4. 비트처리 하드웨어 : 릴레이, 진공관, 트랜지스터, 논리게이트

릴레이

릴레이는 내부에 전자석을 포함하고 있다. 따라서 전류를 흘려주면 자성을 띄어서 주변에 있는 철편을 끌어당겨서 스위치 역할을 한다.

릴레이는 아래 회로의 사진에서 우측 표시부와 같이 회로에서 표기된다. 해당 회로의 예시는 만약 모터에 과전류가 흐르면 13, 14번 접점에 전류가 흐르면서 자동으로 고장상태를 표시하게 된다.

source : https://skystar7.tistory.com/entry/릴레이Relay에-대하여

 

 

전자기 릴레이는 일반적인 전기 기계식 릴레이로 반응 속도가 느리며, 노이즈가 발생한다. 반도체 릴레이는 SSR, 솔리드 스테이트 릴레이, 무접점 릴레이라고도 불린다. 전자기 릴레이보다 반응속도가 빠르며 전기적 노이즈가 적다. 움직이는 부품이 없는 형태이기 떄문에 기계적 마모가 발생하지 않으며 소음도 적다. 그러나 닫혔을 때 저항이 높고 열렸을 때 역으로 새는 전류가 존재하며 비싸다.

전자기 릴레이와 무접점 릴레이

source : https://m.blog.naver.com/roboholic84/220460268471

 

 

---

 

진공관

진공관은 음극을 히터로 가열할 때 음극(Cathode)에서 방출되는 전자가 진공으로 된 유리관을 통해 양극(Anode)에 도달하면 전류가 흐르는 구조이다. 여기에 제어를 위해서 그리드라는 전극을 넣어준다. 보통 그림은 음극과 양극 사이의 점선으로 표시하는데, 실제로는 음극을 가느다란 도체로 그물처럼 감아서 사용한다고 한다.

그림(b)에서와 같이 (-) 전압을 걸어서(이것을 바이어스 , bias라고 부른다) 전자가 전압에 의해 척력이 발생하여 양극에 도달하는 양을 줄여줄 수 있다. (-) 전압이 충분히 커지면 히터에서 가열을 하더라도 전자가 양극에 도달하지 못해서 전류가 흐르지 않게 된다. 이와 같이 그리드를 통해 양극에 흐르는 전류를 제어할 수 있기 때문에 컨트롤 그리드라고도 부른다. 그리드는 음극에 매우 근접해있으므로 (-) 전압을 작게 걸어줘도 큰 양극 전류를 제어할 수 있다. 작은 전압으로 큰 전류를 제어할 수 있으므로 이것을 증폭 작용이라고 할 수 있다.

 

 

 

진공관과 로드라인

3극관은 그리드 전압인 Eg에 따라 양극 전류 Ip가 흐르기 위한 양극 전압 Ep가 결정되는 방식이다.

 

아래와 같이 50kΩ의 저항, 200V의 전원 전압이 있는 회로를 생각해보자. 만약 양극전류가 Ip = 4mA가 흐른다고 가정한다면 옴의 법칙에 의해서 저항에 걸리는 전압은 4mA x 50kΩ = 200V가 된다. 다시 말해 진공관에 걸리는 전압 Ep = 0V인 것이다. 이것을 Ip와 Ep의 관계 그래프로 아래 그림과 같이 표현할 수 있다(점A). Ip=0mA, Ip=2mA일 때 각각 점을 찍어보면 점B, 점C로 표현된다. 그리고 이 선들을 이으면 해당 전압과 전류를 사용하는 회로의 로드라인을 그릴 수 있다.

이제 빨간곡선인 진공관의 특성 그래프를 함께 그려보면, 로드라인과 특성 그래프의 교점이 생기고 이 점들이 이 회로에서의 진공관의 동작점이 된다. 그리드 전압이 0 → -2V로 증가하면 양극전압 Ep가 36 → 66V로 30V변화하므로 15배 전압이 증폭되는 것을 확인할 수 있다.

source : https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=phil7724&logNo=220537133627

---

 

 

트랜지스터

 

진공관은 릴레이보다는 작동이 빠르지만, 히터가 필요하고 매우 뜨거워서 깨지기도 쉽다. 따라서 안정적이고 움직임이 없는 전기 밸브를 만들기 위해서 트랜지스터가 탄생했다.

