[그림 3.1.1] 2채널 디지털 오실로스코프 및 프로브

본 교재에서는 Agilent사의 DSO3000시리즈의 2채널 스코프를 기준으로 설명한다. 프로브는 측정하고자 하는 파형의 위치에 프로브 팁을 접촉하고 오실로스코프에 연결하여 파형을 측정하게 한다.

숫자를 표기하는데 많이 사용되는 장치로 7세그먼트가 있다. 이것은 7개의 선과 하나의 점으로 구성되어 있는데 주로 아라비아 숫자 0~9와 제한적으로 알파벳 등을 표시할 수 있다. 외형은 다음 그림과 같다.

7세그먼트는 내부 회로 구성에 따라 에노드 공통형과 케소드 공통형으로 나뉜다.

보통 부품을 정면을 바라봤을 경우 좌우로 각각 다섯 개의 핀들이 나와 있는데 핀 번호는 다음과 같다.

7세그먼트로 표시할 수 있는 숫자와 문자를 예로 들면 다음과 같다.

기본적인 회로는 만약 5V 전원을 이용한다면 다음과 같이 꾸밀 수 있다.

(주의) 실험에 사용되는 S-3191CSR의 핀 배열은 일반적인 경우와 약간 다르다. 위의 그림대로 결선하면 된다.

이 회로대로 결선하면 7세그먼트의 모든 LED가 빛을 내게 된다.

[그림 1.1.9] 다양한 소재의 고정저항

 저항은 고정저항, 가변저항, 어레이 저항으로 구분할 수 있다. 고정저항은 항상 일정한 값을 갖지만 가변저항은 일정 범위 내에서 저항값을 바꿀 수 있다. 어레이 저항은 고정저항의 일종으로 디지털 회로 등에서 동일한 크기의 저항을 대량으로 사용할 때 이용하기 용이하도록 여러 개의 저항을 하나로 묶어 놓은 형태를 갖는다. 또한 소재에 따라 탄소피막저항, 금속피막저항, 산화금속피막저항, 권선형저항, 시멘트저항, 세라믹저항 등으로 구분된다.

1) 탄소피막저항 : 양산화에 의해 가격이 싸며, 높은 저항치를 소형으로 제조 가능하기 때문에 고정밀도나 대전력이 아닌 모든 경우에 가장 많이 사용되고 있다.

• 저항범위 : 1.0Ω ∼ 100MΩ

• 전력범위 : 1/8W, 1/4W, 1/2W

2) 금속 피막 저항 : 정밀한 저항이 필요한 경우에 가장 많이 사용하며 특히 고주파 특성이 좋아 디지털 회로에 널리 사용되지만, 단점은 가격이 비싸다는 점이다.

• 저항 범위：20Ω ∼ 2ＭΩ

• 전력 범위：1/8Ｗ,1/4Ｗ,1/2Ｗ

3) 산화금속피막 저항 : 소형이면서도 큰 전력에 견딜 수 있으며 열에 강하기 때문에 전원회로 등에 널리 쓰인다.

• 저항 범위：10Ω∼100ｋΩ

• 전력 범위：0.5Ｗ,1Ｗ,2Ｗ,3Ｗ

4) 권선형 저항 : 금속저항선을 세라믹 로드와 같은 권심에 감아서 일정한 저항 값을 갖도록 만들어서 정밀한 저항 값을 갖으며, 고온과 습도에 우수한 특성을 갖는다. 주로 계측기에 사용하고 있으나 고저항값을 얻기 힘들다.

• 저항 범위：0.1Ω∼200ｋΩ

• 전력 범위：1/8W∼2W

5) 시멘트 저항 : 온도와 습도로부터 저항기를 보호하기 위하여 저항체를 시멘트 몰드에 넣어 만든 저항으로써 내전압 특성이 우수하며 고온에도 잘 견디므로 주로 대전력을 다루는 부분에 사용된다.

6) 가변저항 : 볼륨형 가변저항과 반고정 가변저항이 있으며, 볼륨형이라는 단어는 오디오의 볼륨 조절과 같이 기기의 외부에 손잡이를 두고 항상 조절 가능한 형태의 저항을 나타낸다. 반고정 가변저항은 볼륨형 저항과 달리 대부분 회로 기판에 직접 장착되며 회로의 동작점을 미세조정할 때 사용된다.

[그림 1.1.10] 다양한 가변저항들

7) 네트워크 저항은 부품의 집적도를 높이기 위해 여러 개의 저항을 하나의 패키지 안에 넣고 저항 네트워크를 구성한 것으로 칩 형태와 다리를 갖는 형태의 어레이 저항이 있다.

[그림 1.1.11] 네트워크 저항

 저항에 따라 전력 용량이 다르기 때문에 회로의 저항에서 소모되는 전력을 확인하고 용량에 맞는 저항을 선택하여야 한다. 실습에서의 대부분의 회로는 매우 작은 전력만을 저항에 흘리므로 1/4W나 1/8W정도의 저항이면 충분하다. 저항은 극성이 없이 사용된다.

