기본 전자 회로 구축 소개
솔더리스 브레드보드, 퍼포보드, 단자 스트립, 인쇄 회로 기판은 모두 간단한 전자 회로를 구축하는 데 탁월한 기판입니다. 상업적 환경에서의 생산 프로토타입 제작, 취미인 또는 메이커 회로 개발, 그리고 전기 회로 교육을 위한 교실에서 사용할 수 있습니다.
전기에 대해 배우는 동안 저항기와 배터리를 사용하여 자신의 회로를 구성하고 싶을 것입니다. 이 섹션에서는 이 장에서 보여지는 회로와 더 고급 회로를 구축하는 데 도움이 되는 몇 가지 제작 기술을 살펴보겠습니다.
회로 구축을 위한 악어 클립 점퍼 와이어 사용
우리가 만들고자 하는 것이 단일 배터리, 단일 저항 회로일 뿐이라면 그림 1에서처럼 악어 클립 점퍼선을 쉽게 사용할 수 있습니다.
각 끝에 "악어" 스타일 스프링 클립이 있는 점퍼 와이어는 구성 요소를 전기적으로 연결하는 안전하고 편리한 방법을 제공합니다.
반면, 배터리 1개와 저항기 3개를 사용하여 간단한 직렬 회로를 구축하려는 경우 그림 2에서와 같이 점퍼선을 사용하는 동일한 "지점 간" 구성 기술을 적용할 수 있습니다.
그러나 이 기술은 점퍼 와이어의 어색함과 연결부의 물리적 취약성으로 인해 더 복잡한 회로에는 비실용적일 수 있습니다.
전자 회로 조립을 위한 솔더리스 브레드보드 사용
취미가 있는 사람을 위한 보다 일반적인 임시 건축 방법은 납땜이 필요 없는 브레드보드 (종종 브레드보드라고 함) 를 사용합니다 . 브레드보드는 수백 개의 스프링 로드 연결 소켓이 삽입된 구성 요소 및/또는 22게이지 단선 와이어 조각을 연결하는 플라스틱으로 만든 장치입니다. 실제 브레드보드의 사진은 여기 그림 3에 나와 있으며, 대략적인 크기에 대한 맥락을 제공하기 위해 표준 필기구가 나와 있습니다. 그 아래 그림 4에는 간단한 직렬 회로에서 세 개의 저항기를 브레드보드에 구성하는 방법을 보여주는 그림이 나와 있습니다.
또한, 그림 4는 간단한 직렬 회로에서 3개의 저항기를 브레드보드에 어떻게 구성할 수 있는지 보여줍니다.
브레드보드 표면의 각 구멍 아래에는 삽입된 와이어나 구성 요소 리드를 잡도록 설계된 금속 스프링 클립이 있습니다. 이 금속 스프링 클립은 브레드보드 표면 아래에서 결합되어 삽입된 리드를 연결합니다. 연결 패턴은 그림 5와 같이 수직 열을 따라 5개의 구멍마다 결합되며 브레드보드의 긴 축은 수평으로 위치합니다.
그림의 주황색 선은 세트의 5개 구멍 사이의 전기적 연결을 나타냅니다. 각 5개 구멍 세트는 단일 전기 노드입니다.
따라서 와이어 또는 구성 요소 리드가 브레드보드의 구멍에 삽입되면 해당 열에 4개의 구멍이 더 생겨 다른 와이어 및/또는 구성 요소 리드에 대한 잠재적인 연결 지점을 제공합니다. 그 결과 임시 회로를 구성하기 위한 매우 유연한 플랫폼이 됩니다.
브레드보드에 직렬 회로 구축
예를 들어, 그림 4에 나타난 브레드보드의 3개 저항 직렬 회로 구현은 아래 그림 6에 표시된 연결을 사용하여 조립할 수도 있습니다.
브레드보드에 병렬 회로 구축
병렬 회로는 납땜 이 필요 없는 브레드보드에서도 쉽게 구성할 수 있습니다. 그림 7은 브레드보드에서 3개의 저항을 병렬로 구성할 수 있는 한 가지 가능한 구성을 보여줍니다.
