하드웨어 입문 : 6장 회로의 기초 (2)

6장, 회로의 기초

▶ 자력

자석

자석과 자기
자석이 철, 니켈 등의 금속을 끌어당기는 성질을 자성이라고 한다, 이러한 일을 하는 작용을 자기라고 한다.

자극과 자력
자석으로 철가루가 모인 곳을 지나가게 하면, 자석의 양끝 N극과 S극에만 철가루가 붙는다. 이 양끝을 자극이라고 한다
두 자석의 N극과 S극은 당기고, 같은 N극과 같은 S극끼리는 밀어내게 되는데 이렇게 당기거나 미는 힘을 자력이라고 한다.

자석의 성질
자석은 그 자체를 몇조각으로 쪼개어도 N극과 S극의 성질을 띠는 자석이 된다.
자석은 이렇게 쪼개져 분자 단위까지 나위어져도 자성을 계속 가지고 있게 되는데, 이 분자 단위의 자석은 보통 철에도
포함되어 있다.
그러나 철이 자성을 띠지 않는 이유는 분자 자석을 포함하고 있더라도 그 N극과 S극의 방향이 제 각각으로 향하고 있어 힘이 분산되기 때문이다.
철에 자석을 가져다 대면 이 분자 자석들은 순간적으로 N극과 S극이 한 방향으로 정렬하게 되고, 자력이 집중되어 자성을 띠게 된다. 자석에 못을 붙인 후 다른 못에 가져다 대면 그 다른 못이 먼저 붙어있던 못에 들러붙게 되는 것은 이 현상 때문이다.

자력선과 지자기
지구가 가지고 있는 자기를 지자기라고 한다.
자력선은 모든 자석이 가지고 있으며 한 자석에서 N극과 S극 사이의 자기의 힘 나타낸다. 이 자력선은 철, 니켈 등의 금속을 끌어 당길 수 있는 영역으로 이해 할 수 있는데, 이 영역을 자계, 혹은 자장이라고 한다.

콘덴서

콘덴서란 전하를 축전하는 장치이다.
충전지도 축전을 하지만 그것은 화학적인 변화를 일으켜 작용시키는 것이고 콘덴서는 전하를 전기 성질 그 자체로 축전하는 것이므로 차이가 있다.

콘덴서의 동작

콘덴서에 전류를 흐르게 하면 금속판에 각각 접속된 극성에 따라 + 전하와 - 전하가 쌓여 축적된다. 이 상태에서 전원을 차단해도 쌓여 있던 전하가 어느정도의 시간 동안은 그대로 존재하게 된다.
이상태에서 전원을 없애고 콘덴서의 두 단자를 연결시키면 + 전하와 - 전하가 서로 끌어 당겨 방전되어 없어지게 된다. 전원의 + 와 - 극을 바꾸어 연결해도 콘덴서에 쌓여 있던 전하는 전원의 각 +/- 극으로 들어가며 방전된다.

콘덴서가 충전될 때에는 처음 짧은 시간에 많은 양의 전하가 충전되고, 그 후 충전되는 양은 점점 작아져 용량이 꽉 차면 더 이상 충전되지 않는다. 콘덴서가 방전될 때에도 처음 짧은 시간에 많은 양의 전하가 방전된다. 그리고 그 후 방전되는 양은 점점 작아지고 남아 있는 전하를 모두 방전한다.

콘덴서의 전하량과 용량

콘덴서에 축적되는 전하량은 각 콘덴서가 가지고 있는 정전 용량과 전압에 비례한다.

Q = CV   // Q:축적되는 전하량, C:콘덴서의 정전 용량, V:전압

즉, 콘덴서마다 다른 전하를 축적할 수 있는 능력에 비례하며 가해진 전압에 비례한다는 의미이다.
콘덴서의 용량은 F(페럿)을 사용하고, 보통 MF(마이크로 페럿 : 1,000,000분의 1)과 PF(피코 페럿 : 1000,000,000분의 1)을 사용한다.

또한 C는 콘덴서의 내부를 구성하는 전극 판의 면적과 그 전극 판 사이에 끼어있는 종이 등의 절연체의 유전율(전기를 유도하는 정도)에 비례하며, 전극 판과 전극 판 사이의 거리에 반비례한다.

