SW 개발자를 위한 하드웨어의 이해. 두번째

마이크로 콘트롤러의 이해

2019년
워크쉬트: http://goo.gl/gxswv

시간표

4일간 뭘 할까요?

마이크로 컨트롤러의 이해와 제어(마이크로 컨트롤러 프로그래밍) 그리고 프로젝트
전자회로 기본 소자의 이해
계측 장비 사용(멀티미터, 오실로스코프)
회로도 읽기
데이터 쉬트 읽기
멀티 태스크 스케쥴러 소개 및 사용
통신 드라이버 개발 및 디버깅(I2C, SPI)

참가자 소개

취미
관심사
최근에 배운것
이번 워크숍에서 자신이 얻었으면 하는것?

준비물

Tiva launchpad 평가보드
수업 워크쉬트
TM4C123GH6PM 핀배열
계측 장비
전자 소자

첫째날 시간표

오전

5V 전원으로 LED 켜기
전자 소자 알아보기 (저항, 캐패시터, 인덕터)
옴의법칙, 키리히 호프의 법칙

오후

DC 5V는 어떻게 만들어질까? (AC->DC … DC)
전자 소자 알아보기 2 (다이오드, 반도체, 캐패시터(콘덴서))
DC 전원 회로(레귤레이터, DC-DC)
트랜지스터 (NPN, FET)
증폭기를 만들어 보자
BJT 마이크 증폭기
Opamp 소개

Project ‘Time Boom’

By dkshots (CC Some rights reservd)

‘Time Boom’ 장치의 요구사항

시간이 되면 폭탄이 터진다.
시간은 버튼 입력을 받아서 바꿀 수 있다.
온도와 빛이 일정값 이상으로 변하면 터진다.
오후 4시가 되면 터진다.
시한 폭탄을 켜는 시작버튼이 있다.
시간이 지날때 마다 비프음이 들린다.
움직임이 감지되면 터진다. (옵션)

타겟보드 소개 : Tiva LaunchPad

MCU: TM4C123GH6PM http://www.ti.com/product/tm4c123gh6pm

32-bit ARM® Cortex™-M4 80-MHz
256KB of flash memory, 32KB of RAM, 2KB of EEPROM
two 12-bit analog to digital converters
USB 2.0 device port
hibernation module
other serial connectivity (SPI 4, I2C 4, UART 8)
GPIO (43)

전자, 전자회로

읽어보기: (Concise electronics for geeks](http://lcamtuf.coredump.cx/electronics/)

전도체
반도체 condution energy band? doped?
IRV
옴의 법칙
줄의 법칙
전류(전하, 인덕턴스, 리액턴스, 임피던스)
기본 소자 (전압소스, 전류소스, 저항, 캐패시터, 인덕터, 트랜스포머, 스위치, 액츄레이터, 모터, 크리스탈, 포텐셜미터, 트리머 캡, Incandescent lamps, LED, 광센서, 마이크로폰,)
반도체 (다이오드, FET, BJT,)
아날로그 회로 (테브난의 정리(키리히호프보다 편하다네..) wikipedia.org/wiki/%ED%85%8C%EB%B8%8C%EB%82%9C%EC%9D%98_%EC%A0%95%EB%A6%AC 전류 제한, Voltage Divider, 캐패시터, RC 필터, 트랜지스터(스위치), Voltage follower, amplifier, 션츠 다이오드, 레귤레이터 다이오드, 정류기, OPAMP, 비교기, 오실레이터, …)
디지털 회로 (로직 게이트, Adder, 메모리, Line decoder, DAC, ADC)

전자소자 알아보기

R 저항
L 인덕터
C 캐패시터
다이오드
트랜지스터 (BJT/FET)
IC(Integrated Circuit)
Opamp
Batteries, 선, 스위치, 릴레이, 트랜스포머, 퓨즈, 모터

참고:

전자소자 알아보기

회로의 재료!

해보기 (10분)

아는 소자와 모르는 소자 구분하기.
질문 목록 만들기.

출처: Practical Electronics for inventors. p–2

전기회로 이론

옴의 법칙
키리히호프의 전류 법칙 (직렬연결, 병렬연결)
키리히호프의 전압 법칙
AC/DC (교류/직류)

회로 용어와 패턴

Voltage Divider
Pull-up
Pull-Down
Bypass Capacitor
회로패턴 카드: http://goo.gl/W5Q4EC

측정장비 1: Multi meter

전압, 저항, 전류
연결(short)이 되어 있는지 체크

해보기:

멀티미터를 이용하여 Breadboard는 내부가 어떻게 연결이 되어 있는지 알아보자.

