[오제이 튜브의 임베디드 실전 강의] 3강 전기 기본 상식 - 모르면 보드 태워먹는다

0. Embedded Software 개발에 전기 기본 상식을 알아야 하는 이유

1) DC 뿐만 아니라 매우 위험함 고압의 AC 전류가 흐르는 환경에서 작업을 할 수 있음

• DC (Direct Current) : 직류라는 뜻으로, (+)극, (-)극이 정해져 있으며 전류의 방향이 바뀌지 않는 전원
  
  • 저압이라 크게 위험하지 않음
  • 배터리에서 사용
• AC (Alternating Currnet) : 교류라는 뜻으로, 시간에 따라 크기와 극성(방향)이 주기적으로 변하는 전류
  • 1초 사이에 전류의 극성이 변하는 횟수를 Frequency(주파수) [Hz]라고 한다.
  • 가정에서 사용
  • AC 값은 최고점과 최저점 간의 차이 값을 의미

DC(왼쪽) / AC(오른쪽). 출처 : https://www.rohm.co.kr/electronics-basics/dc-dc-converters/dcdc_what2

• 고압이라 잘못하면 사망으로 이어질 수도 있음
• 또한 전류의 방향이 계속 바뀌므로 몸이 전기가 흐르는 물체에 달라 붙어서 떨어지지 않음
• 교류는 실제로는 표시된 전압보다 더 높은 값을 가짐
  • ex) AC220V -> 311V(220V x 1.414. 교류는 전압을 실효치로 표시함)
• 이는 교류가 sine 파형을 가져 직류처럼 일정한 전압을 유지하는 전원에 비해 더 높은 전압을 사용해야 같은 에너지가 되기 때문
• 또한 교류는 초당 극성이 120번 바뀌므로 근육의 수축이완이 그만큼 자주 발생하여 심장근육이 제대로 뛰지 못하게 하여 심장마비를 유발할 수 있음
• 교류가 방향이 계속 바뀜에도 회로에서 (+), (-)를 표시하는 이유는 (+)방향이 발전소에서 전기가 들어오는 방향임(힘의 근원), (-)는 발전소로 돌아가는 방향

 

2) Short 등의 이유로 개발보드를 망가트릴 수 있다

A. Short (단락)이란

• 짧은 길(Short)이 만들어져 그 길로 전류가 흐른다는 의미
• 즉 (+), (-) 사이에 어떠한 저항도 없는 도선이 연결되어 의도치 않은 경로로 전류가 흐르는 것

일반적인 회로. 출처 : https://information-factory.tistory.com/122

 

• 일반적으로는 위처럼 (+)와 (-)극 사이에 저항이 연결되어 있어 흐르는 전류를 조절함

Short가 발생한

• 만약 위처럼 (+), (-)극 사이에 아무 저항도 연결되어있지 않은 도선이 있다면, 이를 Short가 발생했다고 표현함 
  • 즉 (+)극에서 (-)극으로 가는 가장 짧은(Short) 길이 생겼다는 뜻

 

B. Short 발생 시

1. 전류가 저항이 없는 전선에 계속 흘러서 엄청난 열이 발생하여 전선이 탐 (불이 남)
2. 부품이 못버티고 타버림

• 쇼트를 발생 시키는 법 : 물을 붓거나 테스터기나 프로브로 마구 쑤셔댄다 -> (+), (-) 를 연결하는 순간 쇼트가 발생
• 물 부으면 short가 나는 이유 (물을 통해 전류가 흐르는데 물 사이엔 저항이 없다)
  방수 제품은 물이 들어와도 괜찮은게 아니라 물을 못 들어오게 막는 것

 

3) 오류가 코딩에서뿐만 아니라 하드웨어적 이유로도 발생할 수 있음

• Ex) 인터넷 선 연결 불량, 커넥터 연결 불량 등

 

1. 기초 전기 상식

1) 부품 혹은 소자등이 견딜 수 없는 전압이 가해지면, 부품은 타버린다

• 부품(저항, 캐패시터, IC칩 등)마다 견딜 수 있는 전압이 정해져있음 (정격 전압)
• 하나의 공급 전원을 시작으로 모든 부품이 동작할 수 있게 맞추는 작업을 해야 함

