아두이노 시작을 위한 간단한 전자회로 워밍업:TR의 스위칭 특성에 의한 LED Fading ON
아두이노 코딩의 소중한 경험을 시작하고 싶으신가요?
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아주 간단한 아두이노 프로젝트라도 시작이 어려울 수가 있으므로 비록 아두이노와 개념자체는 다르지만 적은 수량의 전자 부품을 사용하는 간단한 아래의 전자회로도를 대상으로 배선 조립하여 작동을 시켜 보자.
필요한 부품을 정리해 보자.
저항 100k옴 1개 330옴 1개
ON OFF 스위치 1개
빨간 LED 1개
NPN TR C1815 1개
47μF 전해 콘덴서 1개
9V 건전지 및 커넥터 각 1개
점퍼선 2개
빵판 1개
47μF 전해 콘덴서는 용량이 다른 100μF 이나 220μF 도 무방하다. TR은 반드시 NPN 타입이어야 한다. 굳이 C1815를 못 구하는 경우는 대체해야 하는데 일단 LED 가 on 될 정도면 무방하다. 100k옴은 정확하게 숫자를 지키도록 하고 330옴은 200∼470옴 범위면 대체 가능하다.
이 부품들을 사용한 빵판 상에서 실물 연결 배선도는 그림과 같다. 특히 빵판에서 가장자리의 검은 색 박스 친 부분은 길이 방향으로 2줄이 제공되는데 서로 연결되어 있다. 그 중 1줄을 GND 로 사용하고 있는 셈이다.
이 부품들을 사용하여 사진과 같이 실제 배선하였다. 앞에 배치된 스위치를 누르면 빨간 LED 가 서서히 켜짐을 확인할 수 있다.
이 전자회로를 대상으로 LED on OFF 라든지 콘덴서가 완전히 충전된 후 뽑고 스위치를OFF 한 상태에서 다시 끼워 잠깐 빤짝 LED를 on 사켜 콘덴서의 전기 에너지 저장 능력을 체크할 수 있다. 아울러 조건에 따른 각 부품별로 가해지는 전압을 체크하고 전류를 계산하여 TR의 증폭계수를 실험적으로 결정할 수도 있다.
회로도에서 스위치를 on 했을 때 전류 흐름을 체크해 보자. 스위칭 작용을 하는 TR이 on 되기 전 까지 전류가 흐르는 경로다. 배터리에서 공급되는 전류의 대부분이 콘덴서 충전에 사용되며 일부가 TR 로 흐르기 시작한다. 굵은 화살표시의 전류는 전류제한 저항 100KΩ에 의해 크기가 상당히 작은 값으로 제한된다.
어느 정도 콘덴서가 충전되어 가면서 나머지 전류가 TR 베이스로 증가하면서 흐르게 된다.
TR이 스위칭 작용을 하여 콜렉터에서 에미터로 전류가 흐르기 위해서는 베이스와 에미터 사이의 전압 즉 Vbe 가 최소한의 문턱전압(Threshhold)을 넘어야 한다. TR의 PN 부분은 결국 다이오드 구조와 유사하며 다이오드의 문턱 전업은 0.5V 또는 그 이상이다.
전압 Vbe가 문턱 전압을 넘어섬에 따라 TR이 스위칭 on 이 되며 이때에 베이스 전류 Ibe 가 흐르기 시작하고 그 값이 점차 증가하게 된다. 아울러 스위칭 on 되면 콜렉터에서 에미터로 베이스 전류 Ibe 의 h배에 해당하는 큰 콜렉터 전류가 흐fm게 되어 에미터에 배선된 LED 가 점차 밝아지면서 on된다. 여기서 전류 증폭 상수 h는 10∼20 심지어는 ∼100에 달할 수도 있는 TR의 특성을 나타내는 상수이다.
멀티메터 측정에 의하면 이 갈색
이 회로를 대상으로 첫째로 스위치를 끈 상태에서 TR의 에미터 단자와 전류제한저항이 만나는 점과 건전지 전압이 0V인 GND를 아두이노와 배선 연결하여 아두이노 코딩에 의해서 LED를 on OFF 해 보도록 하자.
둘째로 검은 색 동그라미 친 지점과 에서 건전지 전압이 0V인 GND를 아두이노와 배선 연결하여 콘덴서 충전에 따른 전압 값 변동을 아두이노를 이용하여 측정해 보자.
이 예제는 막바로 아두이노 코드에 의한 LED on OFF 과제를 수행하기 전에 자연스럽게 간단한 전자 공작을 통해서 완성이 되면 이 전자회로를 이용하여 아두이노 LED on OFF 와 콘데서 충전 전압을 모니터링 하는 예제를 연결 시작하도록 한다. 물론 앞장의 아두이노 설치가 되어 있어야 한다.