표시된 방향으로 브레드보드의 길이를 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 이어지는 중앙 갭에 저항기를 배치하는 데 특별히 주의하세요. 이렇게 하면 저항기의 두 전기 노드를 서로 분리한 채로 수직 방향으로 저항기를 간단히 삽입할 수 있습니다.
브레드보드 사용의 한계
브레드보드를 사용하는 것이 얼마나 쉬운지에 관계없이, 브레드보드에는 한계가 있습니다. 무엇보다도, 브레드보드는 임시 건설에만 사용됩니다. 브레드보드를 집어 올리고, 뒤집어서 흔들면, 브레드보드에 꽂힌 모든 구성 요소가 느슨해져 해당 구멍에서 떨어질 수 있습니다.
둘째, 브레드보드는 상당히 낮은 전류(1 암페어 미만) 회로로 제한됩니다. 이러한 스프링 클립은 접촉 면적이 작아 과도한 가열 없이는 높은 전류를 지탱할 수 없습니다.
납땜 또는 와이어 래핑
더 큰 영구성을 위해 악어 클립이나 납땜이 없는 브레드보드에 간단히 삽입하는 것보다 납땜이나 와이어 래핑을 선택할 수 있습니다. 납땜 및 와이어 래핑은 구성 요소와 와이어를 어떤 구조에 고정하여 안전한 기계적 위치(예: 구멍이 뚫린 페놀 또는 유리 섬유 보드, 스프링 클립 연결이 없는 브레드보드와 매우 유사)를 제공한 다음 와이어를 고정된 구성 요소 리드에 연결하는 것을 포함합니다.
납땜은 주석/납 또는 주석/은 합금을 녹인 후 응고시켜 회로 기판 표면의 구리와 기계적, 전기적 접합을 제공하는 저온 용접의 한 형태입니다.
반면, 와이어 래핑은 작은 게이지 와이어를 리드나 구리 패드에 납땜하는 대신 구성 요소 리드 주위에 단단히 감는 것입니다. 감싼 와이어의 장력은 구성 요소를 서로 연결하는 건전한 기계적 및 전기적 접합을 제공합니다.
인쇄 회로 기판(PCB) 또는 퍼포보드
그림 8의 사진은 일반적으로 취미인이나 제작자가 사용하도록 의도된 인쇄 회로 기판 또는 PCB 의 예를 보여줍니다.
이 특정 유형의 PCB는 종종 퍼프보드 또는 퍼프 보드라고 불립니다. 솔더리스 브레드보드와 같이 규칙적으로 간격을 두고 구멍이 있어 구성 요소를 쉽게 배치할 수 있습니다.
그림 8은 이 퍼포보드 구리 면이 위를 향하게 한 예를 보여줍니다. 모든 납땜이 이루어지는 면입니다. 각 구멍은 납땜에 결합하기 위해 작은 구리 금속 층으로 링이 있습니다. 일부 퍼포보드는 상단과 하단에 모두 구리 링이 있어 양쪽에서 납땜을 할 수 있습니다.
위에서 논의한 솔더리스 브레드보드와 달리, 구멍이 5개 그룹으로 전기적으로 연결된 반면, 일반적인 퍼포보드의 모든 구멍은 서로 독립적입니다. 그러나 브레드보드와 동일한 5개 구멍 연결 패턴을 가진 PCB는 구매하여 취미용 회로 구성에 사용할 수 있습니다.
그 외에도 생산 PCB에는 페놀 또는 유리 섬유 기판 재료에 구리 흔적이 묻어 있어 회로에서 전선 역할을 하는 사전 설계된 연결 경로를 형성합니다. 이러한 보드의 예는 그림 9에 나와 있습니다.
그림 9는 가정용 벽면 소켓에서 120V 교류(AC) 전원을 가져와 저전압 직류(DC)로 변환하도록 설계된 AC-DC 전력 변환기 회로입니다. 이 보드에는 저항기가 있는데, 아래에서 위로 세어서 다섯 번째 구성 요소로 보드의 중앙 오른쪽 영역에 있습니다.