 

2) 전압 (Voltage. 전위차) 

• 전류를 흐르게 하는 힘. 양단의 전위차 [V]
  • 전압의 차이가 나면 힘의 차이가 남 : 전류가 더 커짐
  • 자유전자가 많은 곳에서 적은 곳으로 전류가 흐르는 특성이 있다 
• 즉 전류는 전압이 높은곳에서 낮은 곳으로 흐름
• 기준점에 따라 마이너스 전압이 나올 수도 있음

 

3) 전류 (Current. 전하의 이동)

• (+) -> (-) 방향. 자유 전자의 흐름의 반대방향. 단위 : A(암페어)
• 전류는 Current나 I로 표기
  • Intensity of current. 전류의 세기의 약자

• 20세기 전까지는 전자를 발견하지 못해 원자가 흐른다고 생각함
• 나중에서야 전자는 (-)에서 (+)로 흐른다는 사실이 뒤늦게 밝혀짐
  • 하지만 이미 (+)에서 (-)로 흐른다는 가정하에 많은 제품들이 만들어져 그 이론을 그대로 사용함
  • 즉 (+) -> (-) 방향으로 흐른다고 가정

전압, 전류, 저항 설명. 출처 : http://www.makeshare.org/bbs/board.php?bo_table=arduino&wr_id=82

 

4) 발전소 -> 가정으로의 전기 공급 과정

A. 발전소에서 전기 생성

• 전압이 엄청 높은 상태. 보통 AC
• DC 대비 변압이 수월하고 효율이 상당히 좋아 발전소에서는 주로 AC를 공급

B. 변압기를 통해 낮춤

C. RST 3상 + N상 => 220V 가정 공급

• 여기까지는 몰라도 됨

D. 아답터를 통해 220V AC를 DC로 변압 (보통 5V)

• 이 전기를 통해 제품을 동작시킴

E. 대부분의 기기들은 전류는 넉넉하게 쓰는 경우가 많고, 전압은 딱 맞게 사용한다.

• 대부분의 기기들은 자기가 필요한 만큼의 전류를 가져다 씀
• 따라서 전압처럼 정격 값에 딱 맞는 전류를 인가하는 것이 아닌 어느 정도 여유가 있는 값을 줘도 됨
• Ex) 아답터에서 24V, 1.8A 공급하는데 청소기는 24V, 2A가 필요하면 고장이 날 수 있음
  • 2A가 필요하다고 항상 2A만을 사용하진 않음 -> 더 낮은 전류를 사용하다가 2A가 필요한 순간이 있다
  • 3A 공급 -> 2A 필요 = 정상 동작 

 

* 아답터 관련

• 발전소로부터의 AC 전압을 DC로 변환해주는 장치
  • 각 아답터마다의 정격 입/출력 값이 있다

현재 사용중인 노트북의 어댑터

 

- Input (정격입력) 

• 100~240V의 AC (물결 표시는 AC라는 뜻)를 입력받아야 함
• 50~60Hz의 주파수 입력 가능
• 1.5A의 전류 사용

- Output (정격출력)

• 19V의 직류 전압 (선 표시는 DC라는 뜻) 출력
• 최대 2.53A까지 공급 가능

 

* 대부분의 Embedded 제품에서 DC 전압을 사용하는 이유

• 고압의 AC일 경우 극성이 바뀌며 제품에 전기적 충격이 가해져 고장날 수 있음
• 위와 같은 이유로 Transistor나 MCU같은 전자 부품들은 대부분 DC 전압에서 동작하도록 설계되어 있음
  • 따라서 AC 전압을 사용할 경우 부품들이 사용 가능한 형태로 전압을 변환해주는
    Transformer(변압기)나 Rectifier(정류기)가 필요함
  • 위는 회로에 추가적인 요소가 들어가게 해 제품의 크기가 커지게 함

Transformer(좌)와 Rectifier(우). 출처 : Transformer - https://www.ourpcb.com/pcb-transformer, Rectifier - https://www.learningaboutelectronics.com/Articles/How-to-connect-a-full-wave-rectifier

