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제공: 한빛미디어 네트워크 기사

저자: 김범준
출처: 뇌를 자극하는 하드웨어 입문 : 만들면서 이해한다 Chapter 2.


■ 하드웨어 입문 : LED를 켜보는 실습(1)

[Section 3] 부품의 기능

회로에 사용된 각 부품들의 부품도와 기능에 대하여 살펴보면 다음과 같습니다.

전원


전원은 건전지나 어댑터의 (+)극에 해당합니다. 해당 회로에 전기를 공급해주는 부분으로서 이 장에서 제작한 회로에서는 건전지가 9V(볼트)이므로 이 부분의 전압은 9V(볼트)입니다.

레귤레이터


[그림 2-10] 7805 레귤레이터의 부품도와 실물도

레귤레이터(Regulator)란 영어 단어가 의미하는‘규칙적이 되게 하다’와 같이 전압을 낮추어 규칙적인 전압이 되도록 합니다. 즉, 실습에서 사용한 5V 레귤레이터인 7805의 경우에 input 핀에 12V가 들어오든 9V가 들어오든 무조건 output 핀에는 5V가 나옵니다.

그러나 4.5V나3V 등5V 이하의 전압을 5V로 끌어올려줄 수는 없습니다.

레귤레이터 중에는‘7809’라는 것도 있는데 이것은 입력부에 어떤 전압이 들어오든지9V로 만들어주는 레귤레이터입니다. 뒤의‘05’, ‘09’라는 숫자는 output 핀에 나오는 전압을 의미합니다.

[그림 2-10]에서 왼쪽은 회로도상에서 레귤레이터의 부품도이고, 오른쪽은 레귤레이터의 실물도입니다. 실물도의 핀에 붙어 있는 번호와 부품도에 붙어있는 번호는 각각 일치합니다. 회로도에는 보통 칩의 핀 중 그라운드에 접속되는 핀은 나타내지 않으므로 2번 핀은 부품도에도 나와있지 않습니다.

레귤레이터의 제일 왼쪽 핀(input) ①은 건전지에서 공급되는 전기를 받아들이는 부분이고, 오른쪽 핀(output) ③은 5V로 변경된 전압으로 레귤레이터 이후에 설치된 부품들에 전기를 공급해주는 부분입니다. 보통 디지털 회로에서 반도체 등의 거의 모든 부품은 5V에서 움직이게 되어있습니다. 가운데 핀(ground) ②는 회로의 하수도인 그라운드로 전기가 흐르는 부분이라고 할 수 있습니다. 이 가운데 핀이 존재하는 이유는 레귤레이터도 하나의 칩 안에 구성된 작은 회로이기 때문에 그라운드로 통하는 전기의 길이 필요한 것입니다. 큰 회로에 존재하는 작은 회로라고 할 수 있겠고, 프로그래밍 언어에 비유하면 함수 안에 또 다른 함수의 콜이 존재하는 것과 같다고 할 수 있습니다.

LED


LED는 두 가지 이상의 화학물질의 혼합물에 전류를 투입하여 반응을 일으켜 발광시키는 소자입니다.

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▒ 원리가 보인다 ▒

레귤레이터란

레귤레이터는 본래 내부에 트랜지스터 등과 함께 여러 전자 부품으로 구성되어 있습니다. 그러나 이러한 구성 부품으로 레귤레이터의 역할을 하도록 만든다면 회로가 엄청나게 커질 것입니다. 따라서 부품들을 집적시켜 같은 역할을 하는 또 하나의 부품으로 만든 것입니다. 즉, 소프트웨어에서 자주 사용하는 루틴을 하나의 함수로 만들어 사용하는 것과 비슷합니다.

아주 옛날 초창기의 컴퓨터인‘애니악’은 무수한 진공관으로 만들어져 있었으며 전체 무게를 톤(ton)으로 나타내야 할 정도로 몸집이 컸습니다. 그 후 트랜지스터가 발명되었고 집적 회로인 IC 등이 발명되었으며, 집적 회로는 CPU의 형태로 더욱 집적되어 옛날보다 무한에 가깝게 성능이 좋은 컴퓨터가 크기는 엄청나게 축소된 것은 집적 회로 기술의 큰 성과라고 할 수 있습니다.
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LED의 부품도는 위와 같이 삼각형이 있고 삼각형의 한 모서리를 선 하나가 막고 있으며, 화살표가 그려져 있습니다.