트랜지스터로 가장 많이 사용하는 종류가 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, 전계 효과 트랜지스터)이다. 이것은 전자가 적은 p-type 실리콘 기판 위에 전자가 많은 n+층을 만들고, 중간에 SiO2의 산화막으로 절연막을 만들어서 구성한다.

이 상태에서 게이트에 전압을 가해 p-type에 있는 전자들이 Channel region으로 끌려나오면 전자의 Channel이 형성되면서 전류가 흐르게 된다.

위와 같은 형태로 구성할 경우 전류가 Drain → Gate → Source로 흐르기 때문에 전자는 그와 반대로 움직인다. 따라서 전자를 제공하는 쪽이 Source, 받아들이는 쪽이 Drain으로 표기된다. 이와 같이 npn 트랜지스터 구조를 생각했을 때, 전자를 기준으로 전자를 제공하는(내보내는) 쪽을 이미터(Emitter), 받는 쪽을 컬렉터(Collector), 게이트를 베이스(Base)라고 부르기도 한다.(무조건 이런 것이 아니므로 유의)

 

 

트랜지스터 작동원리

반도체의 작동원리는 잘 설명해놓은 자료가 많으므로 간단하게만 짚고 넘어간다. P-N 접합에 P형 부분에 양전압을 걸어주면 중앙의 공핍층이 좁아지면서 전류가 흐르게 된다.

역방향 전압을 걸면 공핍층이 넓어지면서 전류가 흐르게 않게 되지만, 항복 전압을 넘어서게 되면 많은 양의 전류가 흐르면서 p-n 접합 다이오드가 파괴될 수 있다. 이 항복전압의 정도는 불술문의 농도에 따라 조절 가능하며 다이오드의 종류에 따라 10~1000V로 다양하다.

p, n형 반도체 2개가 결합해서 만들어진 것이 다이오드이고, 3개가 결합한 것을 트랜지스터라고 한다. npn, pnp 형이 있고 표기 방식은 아래와 같다.

 

트랜지스터의 전류 증폭

다이오드에 순방향 전압을 걸때의 원리와 같이, npn형의 트랜지스터에 순방향 전압을 건다고 생각해보자. 좌측 N형의 이미터에 -전압이 걸리고, P형 베이스에 +전압이 걸리도록 하면된다. 이렇게 하면 N-P간 공핍층의 두께가 얇아지면서 전류가 흐를 것이다. 그런데, P-N 사이에는 역방향 전압을 걸어준다. 즉 베이스에 +, 컬렉터에 - 전압을 걸어주는 것이 아니라 베이스에 건 + 전압보다 고전압의 + 전압을 컬렉터에 걸어준다. 베이스-컬렉터간 공핍층을 증가시키는 것 같지만, 이미터-베이스간 전류가 이미 잘 흐르고 있는 상황에서는 오히려 이미터→ 베이스 → 컬렉터 방향으로 전자가 이동하는 것을 도와서 전류가 잘 흐르게 된다.

 

source : https://m.blog.naver.com/wjdendyd100/220820302979

---

 

 

다이오드, 트랜지스터와 논리게이트

 

논리게이트란 연산을 하는 전자회로의 기본 구성 요소이다. 앞서 배운 다이오드나 트랜지스터를 응용하여 논리적 표현을 할 수 있도록 하는 기본단위이다. 논리 게이트는 보통 2개의 입력과 1개의 출력으로 구성된다. 다만, NOT 게이트는 1개의 입력과 1개의 출력으로만 구성된다.

논리게이트는 게이트에 가하는 전압값으로 표현되며 보통 LOW 논리레벨은 OFF 또는 0V로 표현된다. High 논리 레벨은 ON 또는 +3이나 +5 V로 표현된다.