Breadboard 내부

5V 전원회로를 이용하여 LED를 켜보자.

(옴의법칙, 키리히호프의 법칙, 저항, 반도체, 다이오드, 스위치)

Launchpad 보드로 부터 VBUS를 빵판에 연결하자.

해보기:

VBUS 핀에서 5V가 나오는지 측정해보자.
5V전원을 이용하여 LED를 켜보자.
저항을 연결해 보자.
LED에 걸리는 전압을 측정해보자.
저항에 걸리는 전압도 측정해보자.

옴의 법칙

V= RI
전압 = 전류 x 저항

I(전자의 흐름)는 V(세기)에 비례. 비례 상수는 R.

저항

전류 흐르는것을 방해하는 소자.
저항의 용량은 양단에 전압 1V를 가했을 때 전류가 1A 만 흐르도록 하는것. 단위는 옴(ohm)를 사용한다.
저항 스펙 읽기 [https://kr.mouser.com/ProductDetail/Panasonic/ERJ–3RBD1000V/?qs=sGAEpiMZZMu61qfTUdNhGzgaTPd4k50bmsXo%2fJgMePwduQbbO8P85Q%3d%3d]
Power:1/32 Watt ~ 1 Watt, P=V^2/R
PPM: 20 ppm/°C -> 1도당 0.000020 ohms 변화

참고: ICBanQ 기초전자 부품정보

저항의 사용

Voltage Divider
Current Divider

전압 나누기 전류 나누기

도체, 부도체, 그리고 반도체

Energy Band: 전하(전자-,정공+)가 자유로이 이동할 수 있는 에너지대역 (전도대,가전자대)

전도띠(전도대 conduction band) : 전자가 없는 에너지띠 (원자가띠보다 에너지 수준이 높다.) 전도띠에 전자가 있으면 전기장을 가해 쉽게 가속시켜 전류를 흐르게 할 수 있다.
띠틈Eg: 전도대와 가전자대의 사이. 전자가 채워질 수 없는 영역. 띠틈의 크기에 따라서 도체, 부도체, 반도체가 정해진다.
원자가띠(가전자대 valence band) : 절대0도에서 전자가 존재하는 가장 높은 에너지범위. 전자가 들어 있는 에너지 띠

반도체(Semiconductor)

N형: 실리콘(Si)는 4개의 전자를 가지고 있는데, Si 결정 구조에 전자가 5개인 원자(P, As, Sb, Bi)를 도핑한다. (이동할 수 있는)전자가 하나 남는다.
P형: 실리콘(Si) 결정구조에 전자가 3개인 원자(B, Al, In, Ga)를 도핑한다. 전자가 하나 부족. 자유로운 양공(+)이 생긴다.
N형/P형 애니메이션: http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/modern/solidstate/semiconductorphysics/semiconductorphysics2.html

주기율표: http://i.imgur.com/qbMxt6M.png

반도체: 전자의 이동

Diode 내부구조: P-N Junction

P-N을 접합하면 Junction이 생긴다.(중립지대)
P-N에 걸리는 전압에 따라서 Junction의 너비가 변함.
Forward volatge: P-N에 해당 전압(Forward volatge)이 걸리면, 다이오드가 흐르기 시작!

Diode

from: Collin Mel Cunningham http://goo.gl/h8MoY

Forward voltage: 0.7v
I-V curve

해보기: Forward voltage를 측정해보자. 1n4148 diode의 Forward Voltage를 측정해보자.

LED (Light Emitting Diode)

LED

Forward voltage : 2V Forward current : 20mA

R1 ?

Switch

LED를 제어하는 스위치를 연결해보자.

해보기:

스위치가 눌렸을때 연결되는 다리는?
브레드보드에 연결하여 스위치가 눌렸을때 LED가 켜지도록 만들자.

AC (Alternating current)

220VAC 60Hz 파형의 모양은?
Peak Voltage?
Frequency?

DC 5V는 어떻게 만들어질까?

220VAC를 5VDC로 변환하기. (캐패시터, 트랜스 포머(인덕터), 다이오드)

트랜스포머로 220VAC를 12VAC로 만든다.
정류 다이오드를 이용하여 AC를 DC로 변환
캐패시터를 거쳐 리플을 줄인다.

정류기: http://en.wikipedia.org/wiki/Rectifier

캐패시터

–from wikipedia

용량(C:Capacitance)는 전압1볼트를 가했을 때 전자를 얼마나 많이 붙들고 있느냐 하는 것을 말하고 단위는 파랏드(Farad)를 사용한다.

