캐패시터, 저항, 다이오드, 레귤레이터, PTC 설명 - 브레드보드 전원공급 활용

캐패시터, 저항, 다이오드, 레귤레이터, PTC 설명 - 브레드보드 전원공급 활용

마이크로컨트롤러 혹은 어떤한 종류의 IC라도 동작시키기 위해서는 전원이 필요합니다. 본 게시물에서는 이러한 IC를 브레드보드상에서 동작시키기 위한 파워서플라이를 어떻게 만들 수 있는지 그리고 필요한 부품에 대해 설명하도록 하겠습니다.

마이크로컨트롤러와 같은 IC를 살펴보면 두개의 전원관련 연결이 있는 것을 볼수 있습니다. VCC와 GND인데요. VCC는 양극 전압을 의미하며 GND는 그라운드를 의미합니다. 모든 전류는 그라운드로 흘러 들어 올수 있는 길이 필요합니다. 그래서 종종 "common"이라고 불리어 지기도 하지만 GND가 더 많이 사용되는 용어입니다.

많은 마이크로컨트롤러가 5V혹은 3.3V를 사용하는데 여기서는 5V를 브레드보드상에 공급하는 법에 대해 살펴 볼 것입니다.

5V출력으로 표시된 전원어댑터를 실제로 멀티미터로 측정하여 보면 8이나 9V가 나오는 경우가 많습니다.(어찌보면 광고가 잘모못되고 있는 경우입니다) 여기서는 전원어댑터의 출력을 9V라고 가정하고 설명하도록 하겠습니다. 이 9V출력은 ripple이 많은 노이즈가 많이 낀 전원입니다. 일직선의 9V가 나오기보다는 8.5V~9.5V를 사이를 출렁이는 전압을 보입니다. 이러한 ripple은 사용하는 시스템을 완전히 혼란에 빠트릴수도 있고 9V전원은 5V를 사용하려는 우리에게는 너무 높은 전원입니다.

그래서 220V에서 나오는 9V전원을 레귤레이터를 통해 깨끗한 5V DC신호로 만들려고 합니다. 가장 흔한 레귤레이터는 LM7805입니다. 5V 선형레귤레이터이고 브레드보드에서 사용할 수 있게 TO-220혹은 TO-92 패키지를 선택합니다.

위의 그림을 보면 LM7805의 핀아웃이 나와 있습니다. 데이터쉬트를 참고하면 입력핀은 7V이상의 전압을 받는 핀이며, 출력은 5V 출력을 내보내주는 핀입니다. 전원어댑터에는 두개의 와이어가 있는데 하나는 9V이고 다른 하나는 GND입니다. 전류가 흐르게 하기 위해서는 모든 GND는 연결이 되어야 합니다. 다시 말하시만 그라운드는 모두 연결이 되어야 합니다.

위의 회로도를 보면 두개의 GND핀이 연결되지 않은 것처럼 보이는데, 회도로에서는 같은 이름의 nets(초록색 와이어)은 함께 연결된 것으로 간주합니다. 그렇지 않으면 회로도가 너무 커지고 복잡하여지게 됩니다.

LM7805를 브레드보드에 꼽고 9V는 9V에 그라운드는 그라운드에 각각 연결합니다. 이렇게 연결된 상태에서 5V출력을 멀티미터로 읽어보면 5.25~4.75V가 읽히는 것을 볼수 있는데 이것은 레귤레이터가 +/-5%의 오차범위를 가지고 있기 때문입니다.

이제는 ripple을 걱정하여야 할 차례입니다. 노이즈는 입력핀에서 오는 경우도 있지만 어떤 노이즈는 출력 핀에서 오기도 합니다. 만약 멀티미터가 5.08V를 보여주더라도 어려번 전압을 읽은 후 평균값을 보여준 값이기 때문에 노이즈는 존재합니다. 오실로스코프가 있으시다면 5V출력 레일에 연결하여 확인하여 보십시오. 필터링 캐페시터 없이 본다면 200mV의 노이즈를 확인할 수 있을 것입니다.

