전자회로 왕초보의 기초 - 1.주요 부품 설명

📍 전자회로 왕초보

전자회로에서 주로 사용하는 주요 부품들이 각각 어떤 역할을 하고 어떻게 표기하는지를 간단히 알아보자.

 

 

1️⃣ 전지의 종류 

전지의 크기는 전압과는 무관하며, 방출할 수 있는 전류의 크기와 관계가 있다. 전지의 크기는 AA, AAA, CM등의 명칭으로 구분한다. 

일반적으로 사용되는 전지의 종류

1,2 : 우리가 일반적으로 많이 사용하는 건전지

3 : 충전용으로 많이 사용되는 니켈카드늄 전지

4 : 자동차용으로 널리 사용되는 납축 전지

5 : 고체 수소전지로 성능은 니켈카드늄 전지의 2배지만, 가격이 고가이며 전용 충전기를 사용해야 한다. 디카에 많이 사용된다. 

6 : 전지를 직렬로 연결하여 여러가지 전압을 만들 수 있는 전지 홀더이다. 

 

전지의 심볼은 우측과 같다. 전지의 종류는 많지만 전지의 목적은 회로에 필요한 전압괴 전류를 공급하는 에너지원이다.

우리는 전지 4개를 연결하여 6V를 사용할 것이다. 선을 연결한 후 전압계로 전원선 전압을 확인해 보면 약 6V가 나온다. 

 

2️⃣ 간단한 회로도 동작과 표기법 

간단한 예를 들어 회로도를 보는 방법과 회로 동작을 확인해 보자.

 

✅ 회로도 표기법

• 세모 모양 : 전원의 +에 연결하라는 뜻이다.
• 아래의 심볼 : ground, GND의 의미로 전원의 -에 연결하라는 뜻이다. 

 각 부품의 리드(lead)는 다른 부품의 리드(lead)나 전원의 +, -에 연결됨으로써 전체적인 회로가 이루어진다. 필요한 부품의 리드(lead)끼리 연결만 된다면 이어지는 선의 색깔이나 길이는 중요하지 않다. 

 

 전원의 6V 전압에 의해서 R1(저항)과 LED를 통해서 약 1mA의 전류가 흐른다.  그 결과 LED가 점등하고 최종적으로 GND로 전류가 빠져나간다. LED에는 극성이 있다. 때문에, lead를 바꿔서 연결하면 LED가 켜지지 않는다. 저항의 lead는 바꿔서 연결해도 상태의 변화가 없다. 저항은 극성이 없기 때문이다. 극성이 없다는 의미는 쉽게 말해 부품의 방향, 앞뒤, 전후가 없다는 말이다. 

 

cf) 기본 용어 : 저항(R), 코일(L) 콘덴서(C) 다이오드(D), 트랜지스터(TR), 전계효과 TR (FET), 직접회로(IC)

 

3️⃣ 기본 부품 설명

 

✅ LED - Light Emitting Diode

 LED는 일종의 다이오드이다. 그래서 발광 다이오드라고 부른다. 다이오드는 +, - 극이 정해져 있다. 다리가 긴 쪽이 Anode로 + 극이다. LED는 반도체로 전류를 빛으로 전환하는 효율이 높아 적은 전류를 소비하며 수명도 길다. 일반적으로 디지털 회로에서 회로 상태를 모니터하기 위해 많이 사용된다. 

 

 

✅ Reistor (저항, 정격 단위는 Ω으로 표기)

 저항은 여러가지 종류가 있고 사용 용도가 조금씩 다르다. 일반적으로 널리 사용되는 종류는 1/4W, 5%오차의 저항이다. Registor에 표기된 색깔띠로 표기된 저항값의 크기를 알 수 있다. 색띠의 갯수는 보통 4개이며 맨 마지막의 색은 대부분 금색으로 5%의 오차를 나타내고 앞의 3개의 띠로 저항값을 나타낸다. 

 

 예를 들어 갈색, 검정색, 노란색의 띠는 각각 1, 0, 10kΩ(10000 Ω)이다. 저항을 계산하는 방법은 첫번째, 두번째의 숫자를 늘어놓고, 세번째 숫자를 곱하는 것이다.  즉 1(갈색) 0(검정색) * 10,000Ω = 10 + * 10,000Ω  = 100,000 Ω ( = 100kΩ)이 된다. 디지털 테스터의 저항 측정 모드를 사용하면 쉽게 측정할 수 있다. 