1 Farad은 1 볼트 전위차로 1 Coulomb (쿨롬) 전하를 대전시키는 전기 용량.
1 Coulomb은 1A가 1초동안 흐를때 이동하는 전하량 (6.242×10^18)

ESR(Equivalent Series Resistance): 커패시터에 전자가 저장되었다 다시 꺼냈다 할 경우에 커패시터내에서 전자가 이동하거나 할 때 장애(ESR)가 없어야 에너지 소모가 일어나지 않을 것이다.

캐패시터 내부

임시로 전하를 저장하는 소자.
C = (전극사이의 매질의 유전율)x(전극면적/전극사이의거리)

유전율: 誘電 은 전기를 유도. 매질의 전기장을 미치는 정도. http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9C%A0%EC%A0%84%EC%9C%A8

—-

캐패시터의 충전과 방전

캐패시터의 사용

Signal Filtering
Bypass capacitor

인덕터(코일)

전류가 변하는 것을 방해하는 소자
코일에 전류가 흐르면 자기장(앙페르법칙) 이 생기는데, 그 자기장이 전류가 변하는것을 방해.

Joseph Henry(1797~1878) 전동기, 전신기 발명, Self induction(전류가 인접한 코일에만 영향을 주는것이 아니라 전류가 흐르는 코일 자신에게도 영향을 주는 현상) 발견

전자기 유도

전류 -> 자기장 (질문: 반대로 전류가 흐를 때 그 주위에 자기장이 생긴다면 자기장을 변화시켜 도선에 전류가 흐르게 할 수는 없을까?)

자기장(B)의 변화 -> 전류(I)

http://youtu.be/1Axzz6i5X7Q?t=3 https://www.youtube.com/watch?time_continue=21&v=hajIIGHPeuU

코일과 자기장을 이용하여 전기를 만든다.

세기: 페러데이법칙 -> 유도전압(기전력)의 크기는 코일을 통과하는 자기선속의 변화 / 변화시간. 1831년 영국, 마이클 패러데이 http://i.imgur.com/IhVzvj5.png
방향: 렌츠의 법칙 -> 코일은 자기장의 변화를 방해한다. 1834년 독일. 로렌츠 렌츠. http://i.imgur.com/VM77QjE.png
이용사례: 발전기, 다이나믹 마이크, 카드마그네틱.

인덕터의 용량: 인덕턴스

Self-inductance의 용량(L)은 코일에 1초 동안 1A의 전류의 변화가 있을때, 전류의 반대방향으로 1V세기로 방해하는 양. 단위: H (헨리)

Self-inductance(자기유도) : V(반대방향) = -L * (I의변화)/(변화시간)
Mutual-inductance(상호유도): V(유도되는전압) = -M * (유도하는 I의변화)/(변화시간)

Self-inductance

참고: http://spiff.rit.edu/classes/phys213/lectures/henry/henry_long.html

인덕터의 사용

왜? 전류와 자기장.

전류의 변화를 방해 -> 반대방향으로 전압 발생(기전력)

트랜스포머

Mutual-inductance (상호인덕턴스)

전원공급: Regulator, LDO, DCDC

리니어 방식: (효율 30–70%)

Regulator: (불안전한) 입력전압에 대해 (안정적인)출력으로 특정 전압을 공급하는 소자.
LDO: Low Dropout Regulator (Vd가 작으면 열도 적게 난다.)

스위칭 방식: (효율 80–90%)

DC-DC Converter (Buck, Boost, Buck-Boost):

전원공급 Regulator

저항을 조절하여 전압을 정하는 방식.

전원공급: DC-DC Converter

스위칭

인덕터: 기전력? 렌츠의 법칙.

전원공급: DC-DC / Buck Converter (Step-Down)

Switch ON 하는 즉시 인덕터에서 기전력 발생. 입력 전압을 떨어뜨림.
Switch OFF 일때, 인덕터에 저장된 기전력이 출력으로 나간다.

전원공급: DC-DC / Boost Converter (Step-Up)

Switch ON 을 유지하면, 인덕터에서 기전력 저장.
Switch OFF 일때, 전원의 전압+인덕터에 저장된 기전력 이 출력으로 나간다.

해보기: http://learn.adafruit.com/diy-boost-calc

트랜지스터

증폭, 스위칭 하는 반도체 소자.

BJT (Bipolar Junction Transistor)

BJT TR: 2n3904, 2n2222a

전류에 의해 스위칭. (DC Operation or Saturation)

해보기

2n3904 를 이용하여 LED 제어 해보자. (트랜지스터 베이스에 스위치(+1k옴)와 Vcc 연결, Collector Vcc와 LED, 저항 연결, Emitter에는 GND연결), 3904의 경우 베이스에 1k 연결 안하니깐 TR이 탄다. 3904 max Vbe 6V.