그럼 필터링 캐패시터는 무엇일까요? 필터링 캐패시터는 ripple을 부르럽게하여 주는 캐패시터입니다. 캐패시터는 물탱크와 같은 역활을 합니다. 만약 회로에서 시스템에 많은 양의 물을 끌어다 쓰더라도 캐패시터가 있다면 잠시동안 전압을 유지 시켜 줄수 있습니다. 예를 들어 한 아파트에서 동시에 수도꼭지를 튼다면 수압의 변화가 요동치케 되지만 가정내에 물탱크가 있다면 이러한 수압의 변화를 최소화 시켜줄 수 있습니다. 캐패시터는 브레드보드상의 전압변화에 대해 이와 비슷한 역활을 합니다.

이러한 필터링 캐패시터 없이 시스템에 전원을 공급하는 것은 좋은 엔지니이링 습관이 아닙니다. 필터링 캐패시터없이 시스템을 동작시키고 문제가 생겼을 경우 어디서 문제가 발생되었는지 찾는 것은 더욱 어렵습니다. 그렇기 때문에 반드시 필터링 캐패시터를 사용하십시오.

100uF캐패시터는 입력에 10uF 캐패시터는 출력에 연결하였습니다. 이 두개의 캐패시터는 레귤레이터의 입력 및 출력의 전압변화를 부드럽게 만들어 줍니다.

캐패시터는 저장된 에너지를 즉각적으로 전달하지는 못합니다. 좀더 큰 용량의 캐패시터(1ouF와 100uF)는 좀더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다만 좀더 늦게 반응합니다. 반면에 작은 용량의 캐패시터는 저장된 에너지를 빠르게 전달합니다.

약 10-100ms동안 전원 공급이 안될수있다면 큰용량의 캐패시터(100uF~100uF)는 전압이 완전히 나가는 것을 방지하는데 도움을 줍니다. 작은 용량의 캐패시터(0.1uF)는 고주파 노이즈를 잡는데 효과적이며 1us~100us 범위의 전원단절이 발생하는 경우 전원이 완전히 나가는 것을 방지하는데 도움이 됩니다. 그래서 0.1uF 캐패시터는 마이크로컨트롤러 주위에 위치하여 핀에서 나오는 잛은 신호를 안정화시키는데 도움을 주는 반면 100uF와 10uF 캐패시터는 전원공급부에 사용이 되게 됩니다.

캐패시터의 회로도 심볼을 보게 되면 +기호와 타원형으로 휜 선을 볼수 있습니다. 아래의 회로도를 보면 100uF와 10uF 캐패시터를 표시하고 있고 극성을 표시하고 있습니다. 그럼 캐패시터를 잠시 살펴보겠습니다.

  • 전해 캐패시터: 아래의 사진에서 보이는 전해 캐패시터는 10uF에서 1,000,000 파라드까지를 저장할 수 있는 캐패시터로 저렴하면서도 훌륭합니다. 극성을 가지고 있어 양극와 음극 핀을 가지고 있습니다.

그림에 보면 '-' 표시가 되어 있는데 이쪽 핀이 GND로 가야됩니다.

  • 세라믹 캐패시터: 세라믹 캐패시터는 가장 저렴하면서도 일반적인 캐패시터로 극성이 없습니다. 그래서 브레드보드 등에 사용시 극성 상관없이 브레드보드에 연결이 가능합니다. 세라믹 캐패시터는 전해 캐패시터와는 다르게 많은 양의 캐패시턴스를 가지고 있을 수 없습니다. 그래서 보통은 전해 캐패시터와 같이 사용을 합니다.

전해 캐패시터의 양극은 입력 핀으로 연결이 되어야 하고 음극 핀은 그라운드에 연결이 되어야 합니다. 만약 이러한 극성을 바꾸어 연결하면 어떻게 될까요? 아래의 그림을 봐 주시기 바랍니다.

