Physical Computing for Artists & Designers: Understanding Electricity and Components, Study notes of Engineering Systems Analysis

Download Physical Computing for Artists & Designers: Understanding Electricity and Components and more Study notes Engineering Systems Analysis in PDF only on Docsity!

Physical Computing

for

Artists & Designers

Earl Park

Electricity

전류에는 직류(DC)와 교류(AC)가 있다. 직류는 한쪽 방향으로만 전류가 흐르며, 교류

전류의 방향이 주기적으로 60회 변화하는 60Hz 220V전원을 공급하고 있다. 대부분의 전자제품은 직류를 사용한다. 그것도 220V의 고전압이 아니라 5V나 12V의 낮은 전압을 사용한다. 인체도 전류를 통하는 도체이다. 5V나 12V 정도의 낮은 전압은 인체에 해를 미치지 않는다. 그러나 220V의 전압에 감전되면 생명에 지장을 줄 수 있을 정도로 위험하므 로 각별히 주의해야 한다.

직류와 교류 |Direct Current & Alternating Current

로는 10^3 , 즉 1000배를 말하며, 메가는 10^6 으로 10만배를 말한다.

전기의 단위 | Unit of Electricity

기호 I V P R C f 단위 A V W Ω Ｆ ㎐ 읽는법 암페어 볼트 와트 옴 패럿 헤르츠 명칭 크기 테라 T 11012 기가 G 109 ● 메가 M 106 ● ● ● 킬로 k 103 ● ● ● ● 100 (=1) ● ● ● ● ● 밀리 m 10 -3^ ●^ ●^ ● 마이크로 μ 10 -6^ ●^ ●^ ●^ ● 나노 n 10 -9^ ● 피코 p 110 -12^ ● *일반적인 전압은 V를 사용하지만 기전력의 경우에는 E를 사용한다.

도체와 부도체 |Conductor & insulator

반도체 |Semiconductor

JC Bach Minuet from Op. 5 No 2 Arduino Diecimila 회로도

회로도 |Schemetic

가장 전문적인 것은 프린트된 기판 (PCB : Printed Circuit Board)이며, 배선부분이 모두 프린트 되어있어 부품만 꽂아 납땜만 하면 되거나 아예 부품실장까지 자동화 양산 할 수도 있다. PCB제작에는 비용이 많이 들기 때문에 여의치 않을 경우 에칭이나 감광기 판을 통해 프린트 기판을 직접 만들어 볼 수도 있다. 다른 종류로는 구멍이 매트릭스 형태로 뚫려있는 만능기판이 있다. 일반적으로 프린트기판이나 만능기판을 쓰기 이전에 회로구성의 테스트나 프로토 타입을 위해 브레드보드를 사용하는 경우가 많다. 브레드보드는 납땜할 필요가 없이 부품을 꽂는 것만으로 간편하게 회로를 구성하고 실험할 수 있게 해 준다. 브레드보드 의 간격은 DIP(Dual Inline Pakage) type IC의 핀간격과 같은 0.254mm(1/10inch)이다.

브레드보드 |Breadboard

<에칭기판> <만능기판> <브레드보드>

아두이노 보드는 웹사이트에 오픈소스로 Eagle CAD 파일이 공개되어 있으므로 필요 하면 사용자가 원하는 형태나 기능으로 변경 가능하다. Fritzing같은 가상 브레드보드 프로그램을 통해서 구성해 볼 수도 있다.

브레드보드 아두이노 |Breadboard Arduino

Arduino Diecimila 회로도 Breadboard Arduino

전선이란 도체(Conductor)에 부도체(insulator)로 감싼 것이다. 전선은 내부 도체가 단 선(Solid)인 것이 있고 연선(Stranded)인 것이 있다. 전선 굵기는 금속선 알맹이 부분 의 굵기로 따진다. 전선이 굵을수록 큰 전류를 흘릴 수 있다. 용량 이상의 전류를 흘리게 되면 전선이 뜨거워지거나 녹아버릴 수 있으므로 주의한 다. 전선의 굵기에 따른 일련번호와 흘릴 수 있는 허용전류의 크기는 아래 표와 같다. 브레드보드의 연결을 위해서는 22AWG(1/22inch) ~26AWG 정도의 단선을 사용한다. *AWG(American Wire Gauge)는 미국 전선규격으로 널리 사용되어지고 있으며, 구 리, 알루미늄 및 기타 전선굵기를 나타내는 단위로서 전선의 지름 11.680mm를 AWG 0000, 0.127mm를 AWG 36으로 하고 그 사이를 39단계로 나눈 번호 체계이다. AWG는 굵기를 기준으로 정한 것이므로 AWG만으로도선저항, 허용전류를 구할 수 없으며, 아래는 UL1007 단선기준 300v 80℃내에서 참고치로만 사용 가능하다.

