제1장 실험의 기초지식

목적
·실험공구, PCB기판, 브레드보드의 사용법을 익힌다.
·직류전원 공급기, 디지털 멀티미터의 사용법을 익힌다.

1.1. 실험도구
전기, 전자회로 실험에 자주 사용되는 공구 중 PCB기판 위에서 사용되는 회로 제작용 공구들의 이름과 용도에 대해 간략히 설명하면 표 1.1과 같다.

인쇄회로기판(PCB)
인쇄회로기판(PCB: printed circuit board)은 저항기, 콘덴서, 집적회로 등의 전자 부품을 기판의 표면에 고정하고 구리 배선으로 연결시켜 전자 회로를 구성하는 판이다. 그림 1.1은 두 가지 형태의 인쇄회로기판을 보여준다. 일반적인 PCB 기판은 그림 1.1(a)와 같이 리드선과 부품의 연결용 다리를 납땜할 수 있는 홈으로만 구성되어 있다. 이와 같은 기판은 회로구성을 사용자가 임의의 방향으로 할 수 있으며 가격이 저렴하지만, 전원과 접지선을 직접 구성해야 한다는 번거로움이 있다.
두 번째 형태는 그림 1.1(b)와 같이 납땜을 위한 홈들과 그 주위에 직선 형태로 깔려 있는 도선으로 구성되어 있다. 이와 같은 PCB 기판은 전원과 접지선을 직접 배선할 필요 없이 직선 형태로 깔려 있는 도선에 연결하여 사용할 수 있으며 사용이 편리하지만, 가격이 비싸다는 단점이 있다. 또한, 전원과 접지 사이의 거리가 가깝기 때문에 회로 구성시 단락(전원과 접지가 연결되는 현상)이 일어나지 않도록 각별히 주의해야 한다.

브레드보드(Breadboard)
어떤 회로를 만들기 위해 항상 PCB 기판에 일일이 납땜하고 수정하기 위해 납땜을 뜯어내는 일은 굉장히 번거로운 작업일 것이다. 이러한 번거로움을 덜기 위해 그림 1.2의 브레드보드를 사용한다. 브레드보드(Breadboard), 일명 빵판은 전자 회로를 설계, 제작하기 전에 모의실험을 위해 주로 사용하고 재사용할 수 있는 무땜납 장치이다. 그러므로 브레드보드를 이용하여 회로를 구성하는 경우, 한 부분에서 다른 부분으로 도선을 연결하기 위해 일일이 납땜을 하지 않아도 된다. 대신 특정 부분을 다른 부분과 연결하기 위해 리드선의 양 끝을 연결하고자 하는 부위의 홈에 넣어줌으로써 연결이 완성된다.
브레드보드의 내부 구성도는 그림 1.3에 나타나 있다. 브레드보드 위쪽에 가로로 연결된 파란색 선과 빨간색 선은 내부에 금속으로 연결되어있는 선입니다. 그 부분은 버스 부분이라고 부르며 빨간색은 (+) 전원선을 연결하고 파란색은 (-) 전원선을 연결합니다. 브레드보드 중간에 세로로 5칸씩 묶여있는 홈이 있는데 이 부분은 IC영역 또는 부품영역이라고 하며 회로 소자들의 핀을 꼽는 영역이다.
각각의 전기/전자 소자를 브레드보드에 삽입하기 위한 방법을 알아보자. 예를 들어 저항 1개를 전원에 연결한다고 가정하자. 세로로 5개씩의 홈은 한 줄로 연결되어 있기 때문에 저항의 양쪽 핀을 세로로 배치된 홈에 모두 삽입하면 저항은 단락된 상태가 된다. 이러한 실수는 회로의 소자가 소실되는 것뿐만 아니라, 안전사고로 이어질 수 있으므로 각별히 주의하도록 한다. 그림 1.4는 전원에 저항이 제대로 연결된 브레드보드를 보여준다.
그림 1.5는 집적회로(IC: integrated circuit) 소자가 올바르게 연결된 브레드보드를 보여준다. 양쪽에 핀이 있는 IC 소자를 세로로 꽂아서 핀끼리 단락되는 일이 없도록 주의해야 한다.