왼쪽으로부터 A,B,C

이 사진은 과전압을 보냈거나 극성을 바꾸어 캐패시터에 전압을 공급하였을때 나타나는 사진입니다. 중간에 있는 캐패시터(B)는 정상입니다. 좌측에 있는 캐패시터(A)는 윗부분이 올라와 있는 것을 볼수 있을 것입니다. 이것은 전해질 안쪽이 팽창하였을때 발생합니다. 오른쪽에 있는 캐패시터(C)는 이러한 팽창압력이 심해져서 상단의 금속표면을 뚫고 나온 모습입니다. 캐패시터 상단에는 + 모양으로 새겨놓아서 혹시 있을 수 있는 팽창압력이 발생하면 사방으로 폭발하기보다는 오른쪽에 있는 캐패시터처럼 상단이 터져나오게 됩니다.

위의 사진은 오래된 컴퓨터에서 찍은 사진인데 이 컴퓨터는 1000uF/16V 캐패시터를 사용하였습니다. 16V라는 이야기는 16V등급이라는 이야기고 이는 다시말하면 16V까지의 전압을 견딜수 있다는 이야깁니다. 컴퓨터에서 사용된 캐패시터는 12V전압에 ripple을 제거하기 위해 사용되었지만 그림과 같이 캐패시터가 고장이 나버렸습니다. 너무 한계치에 근접한 등급을 가지고 있는 캐패시터를 사용함으로써 아마도 좋은 등급의 캐패시터를 사용하는 돈 몇백원을 아낄려고 한 모양인데 컴퓨터를 통채로 고장내버렸습니다. 이는 디자인이 완벽하지 않은 것입니다. 대부분의 캐패시터는 오차를 가지고 있습니다. 16V등급의 캐패시터는 18V나 22V를 견디기도 하지만 그 반대로 14V나 10V에서도 문제가 생기기도 합니다. 그렇기 때문에 대부분의 엔지니어는 캐패이시터의 등급을 하향해서 판단합니다. 경험으로 대략 등급을 절반정도로 생각합니다. 그래서 12V캐패시터는 6V 전압에, 24V 캐패시터는 12V전원에 사용합니다.

캐패시터가 고장난 위의 컴퓨터는 어떻게 되었을까요? 컴퓨터에서는 온갖 종류의 소프트웨어 에러가 나게되었는데 이유는 전원으로부터 들어오는 엄청난 ripple때문이였습니다. 필터링 캐패시터가 없어 이러한 ripple이 온 시스템에 퍼지게 되었기 때문입니다.

비슷한 일이 캐패시터의 극성을 바꾸어 연결했을때도 발생할 수 있습니다. 극성을 바꾸어 연결한 캐패시터의 경우 연결전압이 낮다면 약간 손상을 받겠지만 높은 전압을 연결했다면 마치 팝콘처럼 터질수 있습니다.

파워 필터링 캐패시터로는 입력에 25V등급 100uF 캐패시터를 출력에는 10uF/10V캐패시터를 추천합니다. 앞서 언급했지만 캐패시터의 등급은 50%정도 낮추어 사용하는 것이 안전합니다. 그렇기 때문에 100uF/25V 캐패시터는 대략 12.5V정도까지의 전압에서 사용하면 적당하며, 캐패시터가 팝콘처럼 튀겨지는 것을 걱정하지 않아도 됩니다.

이제는 전원에 스위치를 연결하여 보겠습니다. 전원을 꼽았다 뺏다하는 것은 귀찮은 일입니다. 스위치가 필요한 이유이죠

스위치를 위와 같이 연결한다면 시스템을 on/off시킬 수 있을 것입니다. 스위치의 안을 보면 스위치는 3개의 핀을 가지고 있습니다. 시소와 같이 생겼는데 가운데 핀은 항상 시소의 중간핀에 연결되어 있습니다. 스위치를 on시키면 한쪽은 연결되고 다른 한쪽은 연결이 끊어지게 디자인되어 있습니다. off시에는 이와 반대로 되고요. 스위치의 중간핀을 전원에 연결하고 스위치를 on시키면 전기가 레귤레이터로 흐르게 됩니다.

