소자 부품 (트랜지스터, DIP소자와 SMD소자, 가변저항)

이번 포스팅에서는 지난 포스팅에서 다루었던 소자 부품을 이어서 포스팅 하도록 하겠습니다.

지난 포스팅에서 저항과 다이오드, 커패시터에 대해 알아보았는데 이번 포스팅에서는 트랜지스터와 DIP소자, SMD소자, 가변저항에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

◆ 트랜지스터

트랜지스터는 Transit Resistor란 뜻으로, 저항값이 변하는 성질을 통해 스위치, 증폭기로 활용됨을 의미합니다. 트랜지스터는 크게 BJT와 FET로 나뉘며 모두 세 개의 핀이 달려 있습니다. BJT는 전류로 제어되는 소자이고, FET는 전압으로 제어되는 소자입니다. 아두이노와 주변회로를 다루는 데 잇어서 BJT 정도만 짚고 넘어가도 무방하며 특히 이번 포스팅에서는 트랜지스터의 물리적 구성, 동작 원리를 다루지 않고 회로 내에서의 역할에만 중점을 맞추고자 합니다.

BJT는 크게 NPN 타입과 PNP 타입으로 나뉘며, 일반적으로 사용자들이 가장 많이 접하는 소자는 NPN 타입입니다. NPN타입과 PNP타입은 소자의 물성으로 인한 구분으로, 이 타입에 따라 극성이 달라집니다. 즉, 트랜지스터에 흐르는 전류의 방향이 달라집니다. NPN트랜지스터는 전류가 흘러 들어가는 단자인 콜렉터와 전류가 흘러나가는 단자인 에미터, 그리고 이 전류의 흐름을 제어하는 단자인 베이스로 구성되어 있습니다.

NPN트랜지스터와 기호

베이스에 걸린 전압이 에미터에 걸린 전압보다 높으면 콜렉터에서 에미터로 전류를 흘려보냅니다. 트랜지스터가 스위치처럼 작동하기 때문에 이를 스위칭 기능이라고 합니다. 반면 베이스에 인가되는 전류를 이용하여 트랜지스터를 통과하는 전류를 제어할 수 있는데, 이를 전류 증폭 기능이라고 합니다.

PNP 트랜지스터는 NPN과 극성이 반대입니다.

위 그림을 참조하면 NPN 트랜지스터는 콜렉터를 통해 유입된 전류가 에미터로 빠져나가고, PNP 트랜지스터는 에미터를 통해 유입된 전류가 콜렉터로 빠져나가는 것을 보여주고 있습니다. PNP 트랜지스터는 베이스에 인가된 전압이 에미터보다 낮을 때 작동하며, 음전류를 에미터를 통해 콜렉터로 흘려보냅니다. PNP 트랜지스터는 H-bridge 회로 등 다소 특별한 회로에 사용되며, 사용자들이 당장에 접하거나 활용할 가능성이 낮은 소자입니다. 항상 데이터 시트를 확인하고 주의를 기울여 회로에 연결합니다.

트랜지스터는 주로 스위칭 기능을 위해 많이 이용되는데, 대표적인 사례로 LED 제어와 모터 제어를 이야기할 수 있습니다. 아두이노의 I/O 포트에서 출력되는 전류는 40mA 수준으로 제한적입니다. LED는 인가되는 전류에 따라 그 밝기가 달라지는데, 100mA를 인가하고 싶다면 디지털 핀 3개와 몇 가지 저항을 이용하여 제어하는 방법도 있겠지만, 트랜지스터를 활용하는 편이 수월하고 통상적인 DC모터는 I/O 포트에서 출력되는 전류로 제어하기가 쉽지 않습ㄴ디ㅏ 전류를 많이 소모하기도 하며, 5V 이상의 전압을 요구하는 모터가 많기 때문입니다. 다시 말해서, 트랜지스터를 활용하는 이유는 아두이노로 제어하기 힘든 고전압, 고전류를 다룰 수 있기 때문입니다.

 

◆ DIP 소자와 SMD 소자

DIP(Dual In - Line Package) 소자는 일반적으로 접할 수 있는 긴 핀이 달린 소자들로, 브레드 보드에 꽂거나 만능기판에 납땜하여 사용하는 실험 용도로 좋은 크기입니다. 단점으로는 크기가 커서 작은 회로를 만들어야 할 때 불리하고, 대량생산 시 단가가 SMD 타입에 비해 불리합니다.

SMD(Surface Mount Device) 타입은 "표면 실장 부품"이란 뜻으로, DIP 타입에 비해 아주 작은 크기를 갖고 있어 손수 납땜하기 까다롭습니다. 이는 공장에서 대량생산에 적합하며 대개 시제품 단계에서는 분류와 납땜에 유리한 DIP 소자를, 생산 물량이 많거나 특별히 작은 기판을 요구할 때는 SMD 타입을 사용합니다.

 

◆ 가변 저항

가변 저항은 저항값을 임의로 조절할 수 있는 저항을 말합니다. 포텐셔미터, 트리머로도 불리며 크기와 형태에 있어서 여러 종류가 존재합니다. 가령 1kΩ 가변 저항이라면 저항값이 0~1kΩ까지 변한다는 뜻입니다. 이 가변 저항을 이용하여 높낮이가 있는, 또는 구간을 나눌 필요가 있는 어떤 값을 조절하는 노브로 이용할 수 있습니다.

가변 저항은 수작업으로 어떤 값의 변화를 주어야 하는 상황에서 사용되는데, 스피커의 볼륨 조절 장치가 대표적인 사례입니다. 차량, PC, TV 등 음향기기의 볼륨을 조절하기 위한 목적으로 이용되는 가변 저항은 저항값 변화와 음압의 크기를 매칭시켜 노브의 움직임에 따라 그 크기를 조절할 수 있게 만든 것입니다.

가변 저항 기호(좌), 가변 저항(우)

가변 저항은 트랜지서터처럼 3개의 핀이 달려 있는데 전원과 접지, 그리고 신호선을 나타냅니다. 가변 저항의 노브를 돌리면 저항값의 변화가 생기는데 이 변화에 따라 신호선에서의 출력이 달리 측정됩니다. 노브가 회전하며 가변 저항 내부의 저항 성분을 조절하여 저항값이 바뀌는 구조입니다. analogRead( ) 함수를 이용하면 아두이노에서는 5V 전원 입력에 대해 0~1023까지의 ADC값으로 구분할 수 있습니다. 이 값을 활용하여 구간을 나누거나 스위치로 활용하게 됩니다.

가변 저항을 사용한 간단한 예제로 가변 저항 값의 변화를 모터 출력에 대응시키는 애플리케이션이 있습니다. 아두이노로 입력되는 가변 저항 값이 0~300일 때는 모터를 낮은 속도로 구동시키고 301~700일 때는 중간 정도의 속도, 701~1023에서는 최대 속도로 작동시킵니다. 이렇게 가변 저항으로 나뉘는 구간이 수 개 수준으로 많지 않다면, 몇 개의 구간을 나누고 조건문을 적용하는 방법이 있고, 스피커의 볼륨 구간과 같이 수십개의 구간이 된다면 맵 함수 수치 별로 대응시켜 코딩하는 방법도 고려할 수 있겠습니다.

 

이번 포스팅까지로 해서 소자 부품에 대해 알아보았습니다. 기계도 부품이 많은데 전기, 전자부품들도 만만치 않은 것 같습니다. 공부해야할 것이 너무 많은 것 같습니다. 하나하나씩 배워가다보면 익숙해 지는 날이 올거라 생각하며 이만 포스팅을 마무리 하겠습니다.

하루하루 행복하세요.