『ROBOT 이론/실무 정리』

• 레귤레이터
  -. 직류 전압을 직류 전압으로 변환해 주는 부품.(DC/DC 컨버터)
  -. 높은 전압을 낮은 전압으로 변환해 주는 부품.(레귤레이터)

비용, 보드의 크기, 효율, 발열 등 다양한 요소에 따라 IC를 선정할 수 있다.

자신이 생각하는 우선 순위를 정하고 IC를 정하도록 하자.

• 레귤레이터 종류
  
  1. 리니어 레귤레이터 (ex. LM7805)
  - 장점: 비용↓, 부품 수↓, 노이즈↓
  - 단점: 효율↓, 발열↑, 강압 컨버터만 사용
  
  2. 스위칭 레귤레이터 (ex. LM2596)
  - 장점: 효율↑, 발열↓, 다양한 역할
  - 단점: 비용↑, 부품 수↑, 노이즈↑

IC 부품의 크기는 모두 작지만 리니어 레귤레이터의 경우 높은 발열과 낮은 효율로 사용을 하지 않는다. 또한, 입력과 출력의 전압차가 높으면 그만큼 손실이 높기 때문에 효율이 나빠진다. 하지만 낮은 전력의 보드를 개발한다면 리니어 레귤레이터를 사용해도 되지만 추천하지 않는다.

따라서 개발보드에 DC/DC 컨버터를 추가할 때는 주로 스위칭 레귤레이터를 사용한다.

직류 전압의 경우, 대문자 V로 작성하고 직류를 표시하기위해 VDC라고 표기하기도 한다.

전압의 레벨은 일반적으로 산업용으로 사용하는 경우 24V, 기본적인 회로의 전압은 5V, MCU의 전원은 3.3V를 사용한다.

• LDO?

LDO란 Low Dropout의 약자로, Input, Output 전위차가 낮을 때 사용되는 리니어 레귤레이터이다.

보통 전위차가 1V이하일 때 높을 효율을 위해 사용된다.(0.5V이상 차이일 때 사용)

예를 들어 5V의 전압으로 3.3V를 만들때도 LDO가 사용된다. 일반 레귤레이터의 경우 2V 이상 전위차가 있어야 사용가능하다. 예시 IC 부품으로 LM1117-3.3이 있다.

• 레귤레이터 IC 선정 방법

스위칭 레귤레이터를 사용 시, TI 사의 IC를 많이 사용한다. 그 이유는 TI 홈페이지에서 원하는 입력, 출력 스펙을 작성하면 시뮬레이션과 부품, 회로도를 만들어주기 때문이다.

예시를 들어 IC를 선정해보도록 하겠다.

입력 24V, 출력 5V이며 전류는 2A로 설정하였다.

참고) 출력 전압 5V, 전류 2A의 전압을 사용하고 싶다면 전력 P는 10W로 계산된다. 따라서 입력전력은 10W보다 높은 전력을 가지고 있어야된다. 따라서 입력 24V라면 10/24A = 0.42W의 전력을 사용해야한다는 것을 기억해야할 것이다. 항상 얼마만큼의 전력을 사용했고, 남아있는지를 생각하자.

1. TI - Power Designer에 접속한다.
https://webench.ti.com/power-designer/switching-regulator

2. Input에 입력 전압의 최소, 최대 값을 입력한다. (입력 전압은 최소 ±10%의 범위를 가져야한다.)
Output에 출력 전압과 최대 전류를 입력한다.

3. 회로도를 확인하고 여러 요소를 고려하여 한가지를 선택한다.
효율은 90%이상을 선호하며, BOM Cost(부품 비용), Footprint(회로 면적) 등을 고려하여 선정한다.

4. 선택을 하면 아래와 같은 팝업창이 나타난다.

해당 화면에서 우측하단의 'CUSTOMIZE DESIGN'을 통해 부품들의 성능과 대체품을 개별로 확인할 수 있다.
또한, 상단 탭을 이용하여 BOM과 여러가지 그래프를 확인할 수 있다.

5. 이미지를 참고하여 회로도를 그리면 되지만 주의사항이 있다.
-. 전압분배를 사용해 전압 강하를 하는 Rfbt, Rfbb 저항은 F등급(1%)을 사용하기를 추천한다.
-. 입력과 출력에 커패시터를 추가한다. 입력 전압이 안정적이지 않고 리플있을 수 있으며, 순간적으로 전압이 출력될 때 충전해둔 전하를 사용할 수 있기 때문이다.

6. 입력, 출력 전압에서 사용하는 캐패시터의 경우, 사용 전압의 두 배이상이 되는 정격전압을 사용하는 것이 좋다.

예를 들어,
5V의 사용 전압에서는 10V, 16V의 정격전압,
24V의 사용 전압에서는 50V의 정격전압의 커패시터를 사용하도록 한다.