1.2. 직류전원 공급기

직류전원 공급기는 테스트 및 회로제작에 필요한 직류전원을 공급해주는 장치이며, 채널수에 따라 공급할 수 있는 전원의 수가 정해진다. 직류전원을 얻으려면 일반적으로 배터리와 같은 직류전원을 사용하면 되지만 직류전압의 크기가 변하는 경우의 회로 특성을 실험하기 위해서는 배터리만으로는 어렵다. 직류전원의 전압크기를 일정 범위 내에서 자유롭게 가변하여 공급하기 위해서는 아래의 그림 1.6과 같은 직류전원 공급기를 사용한다. 일반적인 직류전원 공급기는 2개의 직류전원을 공급할 수 있는 출력단자를 가지고 있다.
이제 전원공급기의 각 기능을 살펴보자. 본 교재에서는 GW Instek GPS-2303 모델을 기준으로 설명하며, GPS-2303 장비는 0~30V, 0~3A, 180W 가변전원 2채널로 구성된다. 그림 1.7은 직류전원 공급기의 전면 패널을 보여준다. 직류전원 공급기의 전원단자 및 LCD창에 대한 설명은 다음과 같다.
다음으로 직류전원 공급기의 단자에 대한 설명은 다음과 같다.

-전원 스위치(①) : 직류전원 공급기의 Power ON/OFF
-LCD창(②~⑤) : 채널 1과 채널 2에 대한 출력전압, 출력전류 표시
-전압조절 다이얼(⑥, ⑧) : 채널 1과 채널 2의 출력전압 크기 조절
-전류조절 다이얼(⑦, ⑨) : 채널 1과 채널 2의 출력전류 크기 조절
-채널 1 출력단자(⑩, ⑪) : 채널 1의 (+) 전압 출력단자와 (-) 전압 출력단자
-채널 2 출력단자(⑫, ⑬) : 채널 2의 (+) 전압 출력단자와 (-) 전압 출력단자
-접지(GND)단자(⑭) : 접지용 단자
-동작모드 스위치(⑮) : 세 가지 동작모드 선택 스위치

직류전원 공급기는 2개의 채널을 이용하여 그림 1.8와 같이 세 가지 동작 모드를 제공한다. 세 가지 동작 모드는 독립전원 동작(independent operation), 직렬전원 동작(series tracking operation), 병렬전원 동작(parallel tracking operation) 으로 구분된다. 직류전원 공급기는 세 가지 동작 모드를 활용하여 4가지 형태의 전원 공급을 제공할 수 있다.

독립전원 공급

독립전원 동작 모드를 선택하는 경우, 그림 1.9과 같이 2개의 채널별로 독립적인 직류전원을 공급한다. 독립전원을 공급하는 절차는 다음과 같다.

1. 독립전원 동작 모드를 선택한다.
2. 전압조절 다이얼과 전류조절 다이얼을 이용하여 원하는 출력전압과 출력전류를 설정한다.
3. 직류전원 공급기의 전원을 끈다.
4. 회로의 (+) 극성을 전원공급기 채널 1(또는 채널 2)의 빨간색(+) 출력단자에 연결한다.
5. 회로의 (-) 극성을 전원공급기 채널 1(또는 채널 2)의 검정색(-) 출력단자에 연결한다.

단일전원 공급

직렬전원 동작 모드를 선택하는 경우, 단일전원을 공급하거나 양전원과 음전원을 제공할 수 있다. 직렬전원 동작 모드에서는 채널 2의 빨간색(＋) 단자와 채널 1의 검정색(－) 단자가 내부적으로 연결되며, 채널 1의 전압조절 다이얼을 통해 채널 1과 채널 2의 출력 전압이 동시에 정해진다.
직렬전원 동작 모드 중에서 단일전원 공급을 제공하고자 하는 경우, 그림 1.10과 같이 2개의 채널을 이용하여 단일전원을 공급한다. 단일전원을 공급하는 절차는 다음과 같다.

1. 직렬전원 동작 모드를 선택한다.
2. 채널 2의 전류조절 다이얼을 시계방향으로 돌려서 최대값으로 설정한다.
3. 채널 1의 전압조절 다이얼을 이용하여 원하는 출력전압을 정한다. 단일전원 공급 모드의 출력전압은 LCD창에 표시된 채널 1의 출력 전압의 2배가 된다.
4. 직류전원 공급기의 전원을 끈다.
5. 회로의 (＋) 극성을 전원공급기 채널 1의 빨간색(＋) 출력단자에 연결한다.
6. 회로의 (－) 극성을 전원공급기 채널 2의 검정색(－) 출력단자에 연결한다.