그림 10은 이 보드의 밑면을 보여주며, 부품을 서로 연결하는 구리 선과 부품을 결합하는 은색 납땜 흔적이 보입니다.
납땜 또는 와이어 래핑 회로는 영구적인 것으로 간주되므로 실수로 분해될 가능성이 낮습니다. 그러나 이러한 구성 기술은 때때로 너무 영구적인 것으로 간주됩니다. 누군가가 구성 요소를 교체하거나 회로를 실질적으로 변경하려면 연결 부분을 푸는 데 상당한 시간을 투자해야 합니다. 또한 납땜과 와이어 래핑에는 즉시 사용할 수 없는 특수 도구가 필요합니다.
터미널 스트립
산업계 전반에 사용되는 또 다른 대체 건설 기술은 단자대 (그림 11)입니다.
단자 스트립은 배리어 스트립 또는 단자 블록이라고도 하며, 여러 개의 작은 금속 막대가 내장된 비전도성 재료로 구성됩니다. 각 금속 막대에는 와이어 또는 구성 요소 리드를 고정할 수 있는 하나 이상의 기계 나사 또는 다른 패스너가 있습니다. 하나의 나사로 고정된 여러 와이어는 서로 전기적으로 공통이 되며, 같은 막대에 있는 여러 나사에 고정된 와이어도 마찬가지입니다.
그림 12에는 또 다른 유형의 단자 스트립이 나와 있습니다.
"유럽" 스타일이라고 하는 이 기술은 드라이버나 다른 금속 물체로 인해 단자 사이에 우발적인 단락이 발생하는 것을 방지하기 위해 움푹 들어간 나사를 사용합니다.
그림 13은 단자대에 3개의 저항을 갖춘 단일 배터리 직렬 회로가 구성된 모습을 보여줍니다.
단자 스트립이 기계 나사를 사용하여 구성 요소와 와이어 끝을 고정하는 경우, 새로운 연결을 고정하거나 오래된 연결을 끊는 데는 스크루드라이버만 있으면 됩니다. 일부 단자 스트립은 스프링 로드 클립을 사용합니다. 이는 브레드보드와 비슷하지만 견고성이 더 높아 스크루드라이버를 푸시 도구로 사용하여 결합 및 분리합니다(비틀림이 필요 없음). 단자 스트립에 의해 확립된 전기적 연결은 매우 견고하며 영구적 및 임시적 구조에 모두 적합한 것으로 간주됩니다.
회로도를 회로 레이아웃으로 변환
전기 및 전자공학에 관심이 있는 모든 사람에게 필수적인 기술 중 하나는 구성 요소가 동일한 방향으로 배치되지 않을 수 있는 실제 회로 레이아웃으로 회로도를 "변환"할 수 있는 능력입니다. 회로도는 일반적으로 최대 가독성을 위해 그려지지만(최대한 혼란을 주기 위해 스케치한 몇 가지 주목할 만한 예는 제외) 실제 회로 구성은 종종 다른 구성 요소 방향을 요구합니다. 단자 스트립에 간단한 회로를 구축하는 것은 동일한 연결 경로를 만들기 위해 와이어를 "늘리는" 공간 추론 기술을 개발하는 한 가지 방법입니다.
간단한 병렬 회로를 회로 레이아웃으로 변환
그림 14와 같이 단자대에 구성된 단일 배터리, 3개 저항 병렬 회로의 경우를 생각해 보겠습니다.
보기 좋고 깔끔한 개략도에서 실제 회로로 넘어가는 과정은(특히 연결할 저항기가 터미널 스트립에 선형으로 물리적으로 배열되어 있는 경우) 많은 사람에게 명확하지 않으므로 이 과정에서 단계별로 설명하겠습니다.
먼저, 깨끗한 회로도와 연결 와이어 없이 단자 스트립에 고정된 모든 구성 요소부터 시작합니다(그림 15):
다음으로, 배터리의 한 쪽에서 회로도의 첫 번째 구성 요소까지 와이어 연결을 추적하여 실제 회로의 동일한 두 지점 사이에 연결 와이어를 고정합니다. 그림 16에서 보여 주듯이 회로도의 와이어를 다른 선으로 오버드로잉하여 실제로 어떤 연결이 이루어지는지 나타내는 것이 도움이 될 수 있습니다.