C=ε A/ℓ  // ε:절연체의 유전율, A:전극판의 면적, ℓ:전극 판과 전극 판 사이의 거리


콘덴서를 병렬로 연결하면 콘덴서들의 합성 용량은 늘어난다.
이는 두개의 병렬로 연결된 콘덴서에 구성된 전극 판들의 면적이 늘어났다고 보면된다.

       A1-A2
C=ε ───
          ℓ


콘덴서를 직렬로 연결하면, 콘덴서들의 합성 용량은 줄어든다.
이는 두개의 직렬로 연결된 콘덴서에 구성된 전극 판들의 거리가 늘었다고 보면 된다.

           A
C=ε ─── 
      ℓ1 + ℓ2


콘덴서의 역할

콘덴서는 직류를 막고, 교류를 통과시킨다.

콘덴서에 직류를 투입하면 순간적으로 충전을 하고 용량이 꽉 차면 전류가 흐르지 않는다. 이러한 성질을 가지고 있으므로 직류를 흐르지 못하게 한다.

반면, 교류를 투입하여 +/- 극을 계속 바꿔주면 충전, 방전을 계속하며 전류가 흐르게된다.
이러한 콘덴서의 특징을 이용한 것이 커플링 콘덴서이며, 콘덴서 뒤의 전류의 목적지가 되는 부품에 교유만 사용해야 할 경우에 사용한다.

콘덴서는 회로상에서 교류 성분을 없애준다.

콘덴서에 남는 전류를 보관하도록 하여 전류량을 낮추고, 필요한 만큼의 전류에 맞추게된다. 그리고 교류이므로 전류량이 낮아지게 되고 이 낮아진 전류를 목적지 부품이 사용할 알맞은 전류량에 맞춘다. 이러한 과정을 반복하는 동안 결국 회로상에서의 교류 성분을 직류로 바꾸게 되는데 이러한 역할을 하는 콘덴서를 바이패스 콘덴서라고 한다.


풀업 저항/ 풀다운 저항

위 그림에서 입력은 0V일때 '1'로 인식하는 입력핀이다. 그러므로 이 핀에 왼쪽 그림과 같이 5V의 전원을 접속하면 줄곧 0이 입력된 상태로 있게 되는 것이다. 우측 그림과 같이 스위치를 닫으면 전원에서 저항을 통해 들어오는 전류와 핀의 전류가 합류하여 그라운드로 흘러 들어가게 되는데 이때 입력핀의 전압은 0V로 낮아져 '1'이 입력된 것으로 인식한다. 이렇게 핀에 High 값을 입력해 두려고 붙이는 저항을 '높은 저항에 매달아 둔다'는 뜻으로 풀업(pull-up)저항 이라고 한다.

풀업 저항의 크기를 결정할 때에는 보통 IC입의 핀에 입력할 때에는 수 mA의 전류를 사용하므로, 저항의 크기는 1.5K ~ 10KΩ 사이의 값으로 사용한다.
만일 풀업 저항으로 2KΩ의 저항을 사용했다면, 다음과 같이 계산하면 된다.
I = V/R = 5 / 2000 = 2.5mA 따라서, 풀업 저항이 연결된 칩의 핀으로는 2.5mA의 전류가 투입된다.

위 그림의 입력핀은 5V의 전압을 받으면 '1'로 인식한다. 좌측 그림의 입력핀은 그라운드에 연결되어 전류가 항상 그라운드로 흐르고 있어서 입력 전압은 0V가 되는데 이때 우측 그림과 같이 VCC전원에 연결된 스위치를 단락시켜 전류가 흐르게 하면, 소량의 전류가 저항을 통해 그라운드로 흘러 내리기는 하지만 많은 양의 전류가 입력 핀으로 흘러 전압이 VCC와 같은 5V정도가 된다. 따라서 입력핀은 '1'이 입력된 것으로 인식하게 된다.
이러한 저항의 사용법은 '칩의 핀을 항상 그라운드에 묶어둔다'는 의미에서 풀다운(pull-down)저항 이라고 한다.