 

• DC 전압 사용시 위와 같은 과정이 필요 없으므로 전원효율이 AC에 비해 훨씬 좋음
• 높은 Power가 필요하거나 AC Grid를 사용하여 전력을 분배하는 것이 더 효율적인 경우 AC를 사용하기도 함
  • Ex) 벽면 콘센트에 연결하는 가전제품의 경우

 

* 전압 변환 관련

• Converter : AC -> DC로의 변환
  • 여러 분야에서 상태를 바꾸는 장치로 사용
  • 통신에서 주파수 변경, 신호모양을 아날로그 -> 디지털 신호로 바꾸는 장치로도 사용함
• Inverter : DC-> AC로의 변환
  • AC가 DC에 비해 주파수 조절을 통해 기기의 속도를 제어하기 쉬움
  • 이로 인해 에어컨같은 특정 기기를 적절한 속도로 가동하는데 사용되기도 함
  • 에어컨 : 인버터를 통해 압축기의 회전수를 제어하여 냉장 능력을 가변
• 제품 내부에 아답타를 넣을 수도 있다 (매우 드문 경우)

* RST 3상 전력

3상 전류

• 3상전력 :  위 사진과 같이 주기가 120도 다른 3개의 교류가 각각 다른 선으로 들어오고,
  3개를 합치면 380V, 각각 하나는 220V를 내는 것을 뜻한다

 

누전차단기 상의 RSTN 단자(왼쪽)와 삼상 삼선식/사선식(오른쪽) 

• 3개의 R, S, T (+) 중 하나, 하나의 N (-) 중 짝을 지어서 사용
  • R(Run), S(Start), T(Common)과 N(Neutral. 중앙선), G(Ground)
  • 각 단어는 알파벳 순서대로 상을 구분하기 위함일 뿐 큰 의미는 없다
• 단상은 전압이 사인파형으로 전력이 변화하며 전달되나 3상은 전력이 일정하므로 사용
• 단상에 비해 송배전이 경제적임

* W(1초당 힘, 전력. Watt) = A * V

• 1초동안 1J의 일을 하는 일률의 단위
• Kwh(kilo watt hour) = A * V * 3600(1시간) * 1000(kilo로 변환)
  • 1kW의 일률로 1시간동안 하는 일의 양에 해당
  • Watt에 3600초를 곱한 것이 와트시
  • 전기요금 측정 시 사용

 

*그라운드(Ground)와 접지(Earth)

그라운드의 의미

그라운드의 종류. 왼쪽부터 접지, 샤시접지, 신호접지

 

- 그라운드 (Ground)

• '기준점'을 의미하며 회로에서 전압을 측정할 때 기준점이 된다. 항상 0V는 아니다

그라운드가 0V가 아닐 경우의 예

• 위처럼 +극과 - 극의 차이가 3V일 경우, 전압 측정은 그라운드를 기준으로 하나, 그 그라운드 점이 0V는 아님

 

- 접지 (Earth Ground) 

• 누전을 방지하기 위해 전기기기를 비롯한 도체를 전기용량이 상대적으로 큰 지구에 연결시키는 것
• 즉 도선을 땅에 연결. 0V의 전위를 가짐
  • 신호 접지 : 회로상의 접지. 전자회로들이 신호처리를 하며 기준으로 삼는 접지
  • 샤시 접지 : 기계의 서로 다른 금속 부분을 연결하여 이들 간의 전기 연결을 나타냄
  • 자동차 등에 사용, 땅에 집적적으로 닿지 않고 자동차 자체가 도체 역할을 함

접지의 예시. 출처 : https://m.blog.naver.com/lagrange0115/222610751576

• 위 그림의 접지가 된 아랫 부분의 전압은 0V가 된다

* 즉 그라운드와 접지는 다르다

 