Base 양쪽에 Emitter 와 Collector 가 대칭적으로 보이지만 실제로는 doping 된 수준이 다르고 내부적으로 다른 모양으로 만들기 때문에 band structure 가 차이가 있어 극을 바꾸어 사용할 수 없다. (그림: http://i.imgur.com/hCXwgSy.png from http://www.semipark.co.kr)

FET (Field-effect transistor)

FET: FQP33N10, IRF540

전압에 의해 스위칭.

FET는 BJT와는 다르게 drain 과 source 가 대칭적으로 만들어지므로 바꾸어 사용해도 작동하는 경우가 많다.

Relay: DC/AC제어
MOSFET: metal-oxide-semiconductor field effect transistors

BJT Amplifier

Operation Region

CutOff: BJT가 동작하지 않는다. 예: Vbe is 0V
Active
Saturation (DC Switch)

해보기

BJT의 Cutoff, Active, Saturation point를 찾아보자. 짝과협력!
Cutoff: base가 0v일때 Vc(Collector의 전압)의 값은?
Active: base의 전압을 올려보자. 10k가변저항 사용. Vc가 변하기(0.05v정도 ) 시작할때 Vbe의 전압은?
Saturation: base의 전압을 계속 올려보자. Vc가 내려갔다 올라가기 시작할때의 Vc전압, 그리고 Vbe의 전압은?
Active 영역에서 Vbe의 전압 범위?

```

|   5v          5v
|  /|\          /|\
|   (1kohm)      |1kohm
|   |           /
| --+----------|
|   |           \
|  (10k가변)      |
|   |            1kohm
|   |            |
|   __           __

```

http://youtu.be/c6cmkm3UPUI?t=252 오실로스코프로 보기

BJT Amplifier 2: Biasing

CLASS?

BJT의 동작 지점(Cutoff, Active, Saturation 영역중에)에 따라서 Class A, Class B, Class C, Class AB 로 나뉜다.

Class A: Active 영역에서 동작한다. (모든 파형이 다 살아있음 360)
Class B: 1/2 파형동안만 켜진다. (180) // 1/2파형은 Cutoff영역 나머지 1/2은 Active 영역
Class C: <1/2 파형동안만 켜진다. (<180) // RF에서 주로.
Class AB: 180<->360 사이.

회로

|                      5v       5v
|                       |       |
|                   (10k가변)    |1kohm
|                       |      /
| 1khz(AC-2PP)--||470nF-+-----|
|                       |      \
|                       |       |
|                     (2.7k)    | 1kohm
|                       |       |
|                      __       __

참고:

http://youtu.be/c6cmkm3UPUI?t=547 Amp B -> Amp A -> Amp C
http://www.youtube.com/watch?v=Br3uOM0IVjc common emiter amp
http://www.ece.mtu.edu/labs/EElabs/EE3305/Amplifier_Design_using_BJTs_A.pdf

SW 개발자를 위한 하드웨어의 이해. 두번째 마이크로 콘트롤러의 이해

시간표

4일간 뭘 할까요?

참가자 소개

준비물

첫째날 시간표

Project ‘Time Boom’

타겟보드 소개 : Tiva LaunchPad

전자, 전자회로

전자소자 알아보기

전자소자 알아보기

전기회로 이론

회로 용어와 패턴

측정장비 1: Multi meter

Breadboard 내부

5V 전원회로를 이용하여 LED를 켜보자.

옴의 법칙

저항

저항의 사용

도체, 부도체, 그리고 반도체

반도체(Semiconductor)

반도체: 전자의 이동

Diode 내부구조: P-N Junction

Diode

LED (Light Emitting Diode)

LED

Switch

AC (Alternating current)

DC 5V는 어떻게 만들어질까?

캐패시터

캐패시터 내부

캐패시터의 충전과 방전

캐패시터의 사용

인덕터(코일)

전자기 유도

인덕터의 용량: 인덕턴스

Self-inductance

인덕터의 사용

트랜스포머

전원공급: Regulator, LDO, DCDC

리니어 방식: (효율 30–70%)

스위칭 방식: (효율 80–90%)

전원공급 Regulator

전원공급: DC-DC Converter

스위칭

전원공급: DC-DC / Buck Converter (Step-Down)

전원공급: DC-DC / Boost Converter (Step-Up)

트랜지스터

BJT (Bipolar Junction Transistor)

FET (Field-effect transistor)

BJT Amplifier

BJT Amplifier 2: Biasing

SW 개발자를 위한 하드웨어의 이해. 두번째

마이크로 콘트롤러의 이해