삼각형의 한 쪽에서 (+) 전류가 흘러 들어오고 삼각형을 지나며 발광을 한 후 (-)극 쪽으로 흘러나갑니다. 삼각형을 막고 있는 하나의 선은 반대 방향으로는 전류가 통하지 않는다는 의미입니다. 실제로 전류를 거꾸로 흐르게 한다면 LED는 발광하지 않을 것입니다. LED의 (+)극은 애노드(Anode)라고 부르며 (-)극은 캐소드(Cathode)라고 합니다.

또한 제대로 된 방향이든 거꾸로 된 방향이든 높은 전압(10V 정도)을 흐르게 한다면 LED 소자가 망가져서 발광하지 않을 것입니다.

스위치


스위치는 전원을 연결/차단하는 기능을 합니다.

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▒ 여기서 잠깐 ▒

LED의 구성 물질과 용도

LED는 영어로 Light Emitting Diode의 약자이며, 발광 다이오드라고도 합니다. LED의 구성 물질은 다양하나 일반적으로 알루미늄, 인듐, 갈륨, 비소 등의 조합으로 구성되어 있고, 각 조합에 따라 빨간색, 노란색, 초록색 등의 색을 발합니다.

각 구성 물질은 포함된 전자의 수가 달라, 어느 것은 전자가 모자라고 어느 것은 전자가 남기 때문에 서로 접합하여 전기 에너지를 가하면 남는 전자들이 다른 물질의 부족한 부분을 채우는데, 이 움직임의 에너지를 빛으로 발하도록 만든 것이 LED라고 할 수 있습니다.

LED의 수명은 백열등이나 형광등과 달리 반영구적입니다. 백열등은 가느다란 필라멘트에 많은 전류를 통하게 하여 빛을 발생시키므로 필라멘트에 많은 무리가 가해지며, 형광등도 형광물질이 많은 양의 전자에 부딪히기 때문에 열화하게 됩니다.

백열등이나 형광등이 빛을 내기 위해서 자체에 물리적으로 무리가 가해지는 반면, LED는 전자의 이동 에너지를 사용하기 때문에 주원료가 닳거나 하지 않아 수명이 긴 것이라고 할 수 있습니다.

이렇게 수명이 길다는 장점 때문에 현재 LED는 브레이크등, 교통신호등, 간판에 사용되고 있습니다.

백색 LED의 개발도 왕성하게 진행되고 있으며, 이 백색 LED가 실용화되어 백열등이나 형광등을 대체하여 생활 조명으로 사용된다면 LED의 또 하나의 장점인 고효율이 적용되어 많은 전기 에너지를 아낄 수 있다고 합니다.
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전원의 (+)극에 가까운 곳에서 차단하든, (-)극에 가까운 곳에서 차단하든 회로의 전원은 차단됩니다. 하드웨어의 초보자는‘(+)극에서 흐르는 전기가 가다가 막히면 물이 고이듯이 꽉 차있어서 LED를 계속 밝히지 않을까’하고 착각할 수도 있지만, 회로의 (+)극에서 (-)극으로 전류가 흐르고 있는 동안 중간의 어디에서든지 흐름이 차단되면 전원으로부터 전기가 들어오지 않습니다.


[그림 2-11] 전류와 스위치의 원리

[그림 2-11]과 같이 프로펠러가 부착된 철제 수도관이 있을 때 수도꼭지를 열어 놓고 수도관의 아래를 열어두면 프로펠러가 회전합니다. 그러나 수도관의 아래를 차단하면 물이 꽉 차고 수도관 안쪽의 수압에 의해 수도꼭지에서 더 이상 물이 흐르지 않으므로 프로펠러가 회전하지 않을 것입니다.

이와 같이 우리가 사용하는 LED도 전기가 흐르고 있는 도중에만 발광하고 흐름이 멈추면 발광하지 않습니다.

그라운드


그라운드는 건전지나 어댑터의 (-)극에 해당합니다. 전원에서 나오는 전기는 회로상의 부품들을 동작시킨 후 그라운드로 들어가게 됩니다. 즉, 회로에서의 하수도라고 연상하면 되겠습니다.

이번 장에서는 가장 기본적인 사항으로 스위치와 LED를 사용하여 회로를 구성하고 실험해 보았습니다. 간단한 회로였지만 각 부품의 동작과 원리 등을 알아보았고, 전기가 흐름에 있어 각 부품들이 어떤 역할을 하는지에 대한 매우 기본적인 사항을 알게 되었습니다.

다음 장에서는AND, OR, NOT 등의 논리 회로를 하드웨어로 제작하여 실험해 보겠습니다.