- 정리 

1. 높은 전압을 공급하면 고장난다

2. 모든 가전기기는 DC(직류)에서 동작한다

3. 직류에서 (+), (-)를 반대로 연결하면 고장난다

• 아답타는 연결 뱡향이 바뀌면 안된다

4. 교류에서는 (+), (-)를 반대로 연결해도 된다 -> 교류는 방향이 계속 바뀌므로

• 콘센트는 연결 방향이 상관 없다

 

 

일반적으로 사용하는 가전제품용 퓨즈

• 일정량 이상의 전류가 흐르면 내부의 선이 타버려 회로 연결을 끊음 -> 이를 통 전류를 차단해서 제품을 보호
• 소모성 소자임
• 퓨즈 동작 원리 밎 그림 추가

 

* 의외로 많이 하는 실수

1. 전류(신호)는 전선이 연결되어야만 한다
   • 전위차가 낮은 곳에 연결이 되어야만 전류가 흐른다
   • 즉 전압이 서로 다른 2개의 지점을 연결해야 전류가 흐
   • 전선이 끊기면 전류가 흐르지 않음
2. 피복이 벗겨지면 저항이 강해진다
3. 겨울에 털옷 입고 맨손으로 보드 만지기
   • 털옷을 입으면 온몸에 정전기가 생김 -> 많은 전기가 발생 -> 그 강력한 전기가 보드에 흐름
4. 도체 위에 보드 올려 놓기

 

- 전기 테스터기 (멀티미터) : 전류 / 전압 / 저항 측정, 쇼트 테스트

• Fluke 제품을 많이 씀

• 흐르는 도선 상에 고리 부분을 벌려 AC를 측정하는 장치
  • 전기 분야에서 주로 사용

 

- 실무에서 쓰이는 방식

1. 전류 측정
   • 소비 전력 측정
   • 임베디드 제품을 배터리로 구동할 경우 배터리의 용량은 한정적이므로
     소비 전력을 측정해서 배터리로 얼마나 쓸 수 있는지 측정
   • 비싼것이 더 정확히 측정됨 (더 미세한 전류를 측정할 수 있음)
2. 전압 측정 
   • 회로도의 구간 구간마다 올바른 전압이 공급되었는지 확인
   • 아답터의 출력 전압 체크 (명시된 만큼의 전압이 흐르는가)
   • (+), (-) 찾기 (전류 방향 확인) 
   • GPIO 동작 확인 등
3. 저항 측정
   • 각 구간마다 저항 값 측정, 저항값의 변화로 센싱된 값을 표현하는 아날로그 센서 검증시 사용
   • ex) 어느 쇳덩어리가 25도일 때 저항값이 얼마, 30도일 때 저항값이 얼마 방식으로 저항값이 일정 : 온도 센서로 사용. 테스터기로 각 온도에서 맞는 저항값이 나오는지 확인
4. 쇼트 테스트
   • 실제 PCB상에 도선의 연결을 확인할 때 (연결의 끝단들을 찾을 때), 망가진 부품을 찾을 때

 

 

 

 

 

 

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위 내용의 모든 출처는 유튜버 '[오제이 튜브]OJ Tube' 님께 있습니다.

강의 출처 :

https://www.youtube.com/watch?v=qx4TeywUhPI&list=PLz--ENLG_8TNjRg1OtyFBvUyV4PHaKwmu&index=5 

https://www.a-ha.io/questions/4e1a66029fbb966599c03f0c03554e5b

직류와 교류 무엇이 더 위험한가요

https://dream-promise.tistory.com/422

우리가 교류를 사용하는 이유

https://rmpower.co.kr/203/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=14930825&t=board 

인버터란? 인버터 원리와 종류, 용도. 컨버터와의 차이 : 알엠파워 배터라이프

 

https://m.blog.naver.com/lagrange0115/222610751576

전기적 접지 (Electrical Ground, GND)

 

https://information-factory.tistory.com/122

short란? 단락이란? 쇼트 회로 쉽게 이해해봐요 (뜻,정의)

 

https://www.ourpcb.com/pcb-transformer

PCB Transformers | Non-PCB Alternatives, PCB Transformer Oil

 

https://www.learningaboutelectronics.com/Articles/How-to-connect-a-full-wave-rectifier

How to Connect a Full Wave Rectifier