이 과정을 와이어별로 계속하여 회로도의 모든 연결이 고려될 때까지 진행합니다. 공통 와이어를 SPICE와 같은 방식으로 간주하는 것이 도움이 될 수 있습니다. 회로의 공통 와이어에 대한 모든 연결을 한 단계로 만들고, 해당 와이어에 연결된 모든 구성 요소가 다음 단계로 진행하기 전에 해당 와이어에 연결되어 있는지 확인합니다.
다음 단계(그림 17)에서는 남은 두 저항기의 윗면을 서로 연결하고 이전 단계에서 고정한 와이어와 공통으로 연결합니다.
모든 저항기의 윗면이 (도식에 표시된 대로) 서로 연결되어 배터리의 양극(+) 단자에 연결되었으므로 이제 해야 할 일은 그림 18에서 보는 것처럼 아랫면만 서로 연결하고 배터리의 반대쪽에 연결하는 것뿐입니다.
일반적으로 전자 산업에서는 모든 전선에 번호 태그가 붙어 있고, 전기적으로 공통된 전선은 SPICE 시뮬레이션 에서와 마찬가지로 동일한 태그 번호를 갖습니다 . 이 경우 그림 19와 같이 전선 1과 2에 레이블을 붙일 수 있습니다.
또 다른 산업적 관례는 단자 스트립의 실제 와이어 연결 지점을 표시하기 위해 회로도를 약간 수정하는 것입니다. 여기에는 그림 20에서 볼 수 있듯이 스트립 자체에 대한 라벨링 시스템이 필요합니다.
스트립의 "TB" 번호(터미널 블록 번호)가 추가되었으며, 그 뒤에 스트립의 각 금속 막대를 나타내는 또 다른 번호가 추가되었습니다.
이런 식으로 회로도는 눈에 연결 배선이 아무리 복잡하고 꼬여 보여도 실제 회로에서 지점을 찾는 "지도"로 사용될 수 있습니다. 여기에 표시된 간단한 3저항 회로에는 과도해 보일 수 있습니다. 그러나 이러한 세부 사항은 특히 회로가 물리적으로 먼 거리를 가로질러 있고 두 개 이상의 패널이나 상자에 두 개 이상의 단자 스트립을 사용할 때 대형 회로의 구성 및 유지 관리에 절대적으로 필요합니다.
브레드보드, PCB, 단자 스트립을 이용한 전기 회로 구축 리뷰
- 납땜 이 필요 없는 브레드보드 는 플라스틱 보드의 구멍 줄 아래에 배치된 전기적으로 공통된 스프링 클립에 전선과 부품을 꽂아 임시 회로를 빠르게 조립하는 데 사용되는 장치입니다.
- 납땜은 납/주석 또는 주석/은 합금을 이용해 와이어와 부품 리드를 결합하는 저온 용접 공정으로, 일반적으로 부품은 유리 섬유 보드에 고정됩니다.
- 와이어 래핑은 납땜의 대안으로, 용접 접합부 대신 부품 리드 주위에 작은 규격의 와이어를 단단히 감아 부품을 연결하는 방식입니다.
- 퍼포레이티드 보드는 납땜 연결을 통해 회로를 빠르게 조립하는 데 사용할 수 있는 인쇄 회로 기판(PCB)의 한 유형입니다.
- 단자 스트립은 배리어 스트립 또는 단자 블록 이라고도 하며 , 회로를 구축하기 위해 구성 요소와 전선을 장착하는 데 사용되는 또 다른 장치입니다. 금속 막대에 부착된 나사 단자 또는 무거운 스프링 클립은 전선 끝과 구성 요소 리드에 대한 연결 지점을 제공합니다. 이러한 금속 막대는 플라스틱, 베이클라이트 또는 세라믹과 같은 비전도성 재료에 별도로 장착됩니다.