[표] 대표적인 도체의 상온에서의 전기전도도

 절연 물질은 전류의 흐름이 매우 약한 물질이며 전류의 흐름이 요구되지 않는 곳에서 전류의 흐름을 막기 위해 사용된다. 도체와 비교하여 절연체는 거의 자유전자를 갖고 있지 않다.

[그림 1.1.8] 전선의 구조. 도체를 부도체가 감싸고 있다.

 반도체는 가해지는 전압의 요건에 따라 전류가 흐르거나 그렇지 않기도 하는  독특한 성질을 가진다. 몇몇의 반도체 물질들은 다이오드(diod), 트랜지스터(transister) 같은 현대 전자 소자의 기본이 된다. 실리콘과 게르마늄이 가장 보편적으로 사용되는 반도체 물질이다. 순수한 상태에서는 부도체와 비슷하지만 불순물의 첨가나 기타 조작에 의해 전기전도도가 늘어나기도 한다.

 전압을 발생시키는 휴대용 기기의 전압원으로 전지가 널리 사용된다. 전지의 종류별 전압을 예를 들어 도시하면 [그림 1.1.4]과 같다.

[그림 1.1.4] 건전지의 종류

건전지의 경우 양극과 음극이라는 두 지점에 정해진 전압이 걸려 있다. 예를 들어서 AA 건전지는 1.5V이다. 음극보다 양극의 전압이 1.5V 높다는 것이다. 만약 양극과 음극을 전도체로 연결한다면 전류가 양극에서 음극으로 흐르게 된다.

1.1.3 전류

 전류는 전자의 흐름이다. 도체에는 자유전자들이 존재한다. 전자는 음의 성질을 띄고 있으므로, 전압이 걸리면 자유전자들은 자유로이 움직이던 움직임을 멈추고 양극(+)쪽으로 힘을 받아 움직이게 된다. 이것이 전류이다. 전류의 단위는 Ampere(Amp, A)이다. 즉, 전류는 전자들의 흐름이며 전자들은 사실 음극(-)에서 양극(+) 방향으로 흐르지만, 전류가 처음 정의될 때 전류는 +방향에서 -방향으로 흐른다고 정의되었다. 따라서 정의상, 도체에 전압이 걸리면 양극(+)에서 음극(-)으로, 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전류가 흐르게 된다.

[그림 1.1.5] 도체 양단에 전압이 인가되었을 때 높은 전위로 흐르는 전자들

 모든 물체들이 땅으로 떨어지고 싶어하듯이, 전류는 전기적 에너지가 낮은 쪽으로 흐르고 싶어한다. 모든 전기/전자제품은 이 힘을 이용하는 것이다.

[그림 1.1.6] 전류의 방향 (a) 회로 (b) +전극 부근 (c) -전극 부근

위 그림과 같이 건전지를 전구에 연결하면 전류가 흐르면서 에너지를 소비하는데 전구는 주로 빛과 열로 소비하게 된다. 전류의 방향과 실제 전자의 방향은 반대이지만 전기 회로를 해석하는데 있어서는 주로 전류의 방향 만을 다루게 된다.

이 중에서 수소 원자는 가장 간단한 결합이며, 다음 그림의 (a)와 같이 단순히 원자핵과 1개의 전자로 구성되어 있다.

[그림 1.1.2] 원자핵과 전자의 결합

이러한 수소의 원자핵을 양성자(proton)라 한다. 그러나, 다른 원자핵의 구조는 수소와 같이 간단한 것이 아니며 위 그림의 (b), (c)와 같이 바깥쪽을 돌고 있는 전자와 같은 수의 양성자와 전기를 전혀 가지지 않은 중성자(neutron)로 구성되어 있다.

 여기서는 전기를 이해하는 데 가장 중요한 양성자와 전자에 대해서만 설명하기로 한다. 현재로는 전자와 양성자에 관하여 다음의 성질이 알려져 있다.

1. 양성자는 양(+)전하, 전자는 음(-)전하를 가지고 있으며, 같은 종류의 전하를 가진 것은 서로 반발하고, 다른 종류 간은 서로 끌어당긴다.

2. 전자의 질량은 매우 적으며 (9.10955×10-31kg), 양성자는 전자보다는 매우 무겁고 ( 1.67261×10-27kg), 전자의 약 1,840배다.

3. 한 개의 전자와 양자가 가지는 음전기와 양전기의 양의 절대값은 같다. (1.60219×10-19 C)

이와 같이, 양성자와 전자를 가진 모든 물질은 같은 수의 전자와 양자를 가지고 있으므로 서로 중화되어, 외부에는 전기의 성질을 나타내지 않는 중성(neutral) 상태에 있다.

 그리고, 금속의 경우는 원자핵을 돌고 있는 전자 중에서 가장 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자는 원자핵과의 결합이 약하므로, 이들 전자는 원자핵을 떠나서 물질 안에서 자유로이 움직이는 성질이 있다.

[그림 1.1.3] 도체 내부에서 자유전자의 자유로운 이동

이와 같은 전자를 자유 전자(free electron)라고 한다. 전기의 여러 가지 현상은 거의 이들 자유 전자의 작용에 의한 것이다.