전선 |Wire, Cable

브레드보드의 +라인은 +라인끼리, GND라인은 GND라인끼리 모두 연결해 준다

파워서플라이의 아웃풋 전원인 12V를 5V로 만들기 위한 배선을 한다

*AWG 도선지름(inch) 도선지름(mm) 도선저항(Ω/m㎞) 허용전류(A) 16 0.051 1.29 12.5 15. 18 0.040 1.02 21.4 12. 20 0.032 0.81 33.9 9. 22 0.025 0.64 54.3 7. 24 0.020 0.51 89.4 5. 26 0.016 0.41 142.8 4. 28 0.013 0.32 227.4 3. 30 0.010 0.26 361.1 2.

패시턴스(Capacitance) 또는 전기 용량이라고 한다. 커패시턴스의 측정단위는 패럿 (Farad, F)이다. 일반적으로 커패시터에 축적되는 전하량은 매우 작기 때문에 마이크 로패럿(㎌)나 피코패럿(㎊) 단위를 주로 사용한다. 모든 커패시터는 두 개의 다리를 가지게 되는데, 극성이 있는 것과 없는 것들이 있다. 극성이 있는 커패시터의 경우, 겉면에 +,-가 씌여 있다. 우리나라에서는 커패시터를 축전기 혹은 콘덴서라고 부르기도 한다. 오른쪽과 같이 사용하는 커패시터를 필터 커패시터(Filter capacitor)라고 하며 이는 전원단에 주로 붙어 전압을 안정화시키는 역할을 한다. 회로내에서 순간적으로 많은 전류를 소비하는 소자 때문에 발생하는 전원전압의 강하를 억제하는 것으로 수십 uF 정도의 전해 또는 탄탈 커패시터가 좋으며 외부에서 전원선을 통하여 잡음이 유입될 수 있는 경우나 전원선이 멀리서 공급되는 경우에는 이 필터 커패시터의 역할이 더 욱 중요해진다.

커패시터 |Capacitor

예) 103 → 10 x 10^3 ㎊ = 10,000㎊ → 0.01㎌ 예) 473 → 47 x 10^3 ㎊ = 47,000㎊ → 0.047㎌ 예) 224 → 22 x 10^4 ㎊ = 220,000㎊ → 0.22㎌ 1,2번핀 사이와 2,3번핀 사이에 극성에 주의하여 캐패시터 하나씩을 꽂는다

LED는 다이오드의 일종으로 전류가 통하면 빛을 내는 성질이 있어 발광다이오드라

고 불리운다. 다이오드는 극성을 가지는 부품으로서, +5V와 Ground에 각각 연결되어 야 하는 쪽이 정해져있다. 이 방향을 거꾸로 하면 당연히 작동하지 않는다. 따라서 LED도 어느 다리를 어디에 연결해야 하는지 사전에 확인해 보고 사용해야 한 다. 확인하는 방법으로는 LED 다리 길이를 살펴보는 방법 등이 있으나, 확실한 방법 은 멀티미터를 사용하는 것이다. LED는 red, yellow, green, blue, white 등 다양한 컬러가 있다. 또 적외선 LED, 고휘도 LED, Power LED등도 있으며 동시에 2가지 이상의 색을 내는 LED도 있다. LED는 매우 작은 전류로도 켜진다. LED의 밝기는 LED를 통하는 전류의 양에 비례한 다. LED를 켤 때에는, LED에 흐르는 전류를 제한해 주기 위해, 저항을 반드시 같이 연 결해 주도록 한다. 연결하는 저항의 값은 Ohm의 법칙을 이용한다. R = (V-VLED)/ILED 예를 들어, +5V 파워서플라이로 LED를 켜려 하는 경우를 살펴보자. 사용하고자 하는 LED의 제원을 확인해보니 ILED가 20㎃이며 VLED가 1.7V였다고 하자. 그러면 붙여주어야 할 저항의 값은 (5-1.7)/0.02=165Ω이다. 만약 저항값을 얼마를 써야 할 지 알 수 없을 경우에는, +5V에서 LED를 켜고자 하는 경우에 220Ω~1㏀을 붙여주도록 하자.