(저항값 빨리 읽기  '깜빵 갈하나 빨리 오삼 황사 녹오 청육 보칠 회팔 백구')

 

 저항은 전류를 제한하는 역할을 하며, 그 결과 전압을 낮추는 효과를 가져온다. 저항과 전압과 전류의 관계는 옴의 법칙 I = V/R로 표현된다. 저항은 자신을 통해 흐르는 전류의 제곱에 비례하는 열(전력)을 발생시킨다. 그러므로 전류가 많이 흐를수록 저항에서 발생하는 열이 많아지고 이를 효과적으로 방출하기 위해 저항의 크기를 크게 만든다.

 만약, 저항이 너무 작고 표면적이 좁다면, 발생한 열이 빠져나가지 못해 저항이 타거나 망가질 수 있다. 이를 방지하려면 저항 부품 자체의 크기를 키워 저항의 표면적을 넓혀서 열을 공기 중으로 쉽게 방출하도록 해야한다. 저항이 파손되는 경우는 대부분 과도한 열이 발생하여 타버리는 것이다. 

 

 

✅ 스위치 - Switch

 스위치는 열림과 닫힘을 조절하는 부품이다. 열림과 닫힘은 물리적으로 각각 전압의 최저값과 최고값에 해당한다. 전압의 최저값은 항상 0V이며, 최고값은 공급되는 전원 전압의 크기와 같게 된다. 예를 들어 디지털 회로가 5V전압을 사용하는 경우 최고값은 5V, 최저값은 0V이다. 간단히 사용하기 위해 최고값은 1 또는 H, 최저값은 0 또는 L로 사용하기로 약속하고 있다. 

 

✅ 다이오드-Diode

 다이오드는 한 방향으로만 전류를 흐르게 하는 부품으로 회로에서는 화살표 모양의 심볼로 표시된다. 

 

 만약, 반대 방향(역방향)으로 높은 전압을 걸면 다이오드가 망가질 수 있다. 이때, 다이오드가 견딜 수 있는 최대 역방향 전압을 역방향 전압의 크기라고 한다. 예를 들어 정격 50V 다이오드는 역방향으로 50V 이상 걸리면 고장 날 수 있다.

 또, 다이오드는 한 방향으로 전류를 흘릴 때 너무 많은 전류가 흐르면 과열되어 망가지게 된다. 다이오드가 안전하게 흘릴 수 있는 최대 전류값이 정해져있다. 예를 들어, 정격 1A 다이오드는 1A이상의 전류가 흐르면 과열로 고장 날 수 있다. 따라서 다이오드의 정격은 두 가지 값으로 결정된다.

• 역방향 전압이 너무 크면 망가짐 - 역방향 전압의 크기
• 순방향 전류가 너무 많으면 망가짐 - 순방향 전류의 크기

 어떤 회로에서 다이오드를 사용할 때, 이 정격을 초과하면 다이오드가 손상될 수 있으므로 적절한 정격의 다이오드를 선택해야한다. 

 

정격 : 사용 가능한 최대 전압과 전류 범위

 

ex) 다이오드가 100v내압에 1A전류 정격을 가짐

역방향 전압 : 100V 이하까지는 버틸 수 있음

순방향 전압 : 1A 이하까지는 흐를 수 있음

 

✅ 콘덴서 - Capacitor

 콘덴서는 전하(전기 에너지)를 저장하고, 직류(DC)와 교류(AC)를 구분하여 회로에서 다양한 역할을 수행하는 전자 부품이다. 콘덴서는 두개의 도체판 사이에 절연체를 삽입한 구조로 되어 있다. 두 도체판에 전압을 가하면, 한쪽에는 양전하(+), 다른 쪽에는 음전하(-)가 축적되어 전기 에너지가 저장된다. 이렇게 저장된 에너지는 필요에 따라 방출될 수 있다. 

 

콘덴서는 전하저장 이외에도 다양한 기능을 하는데 주요기능들을 아래와 같다.

 

• 전하 저장 : 전기를 저장하고 필요할 때 방출한다
• 직류 차단 및 교류 통과 : 직류 신호는 차단하고 교류 신호는 통과시킨다.
• 노이즈 제거 : 회로의 불필요한 신호나 잡음을 제거한다.
• 전압 평활화 : 전원 공급시 전압 변동을 완화하여 안정적인 전압을 제공한다. 

 

✅ 트랜지스터 - Transister

 트랜지스터(TR)는 전기 신호를 증폭하거나 스위칭하는 기능을 가진 반도체 소자로 전류를 제어하여 신호를 전달하는 역할을 한다. 트랜지스터는 세 개의 단자로 구성되며, 각각 베이스(Base), 이미터(Emitter), 컬렉터(Collector)라고 한다. 구조에 따라 PNP와 NPN 2가지가 있다는 점에 유의해야한다. 트랜지스터의 주요 기능은 아래와 같다. 