양전원과 음전원 공급

직렬전원 동작 모드 중에서 양전원과 음전원 공급을 제공하고자 하는 경우, 그림 1.11과 같이 2개의 채널을 이용하여 (+) 전원, 그라운드(GND) 전원, (－) 전원을 공급한다. 양전원과 음전원을 공급하는 절차는 다음과 같다.

1. 직렬전원 동작 모드를 선택한다.
2. 채널 2의 전류조절 다이얼을 시계방향으로 돌려서 최대값으로 설정한다.
3. 채널 1의 전압조절 다이얼을 이용하여 원하는 출력전압을 설정한다.
4. 직류전원 공급기의 전원을 끈다.
5. 회로의 (＋) 극성을 전원공급기 채널 1의 빨간색(＋) 출력단자에 연결한다.
6. 회로의 GND 극성을 전원공급기의 채널 1의 검정색(－) 출력단자에 연결한다.
7. 회로의 (－) 극성을 전원공급기 채널 2의 검정색(－) 출력단자에 연결한다.

병렬전원 공급

병렬전원 동작 모드를 선택하는 경우, 그림 1.12와 같이 2개의 채널을 병렬로 연결하여 직류전원을 공급한다. 병렬전원 동작 모드에서는 전류 공급 용량이 2배로 증가하며, 채널 1의 출력단자만 사용된다. 병렬전원을 공급하는 절차는 다음과 같다.

1. 병렬전원 동작 모드를 선택한다.
2. 채널 1의 전압조절 다이얼을 이용하여 원하는 출력전압을 설정한다. 채널 1의 전류조절 다이얼을 이용하여 원하는 출력전류를 정한다. 이때, LCD창에 표시된 출력전류보다 2배 큰 전류가 공급된다.
3. 직류전원 공급기의 전원을 끈다.
4. 회로의 (＋) 극성을 전원공급기 채널 1의 빨간색(＋) 출력단자에 연결한다.
5. 회로의 (－) 극성을 전원공급기 채널 1의 검정색(－) 출력단자에 연결한다.

다음으로, 전원공급기의 중요한 표시등인 정전압(CV: Constant Voltage)과 정전류(CC: Constant Current) 표시등에 대해 알아보자.

-정전압(CV) 모드
전원공급기의 출력 전압이 부하가 변해도 전위가 일정하게 유지되며, 채널의 설정 전압보다 커지면 CV 표시등(녹색 LED)가 켜진다.

-정전류(CC) 모드
부하에 전원을 연결한 상태에서 CC 표시등(적색 LED)이 켜졌다는 것은 부하에 흐르는 전류보다 설정된 전류값이 작을 경우이다. 전원공급기는 설정전류까지만 흐르도록 동작하며 공급전압이 낮아지게 된다. 회로를 구성하고 회로에 흐르는 전류값보다 여유롭게 공급전류를 설정했는데도 불구하고 CC표시등에 불이 들어온다면, 회로에 단락이 일어났거나 구성상 문제가 있음을 의심해 볼 필요가 있다.

세계 모든 산업 분야는 IT융합 산업으로 변모하고 있다. 특히, IT융합은 자동차, 토목, 건설, 의료, 국방, 농업 분야 등에 광범위하게 적용되고 있다. 기존에는 전기, 전자, 컴퓨터 학문 분야에서만 교육받던 IT 관련 지식이 다른 분야에도 필수적으로 필요하게 되었다. 이 책은 전기회로, 전자회로 및 컴퓨터를 활용한 통합 제어에 대한 개념 이해와 지식 습득을 목적으로 실습 중심으로 구성되어 있다. 그러므로, IT 계열 전공자는 물론, 공학 분야 모든 전공 학생들이 반드시 알아야 할 전기, 전자 및 컴퓨터 관련 기초 기술을 제공하고자 한다.<br/><br/> 이 책은 크게 두 부분으로 전기 및 전자 관련 내용과 IoT 및 컴퓨터 관련 내용을 다룬다. 이 책을 통해 전자부품을 활용한 회로 구성, 계측기를 활용한 신호 측정, 센서와 모터를 연결하여 다양한 아두이노 프로젝트를 수행해보길 바란다.