▶WHAT

• 트랜지스터(Transistor) -> 이동, 변하다(Transfer) + 저항(Resistor)
  - 사용목적: 신호 증폭, 전류 스위칭
  - 종류: BJT(NPN, PNP), FET(N채널, P채널)

트랜지스터의 용도는 스피커 소리를 높일 때 사용할 수 있으며, LED를 ON/OFF할 수 있는 제어에 사용할 수 있다.

여러 종류가 있지만 역할에 따라 BJT, FET 트랜지스터를 많이 사용한다.

• 부품 핀 이름
  - 이미터(Emitter: E)
  - 베이스(Base: B)
  - 콜렉터(Collector: C)

종류① - NPN형

종류② - PNP형

NPN과 PNP는 표기 화살표의 방향이 다르다.

N과 P의 모양을 확인하여 외울 수 있다.

트랜지스터의 동작원리는아래 링크를 통해 전하의 움직임으로 잘 설명되어있는 영상을 확인할 수 있다.

Transistors, How do they work ?

* 추가 내용)

참고로 PNP, NPN 중 어떤 사양의 트랜지스터를 사용할지, 어떤 사양의 센서를 사용할지 고민이 많을 수 있다.

보통 아래와 같이 지역에 따라 관례처럼 흔히 사용하는데, CE 인증품을 만든다고 하면 PNP로 구성하면 된다.

이는 설계자의 컨셉에 따라 달라질 수 있으니 유념하기 바란다.

★ 유럽, 미국 - PNP

★ 한국, 일본 - NPN

▶HOW

트랜지스터는 스위칭 역할에 많이 사용된다. 그 중 간단하게 LED, 릴레이와 같은 소자의 전원을 ON/OFF 제어하기 위한 용도로 많이 사용된다.

물론 ON/OFF 제어를 컨트롤러(ex. MCU, PLC 등)를 사용하여 직접 제어할 수 있지만, 해당 핀의 부하를 줄이기 위해 TR을 연결하여 제어하도록 권장한다.

① LED ON/OFF하기
TR을 사용하지 않고 직접 LED를 ON/OFF할 수 있지만, MCU의 경우 LED의 역전류로 인해 손상을 입힐 수 있으니 TR을 함께 사용할 것을 추천한다.

흔히 부하, Load라고 입력된 부분에 LED와 저항을 넣으면 된다.

주로 Collector에 부하를 연결한다.

Bias를 줄이기 위해 Control 출력단자에 저항을 추가한다.

LED와 함께 있는 저항은 TR과 부하사이에 위치하도록 한다.

난이도 하)

-. 트랜지스터의 가운데 핀에 신호를 연결하여 LED를 켜고 끌 수 있다.

난이도 중)

-. Base의 전압을 5V, 0V 제어하여 LED를 제어할 수 있다.
-. NPN형은 E보다 B의 전압이 클 때 C에서 E로 전류가 흐른다.
-. PNP형은 E보다 B의 전압이 작을 때 E에서 C로 전류가 흐른다.

난이도 상)

-. NPN TR의 경우, Emitter보다 Base의 전압이 0.6V이상일 때 High가 된다.

-. PNP TR의 경우, Emitter보다 Base의 전압이 0.6V이하일 때 High가 된다.

② 디지털 센서 출력받기(Digital Sensor Output Data)

아날로그 센서가 아닌 디지털 센서를 사용 시, 위의 회로를 참고할 필요가 있다.

본인이 제작한 회로가 아닌 PLC 등 외부장치를 사용한 경우에는 위와 같이 기준이 되는 COM이라는 포트를 사용하게 된다.

NPN형이든 PNP형이든 어떠한 외부장치를 연결할 수 있도록 개발된 것이다.

따라서, NPN 출력형은 기준점을 VCC('1')로 잡아 Low('0')신호로 제어를 하고,

PNP 출력형은 기준점을 GND('0')로 잡아 High('1')신호로 제어를 한다.

예를들어,

국내 한영넉스의 포토센서 제품으로 NPN/PNP형 센서의 차이를 볼 수 있다.

아래 이미지와 같이 NPN 또는 PNP 출력을 선택하여 제품을 선정할 수 있다.

포토센서를 연결하고자하는 제품의 사양을 숙지하고, High/Low 중에 어떤 신호로 제어할지 선택하면 된다.

추가로,

스위치 역할을 하는 TR의 위치에 따라 High-side, Low-side라고 부를 수 있다.

'① LED ON/OFF하기'에서 설명한 것과 같이 High, Low 신호의 따라 출력을 내보낼 수 있다.

또한, '한 개의 전압레벨을 사용하는가? / 2개 이상의 전압레벨을 사용하는가?'등의 사용 역할에 따라 선택하면 된다.