VCC와 GND가 역방향으로 흐를경우 얼마나 위험한지 좀전에 설명하였습니다. 그래서 실수로 전원을 꺼꾸로 연결하는 것으로부터 시스템을 보호하기 위하여 부품하나를 추가하였습니다.

이 부품은 다이오드입니다. 위의 회로도에서 D1으로 표기되어 있습니다. 다이오드는 전류를 한방향(심볼에서 화살표방향)으로만 흐르도록하고 다른쪽 방향으로 흐르는 전류를 막아주는 부품입니다. 그렇기 때문에 9V가 오른쪽 방향으로만 흐르도록 합니다. 만약 실수로 전원의 극성을 반대로 연결하였다고 하여도 다이오드가 전류가 흐르는 것을 막아주기 때문에 회로가 손상되는 것을 막을 수 있습니다. 이렇게 시스템을 디자인하는 것은 시스템을 보호하는 좋은 방법입니다.

이러한 다이오드에도 몇가지 단점이 있습니다.

  • 모든 다이오드는 전압을 하락 시킵니다. 이말은 입력이 9V이면 출력은 8.5V정도된다는 의미입니다.

  • 다이오드는 전류등급이 있습니다. 만약 1A의 전류를 0.1A등급의 다이오드를 통해 흘려 보내려고 하면 다이오드는 뜨거워지면서 기능을 잃어 버리게 됩니다. 보통의 경우 1A 1N4001 다이오드를 추천합니다.

다이오드는 극성을 가지고 있어 연결시에 극성을 주의하여야 합니다. 많은 다이오드는 표면에 일직선의 선이 표시되어 있는데 이쪽이 음극을 의미합니다. 회로도의 다이오드 심볼을 보면 막대모양이 선이 그어져 있는데 이와 같은 방향입니다.

다이오드를 회로에 설치하겠습니다. 다이오드의 막대방향이 스위치쪽으로 그 반대는 전원어댑터쪽으로 향하게 브레드보드에 연결합니다. 스위치를 켜고 멀티미터로 측정하면 5V가 나오는 것을 확인 할 수 있을 것입니다.

전원이 들어왔는지 확인하기 위해 멀티미터로 확인하는 것은 번거로운 일일 수 있어 전원표시 LED를 하나 장착하도록 하겠습니다.

LED는 전류가 흐르면 빛이 나는 실리콘 조각입니다. 일반적으로 LED는 20mA의 최대전류허용치를 가지고 있습니다. 이 이상의 전류는 LED를 고장나게 만들죠.

그래서 위의 회로도와 같이 LED를 연결하면 LED는 타버리고 맙니다. LED에 흐르는 전류를 제한하기 위해 저항이 필요한데 이 저항값을 계산하기위해 오옴의 법칙이 필요합니다.

V = IR (오옴의 법칙)

여기서 전압은 5V, 흘려보내는 전류는 20mA가 되므로

5V = 0.02 * R

R = 250 Ohm

LED는 forward voltage drop을 가지고 있기 때문에 완전히 저항값이 올바른 값은 아닙니다만 대략 220오옴 혹은 330오옴이면 LED의 전류를 제한하는데 좋은 저항입니다. 1K오옴도 잘동작합니다. 220, 330, 1K오옴은 매우 흔하게 사용되는 저항값입니다.

각각의 저항값을 가지고 실제로 LED의 밝기 변화를 실험하여 보십시오.

위의 회로는 최종회로입니다. 무언가 복잡한 것 같지만 이렇게 알고 보면 사실 별것이 아닙니다. 스위치를 켜면 LED가 켜지게 될것입니다. 만약 스위치를 켰는데도 불구하고 LED가 켜지지 않는다면 즉시 전원을 내리고 선연결을 점검하십시오.