 

• 증폭(Amplification) : 트랜지스터는약한 전기 신호를 더 강하게 만들어 다양한 전자 기기에서 신호를 증폭하는데 사용된다. 
• 스위칭 (Switching) : 트랜지스터는 전류의 흐름을 켜거나 끄는 스위치 역할을 수행하여 디지털 회로에서 0과 1의 신호를 처리한다. 

 

NPN과 PNP는 트랜지스터의 두가지 주요 유형으로 내부 구조와 전류 흐름 방향에 따라 구분된다. 각각이 무엇인지 간단하게 살펴보면 아래와 같다. 

 

 

🔸 NPN 트랜지스터 

• 구조 : 두개의 N형 반도체 사이에 P형 반도체가 위치한 구조이다. 
• 전류 흐름 : 베이스(Base) 전극에 양전압을 인가하면, 베이스에서 이디터(Emitter)로 전류가 흐르고, 이로 인해 컬렉터( Collector)에서 이미터로 전류가 흐르게 된다. 
• 특징 : 베이스에 전류가 유입될 때 동작하며, 전자(-)가 주요 캐리어로 작용한다. 

 

🔸 PNP 트랜지스터 

• 구조 : 두 개의 P형 반도체 사이에 N형 반도체가 위치한 구조이다. 
• 전류 흐름 : 베이스 전극에 음전압을 인가하면, 이미터에서 베이스로 전류가 흐르고, 이로 인해 이미터에서 컬렉터로 전류가 흐르게 된다. 
• 특징 : 베이스에서 전류가 유출될 때 동작하며, 정공(+)이 주요 캐리어로 작용한다. 

 

🔸 주요 차이점

• 전압 및 전류 방향 : NPN은 베이스에 양전압을 가하고, 베이스 전류가 유입될 때 동작한다. 반면, PNP는 베이스에 음전압을 가하고, 베이스 전류가 유출될 때 동작한다. 
• 회로 구성 : NPN트랜지스터는 High side Switching에, PNP 트랜지스터는 Low side Switching에 주로 사용된다. 이러한 차이로 인해, 회로 설계시 PNP와 NPN 트랜지스터의 특성을 고려하여 적절한 타입을 선택해야 한다. 

 

https://www.youtube.com/watch?v=1WC9h1pWApY

 

 

✅ 코일 - Inductor (정격 단위는 헨리 H로 표기)

 코일은 전선을 나선형으로 감아 만든 전자 부품으로 Inductor라고도 불른다. 전선을 같은 방향으로 감아 놓으면 교류 에너지를 저장하는 코일 부품이 된다. 주로 전류의 변화에 저항하여 전자기 에너지를 저장하거나 필터링하는 역할을 한다. 

 

 전류가 코일을 통과하면 자기장이 형성되며, 이 자기장은 전류의 변화를 방해하는 방향으로 작용한다. 이러한 성질을 Inductance라고 하며 단위는 H(헨리)를 사용한다.  코일의 주요 기능은 아래와 같다. 

 

• 에너지 저장 : 코일은 자기장 형태로 에너지를 저장하여 필요할 때 방출한다. 
• 필터링 : 교류( AC ) 신호에서 특정 주파수를 걸러내거나 통과시키는데 사용된다. 
• 전류 안정화 : 전류의 급격한 변화를 완화하여 회로의 안정성을 높인다. 

코일은 다양한 기능을 통해 전자 회로에서 필수적인 역할을 수행한다. 

• 전원 공급 장치 : 전압 변동을 완화하고 리플(Ripple)을 제거한다. 
• 무선 통신 : 특정 주파수의 신호를 선택하거나 필터링 한다. 
• 모터와 변압기 : 에너지를 전달하거나 변화하는데 사용된다. 

 

 

Reference 

 

▪ https://m.blog.naver.com/ezis1123/130172214854?recommendTrackingCode=2

<펌> 왕초보 전자회로 강좌특집 2부

 

▪ https://m.blog.naver.com/ezis1123/130172210363

<펌> 왕초보 전자회로 강좌특집 1부

 

 

▪  https://www.rohm.co.kr/electronics-basics/transistors/tr_what1

트랜지스터 | 트랜지스터란? | 전자 기초 지식 | 로옴 주식회사 - ROHM Semiconductor