발광 다이오드 |LED (Light Emmiting Diode)

LED의 정확한 스펙은 Datasheet에 나와있으나 이를 알기란 쉽지 않다. 그러나 알게 될 경우에는 아래 2가지를 눈여겨보자. 순방향 전압(Forward Voltage) : LED에 흘려줄 수 있는 최대전압 최대전류(Continuous Forward Current) : LED가 가장 밝게 빛날 때 흘려지는 전류량 전원부의 문제점을 확인하는 용도로 LED와 저항을 위와 같이 연결한다

파워 서플라이의 +, GND선을 위와 같이 연결한다

지고, 방열 등의 문제가 생긴다. 반면 스위칭 방식의 SMPS는 주변회로가 다소 복잡하

지만 효율이 높고, 열발생이 적기 때문에 콤팩터한 설계를 할수 있다. 단지 ON/OFF

하는 기기에서는 좀 꺼리는 편이다. 대표적인 리니어 레귤레이터로는 78XX 시리즈

와 79XX 시리즈가 있고, 스위칭 방식의 DC-DC Convertor에는 uPC494C, MC34063, TL2524, TL3842, LM2575 등 모양과 방식이 매우 다양하다.

부품들이 일을 하기 위해서는 전기가 필요하다. 간단히 생각해서는 9V 건전지 등을

220V의 가정용 전압은 건전지와 같은 걱정을 할 필요가 없지만 우리가 쓰기에는 전압

이 너무 높다. 그래서 회로에 사용하는 직류 전압을 얻기 위해서는 AC 220V를 우리가

량보다 큰 것을 사용하도록 하자. 우리는 12V 4.2A의 넉넉한 SMPS를 사용하게 된다.

파워 서플라이에는 크게 리니어(linear)방식과 스위칭(switching)방식이 있다. 예를 들어 밭에 일정한 물을 공급해야 한다고 하자. 물론 공급되는 물이 필요한 물보 다 훨씬 많다고 한다. 따라서 중간에서 적당한 장치로 물공급을 제어해야 한다. 여기에는 두가지 방법이 있는데, 하나는 물의 일부를 버리고 필요한 양만큼만 공급하 는 방법이 있고 또 하나는 물줄기를 막았다, 풀어주었다 하면서 공급해 주는 방법이 있다. 전자의 방법이 리니어 방식이라면 후자의 방식이 스위칭 방식이라 할 수 있다. 리니어 방식의 어댑터는 간단하고, 전원이 매우 깨끗하고, 품질이 좋은 즉 레귤레이션 이 좋은 전원을 공급하지만 출력 전압이상은 모두 열로 소모해야 하므로 효율이 나빠

파워 서플라이 |Power Supply

써, 일명 테스터(Tester)라고도 하며 전압계(Vlotmeter), 전류계(Miliammeter), 저항계 (Ohmmeter)가 복합되었다는 의미로 VOM(Vlot-Ohm-Miliammeter)라고도 한다. 멀티미터에는 아날로그와 디지털 두 종류가 있는데 우리는 디지털 멀티미터를 쓰도 록 한다. 멀티미터는 제조회사나 모델에 따라 기능이 다르며, 회로의 결함이나 부품의 정확한 용량 측정 등을 위해서도 사용된다. 우리가 주로 사용하는 기능은 다음과 같다. 직류전압 측정(V〓) : 검은색 침은 GND, 빨간색 침은 읽고자 하는 전압에 갖다 댄다. 전류 측정(A〓): 회로를 끊고 중간을 측정한다. 저항 측정(Ω) : 측정하고자 하는 저항의 양 끝 부분을 짚는다. 연결 테스트( ) : 원하는 두 지점을 짚어 '삐'소리가 나면 회로가 연결이 된 것이다. 멀티미터는 하드웨어 디버깅(오류수정)을 위해 자주 사용하게 될 것이다. 주의 : 저항 측정이나 연결 테스트 시 감전의 위험이 있으니 전원을 끄고 측정한다.

멀티미터 |Multimeter

멀티미터로 두 지점을 이어 5V 전압이 잘 나오는지 확인한다