이글을 보고 계시는 분중에는 저항과 LED의 위치 순서가 문제가 되는지 궁금해 하시는 분이 있을 겁니다. 위의 회로처럼 저항이 먼저 오고 LED가 오거나 그 반대이거나 아무런 상관없이 LED에 들어가는 전류를 제한 할 수 있습니다.

만약 LED가 나가버렸다고 생각된다면 LED는 다시는 켜지지 않습니다. 이럴 경우 멀티미터로 전원 시스템을 체크하여 보십시오.

그럼, 이제는 ripple과 노이즈가 왜 나쁜지에 대해 설명을 좀더 하겠습니다.

만약에 전원에 500mV나 그 이상의 ripple이 있다고 했을때, 이것은 마이크로컨트롤러를 latchup시킬수 있습니다. 공급되는 전압이 4.8V라고 했을때 마이크로컨트롤러는 정상적으로 동작하지만 전압이 4.3V로 떨어졌을 경우 마이크로컨트롤러는 unknown state로 진입합니다. 다시 4.8V로 전원이 올라오면 마이크로컨트롤러는 unknown state에서 latchup이나 freezeup상태가 되게 됩니다. 요즈음의 마이크로컨트롤러 제조사들은 칩 내부에 이러한 리플에 대한 보호장치를 해두어서 latchup이 매우 드물기는 합니다만 ripple은 어쨋거나 칩동작에 매우 안좋습니다.

또 온도센서에서 올라오는 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 ADC작업을 할때 이러한 ripple은 매우 안좋습니다. 온도센서가 1도에 100mV씩 변하는 아날로그 전압을 출력한다고 했을때 25도는 2500mV(2.5V)를 출력할 것입니다. 만약 마이크로컨트롤러가 이 신호에 대해 ADC 변환을 한다고 했을 경우, 마이크로컨트롤러는 전원부에서 안정적으로 나온다고 가정되는 5V와 온도센서에서 나오는 변하는 신호와 비교를 하게 됩니다. 그런데 만약 전원부에 500mV의 리플이 있을 경우, 마이크로컨트롤러는 이것을 알수 없고, 2.5V 신호를 3.0V나 2.0V로 리포트하게 됩니다. 3V는 30도를 의미하고 2V는 20도를 의미하니 이것은 아주 않좋은 경우라고 할수 있습니다. 아날로그 신호를 다루는 작업을 하여야 한다면 아주 깨끗하고 안정적인 전원이 필요합니다.


회로를 브레드보드에 연결하였습니다. 브레드보드는 옆의 그림과 같이 + - 로 표시된 줄은 세로도 연결되어 있으며, 나머지는 가로로 연결이 되어 있습니다.

그래서 선을 어떤 구멍에 연결하면 그 연결된 구멍의 세로 혹은 가로줄 인접 라인은 다 같이 연결이 되게 됩니다. 옆의 그림은 전기적으로 브레드보드가 어떻게 연결되어 있는지 보여줍니다. 그리고 전통적으로 파란색라인은 GND, 빨강라인은 VCC입니다.

PTC에 대하여,,

500mA PTC

초보자들은 회로를 만들때 종종 쇼트를 만들거나 부품을 꺼꾸로 연결하기도 합니다. PTC는 전류가 흘러감에 따라서 저항도 증가하는 장치인데, 특정 전류이상이 흐를때(예를들어 500mA) 저항을 급격하게 올라가도록 디자인할 수 있습니다. 그러면 특정전류이상은 결과적으로 흐르지 못하게 됩니다.

기본적으로 PTC는 재설정가능한 퓨즈로 쓰이게 됩니다. 전압 레귤레이터 앞에 PTC를 직열로 연결하고 만약 회로가 500mA이상 전류를 소모하게 된다면 (예를들어 전원에서 그라운드로 쇼트시킬경우) PTC는 전류를 제한하게 됩니다. 쇼트를 제거하면 다시 회로가 동작하게 됩니다.

이 작은 부품하나가 회로전체가 타버리는 것을 방지하게 되는 것이죠.

PTC가 연결된 회로도 모습입니다.

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