 

다이오드 논리게이트

 

OR 게이트

OR게이트는 2개의 다이오드로 구성할 수 있다. 아래 그림에서 2 개의 다이오드 중 하나에 +5V가 공급되면 전원이 공급된다. 저항 R의 아랫부분에 접지가 있기 때문에 +5V - 0V인 5V의 전원이 공급되는 것이다. X, Y 방향에서 다이오드에 순방향 바이어스로 +전압을 가해주어 전류가 흐르게 한다. 이때, 전류는 저항이 낮은 곳으로 흐를려는 성질이 있으므로 X나 Y중 한 곳에만 전압이 입력되면 저항이 있는 R 쪽으로는 전류가 흐르지 않고 Z 쪽으로 전류가 흘러 출력이 되는 것이다. OR게이트는 수학의 Z = X + Y와 같으며 약간 둥근 삼각형으로 표현한다.

 

 

AND 게이트

OR 게이트와 마찬가지로 2개의 다이오드가 병렬로 연결된다. 그리고 V의 전원 전압이 저항 R을 통해서 공급된다.

여기서 유의할 점은 AND 게이트는 X, Y의 입력이 역방향 바이어스로 걸린다는 것이다(다이오드는 삼각형 부분이 p형, 세로 직선 부분이 N형의 p-n접합이다). 아래 우측 그림에서 A나 B중 1개라도 역방향 바이어스가 걸려서 저항이 생기면, 저항이 적은 나머지 방향으로 전류가 흐르게 되어 출력인 Z쪽으로 전류가 흐를 수 없게 된다. 오직 A, B(X, Y) 두 다이오드 모두 역방향 바이어스가 걸려서 저항이 생길때만 Z쪽으로 출력이 발생한다.

 

 

트랜지스터 논리 게이트

 

NOT게이트

NOT 게이트는 단순하다. Low 입력이 들어가면 출력은 High값이 된다. High 입력이 들어가면 출력은 Low가 된다. 게이트의 입력 X에 0V가 인가되면 트랜지스터에 역방향 바이어스가 걸린채로 전류가 흐르지 않으므로 전원 +5V가 출력부 Z로 출력되어 Low 입력에 대해 High 출력이 나온다. 반대로 X에 +5V가 가해지면 트랜지스터에 순방향 바이어스가 걸려서 접지부로 전류가 흐르게 되며 Z 출력은 Low가 된다.

 

 

NAND 게이트

NAND는 NOT + AND 이다. 즉 입력값이 둘 다 true일때만 출력값이 false가 된다. 원래 AND는 입력이 둘다 true 일때 출력이 true이므로, 출력값만 뒤집은 것이라고 생각하면 된다. 2개의 다이오드에 High가 걸리면 역방향 바이어스에 의해서 전류는 트랜지스터쪽으로 흐른다. 트랜지스터의 게이트에 전압이 걸려서 전류가 접지부로 향하게 되면, 출력부인 Z에는 전류가 흐르지 않게 될 것이다.

 

 

NOR 게이트

 

NOR 은 NOT + OR이다. 입력값 둘 중 하나라도 true이면 출력값이 false가 된다. 회로도, 진리표 및 논리 기호는 좌측 그림과 같다.

 

 

 

이상으로 다이오드 및 트랜지스터로 구성한 논리 게이트에 대해 알아보았다. 논리 게이트에서 가장 단순한 회로는 NAND나 NOR이다. NAND나 NOR는 트랜지스터를 2개(transistor-transistor logic, TTL) 또는 4개(CMOS, complementary metal oxide semiconductor : n채널, p채널 MOSFET을 쌍으로 묶어 사용하는 형태) 사용한다. AND 나 OR은 트랜지스터 형태로 사용하는 경우 NAND나 NOR 회로 출력에 트랜지스터를 덧붙여서 출력을 반전시켜야 하기 때무넹 더 비싸고, 반응속도도 느리고, 전력도 더 많이 소모된다. 따라서 디지털 회로 설계 시 가장 기본으로 사용하는 게이트는 NAND, NOR이다. 그래서 이 게이트들을 Universal gates라고도 부른다. 논리 기호에서 AND, OR은 출력에 출력을 반전시켜 주는(NOT) 원이 붙어있다.

 

source : 모두가 꿈꾸는 따뜻한 세상을 향하여

source : 전자 쟁이의 이런 저런 지식 세상

 

---

 

참조

 

1. [책] 한 권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