부터 회로를 보호하는 목적으로 사용된다.
정류 작용 외에도 우리가 잘 알고 있는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)가 있다. LED는 전원을 순방향으로 연결하였을 때 빛을 발산하며 이 동작원리 역시 다이오드와 동일하다. 일반적인 전등이 전기에너지를 열 에너지로, 그리고 다시 빛 에너지로 변환 단계를 거치는데 비해 LED는 전기에너지를 직접 빛 에너지로 변환하기 때문에 효율이 높고 열 발생이 적으며 수명이 길다.
다이오드는 역방향으로 전원을 가하면 전류가 흐르지는 않지만 일정 수준 이상의 전압을 가하면 전류가 흐르는 항복(breakdown) 상태가 되면서 일정한 전압이 유지된다. 일반적으로 항복전압은 수백볼트로 아주 높다.
그러나 이러한 항복현상을 의도적으로 이용하여 회로에 일정한 전압을 공급하기 위해 사용되는 다이오드를 제너다이오드(정전압 다이오드)라고 부른다. 정류 다이오드의 경우 전류가 반대로 흐르는 경우 기기 파손이 일어날 수 있으므로 항복 전압이 높지만 제너 다이오드의 경우는 항복 현상이 쉽게 일어날 수 있도록 불순물을 첨가하여 항복 전압을 낮춘다.
제너 다이오드는 항복현상을 이용해야 하므로 일반적인 다이오드와는 반대 방향으로 연결해야 하며 기호 모양도 다르다.
B.6 트랜지스터
부록B에서 가장 이해하기 힘들었던 부분이 트랜지스터이다. 대학교 때도 배웠지만 기억이 가물하였는데 아래 두 유튜브 비디오가 아주 잘 설명해주어서 도움이 되었다.
다이오드가 P형과 N형 반도체 두개를 접합하여 만든 것이라면 트랜지스터는 P형과 N형의 반도체 3개를 접합시켜서 만든다. 트랜지스터는 보통 아날로그 회로에서 작은 신호를 큰 신호로 증폭시키는 기능과 디지털 회로에서 0과 1을 전환하는 스위칭 기능으로 주로 사용된다. 이 접합 순서에 따라 PNP형과 NPN형이 있는데 이 책에서는 NPN형을 살펴보았다.
위의 그림처럼 트랜지스터는 두개의 다이오드가 연결되어 있는 형태이기 때문에 전원을 어떠한 방향으로 연결하더라도 한쪽이 역방향으로 연결되기 때문에 전류를 막아버린다.
그런데 여기에 아래 그림처럼 N과 P에 전원을 하나 더 연결하면 이 것은 정류 다이오드가 되어 전류가 흐르게 된다.
그러나 이때 많은 전자들이 N에서 P 쪽으로 넘어오면서 베이스의 정공과 결합되고, 나머지는 베이스-컬렉터의 접합을 넘어서 컬렉터의 정공과 결합하게 된다. 즉 이미터에서 컬렉터로 전자가 이동하게 되고 약 1% 정도만이 이미터에서 베이스로 방출된다.
즉 이미터에서 방출한 전자는 대부분 컬렉터가 수집하게 되므로 컬렉터에서 이미터로 흐르는 전류는 베이스에서 이미터로 흐르는 전류보다 아주 크다. (Ie = Ic + Ib)
만약 베이스와 이미터 사이에 전원이 연결되어있지 않는다면 베이스에서 이미터로 전류가 흐르지 않으며, 컬렉터에서 이미터로 전류도 흐르지 않게 된다. 그러나 베이스와 이미터 사이에 전원이 연결되어 있다면 이 전압을 조절하여 컬렉터에서 이미터로 흐르는 전류의 양도 조절할 수 있다.
트랜지스터는 베이스와 이미터 사이의 전압에 따라 세가지 동작 상태를 가진다.
1) 전압이 0.7보다 작은 경우: 베이스와 이미터가 순방향으로 연결되어있긴 하나 문턱전압을 넘지 못해서 전류가 흐르지 않는다. 그러므로 컬렉터와 이미터 사이에도 전류가 흐르지 않으며 이를 차단 상태라고 한다.
2) 전압이 0.7보다 높은 경우: 베이스와 이미터 사이에 전류가 흐르기 시작하며 그에 따라 컬렉터와 이미터 사이에도 전류가 흐르기 시작한다. 이때를 활성상태라고 한다.
3) 포화상태: 전압이 증가함에 따라 컬렉터 전류 역시 증가하지만 일정 수준 이상에 도달하게 되면 컬렉터에 가능한 최대의 전류가 흐르는 상태에 도달하는데 이를 포화상태라고 하고, 이는 커넥터와 이미터를 도선으로 연결해놓은 상태, 즉 스위치를 닫은 상태와 같다.
이 중 차단상태와 포화상태는 디지털 회로의 스위칭을 위해 많이 사용되며, 활성 상태는 아날로그 회로에서 증폭을 위해 주로 사용된다.
B.7 집적회로
인텔의 최신 CPU에는 19억개의 트랜지스터가 있는 것으로 알려져 있다. 그 많은 수의 트랜지스터를 작은 컴퓨터에 넣기 위해서는 집적회로(Integrated Circuit)라는 것이 필요하다. 집적회로란 많은 전자회로 소자가 하나의 기판 위 또는 기판 자체에 분리 불가능한 상태로 결합되어 있는 초소형 구조의 복합적 전자소자 또는 시스템. 트랜지스터, 다이오드, 저항, 캐패시터 등 복잡한 전자부품들을 정밀하게 만들어 작은 반도체 속에 하나의 전자회로로 구성해 집어 넣은 것이다.(출처: https://www.samsungsemiconstory.com/303)
IC는 PCB에 표면에 마운트 할 수 있는 SMD 타입과 PCB에 구멍을 뚫어 마운트 할 수 있는 DIP 타입이 흔하다.
위와 같은 직사각형의 IC의 경우, 핀이 없는 변에 반원 형태로 홈을 파서 1번 핀의 방향을 알려준다. 반면 정사각형 모양의 IC는 한쪽 모서리를 자르거나 모서리에 점을 찍어서 기준점을 표시한다. 이런 표시가 없는 경우는 IC 핀을 이름이 바로 보이도록 놓았을 때 왼쪽 변의 가장 위쪽에 있는 핀이 1번에 해당한다.
위의 내용들 외에도 책에는 브래드보드, 그라운드에 대한 설명이 있었지만 내용이 비교적 간단하여 글에는 정리하지 않았다. 오래전에 배웠던 내용들이라 기억이 가물했는데 이렇게 한번 글로 적고 나니 뭔가 한층 더 머릿속에서 정리가 된 느낌이다. 그나저나 자꾸 집적회로를 직접회로라고 적게 된다. ㅠㅠ
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