[회로공부] 어두워지면 불이 켜지는 회로 원리_페이퍼램프 기초편 & 해바라기 램프 키트
2019-04-10 09:26:12
1. 부품 이해하기
- 트랜지스터는 기본적으로 증폭 또는 스위치 역할을 하는 부품입니다
- 회로도에서 사용하는 2N 3904는 부품명이 보이는 면을 위로 했을 때 우측은 (+), 좌측은 (-)와 연결됩니다.
- 가운데 발에 0.7V 이상의 전압이 발생했을 때 가운데 막이 사라지면서 전류를 흐르게 합니다.
- 0.7V 이하의 전압이 발생하면? 가운데 막이 있기 때문에 전류가 통하지 않습니다.
- 조도센서(빛감지센서)는 잘 아시듯이 머리에 있는 황화카드뮴(지그재그선)이 빛을 감지해서
어두워지면 저항 값이 커지고, 밝은 곳에서는 저항값이 작아지는 성질을 갖고 있습니다.
2. 기초편 회로도
- 본 회로도에서 트랜지스터(2N 3904)의 역할은 스위치 역할(=전류차단 or 전류흐르게)입니다.
- 조도센서(빛감지센서)는 가변저항의 역할을 합니다.
회로도를 보기 편하게 그리면 아래 그림과 같습니다.
트랜지스터 가운데 발(=베이스)에 연결된 부분을 보시면
저항 100K옴이 연결되어 있고 (고정값)
조도센서가 연결되어 있습니다. (가변값)
어두울 때와 밝을 때 전압이 어떻게 달라지는지 알아봅시다.
3. 전압 분배의 법칙
이름마저 거부감이 드는 저 법칙을 적용해야 명확히 이해 되니, 계산해 보겠습니다.
전압 분배의 법칙 공식은 아래 이미지 상단에 있습니다.
저희가 사용하는 조도센서는
10Lux 밝기에서 최소 50K옴 ~ 암흑에서는 2M옴까지 나옵니다.
*조도센서 종류마다 값은 달라질 수 있어요.
일반적인 학교 교실 상태라고 가정했을 때
낮, 교실 상태는 밝을 때 저항값이 4K옴 정도,
손으로 저항을 가리면 약 40K옴 정도로 측정 됩니다.
그럼 저항(R1)부품은100K옴, 조도센서(R2)는 밝을 때 4K옴, 어두울 때 40K옴으로 각각 계산해 보겠습니다.
[밝을 때] 전압 분배의 법칙으로 계산해 보시면
R1 = 100,000, R2=4,000, Vin=3 으로 계산하면 Vout (출력되는 전압의 값)은 약 0.115V입니다.
[어두울 때]
R1 = 100,000, R2=40,000, Vin=3 으로 계산하면 3/2로 Vout (출력되는 전압의 값)은 약 0.857V입니다.
이렇게 계산해 보면
어두워졌을 때 조도센서의 저항 값이 높아지면서
트랜지스터 가운데 발이 열릴 수 있는0.7V 이상 전압이 발생해서 불이 켜진다.는 것을 알 수 있습니다.
[추가 설명] 왜 100K옴이나 되는 큰 저항을 사용하는걸까요?
저희가 사용하는 2N 3904 트랜지스터는 베이스에 0.7V의 전압을 발생시키는 저항 크기가 필요합니다.
고정 저항값이 작을 수록 트랜지스터 가운데 발인 베이스에 걸리는 전압차 기준 조건에 충족되지 않기 때문입니다.
예를 들어 10K옴 저항의 부품을 사용하면 밝을 때 0.85V, 어두울 때 2.4V의 전압이 걸려서
밝은 상태에서도 계속 불이 켜지는 회로도가 됩니다.
4. 아이들에겐 어떻게 설명해 줄까?
아이들에게는 이렇게까지 상세하게 설명해 주면, 아마 눈동자가 격하게 흔들릴꺼에요:)
그래서 아이들에게 알려줄 때는 이렇게 설명하심 어떨까 제안 드리고 있습니다.
1. 트랜지스터 부품의 스위치 역할 원리 설명
2. 조도센서 부품이 빛의 양에 따라 저항이 크고 작아지는 성질이 있음을 설명
저항이 높아진다 = 높은 산맥으로 길이 변함 = 더 많은 힘을 들여야 올라갈 수 있음
저항이 낮아진다 = 미끄러운 편한 길 = 적은 힘으로 지나갈 수 있음.
3. 밝을 때는 저항이 낮아짐 = '조도센서'를 평탄한 길이라고 상상하기.
어두워지면 저항이 높아짐 = '조도센서'가 높은 산맥과 같이 변한다고 상상하기.
4. 전류가 흐르는 걸 구슬 100개를 보낸다고 가정해 보자.
4-1. 밝을 때
1) 밝을 때 조도센서 저항 값이 낮아지면서 편한 길이 됨
2) 트랜지스터 길보다 더 편한 '조도센서의 길로 구슬들이 흘러가게 됨'
3) 적은 구슬만이 트랜지스터로 향하면서 가운데 발에 느슨한 힘 작용 = 트랜지스터 열리지 못함
4) 전류가 주황색 길인 삼각형 모양으로 흐르는 형태가 됨
5) 전구에 불이 들어오지 않음
4-2. 어두울 때
1) 어두울 때 조도센서 저항 값이 높아지면서 산으로 올라가기 힘든 길이 됨
2) 조도센서의 길이 산맥으로 어려워지자, 트랜지스터 길로 대부분의 구슬들이 흘러가게 됨
3) 많은 구슬들이 트랜지스터로 향하면서 가운데 발에 힘 작용 = 열림
4) 전류가 파랑색 길인 사각형 모양으로 흐르는 형태가 됨
5) 전구에 불이 반짝 반짝.
5. 전압과 저항의 관계
회로를 이해하는 데, 가장 헷갈리기 쉬운 개념이 전압과 저항입니다.
1. 왜 저항이 높아지면 전압이 높아질까?
(저항이 높아진다 = 길이 가기 어려워진다 = 힘이 많이 필요하다 = 전압이 높아진다.)
똑같은 거리를 가야한다고 가정했을 때,
아래의 세 가지 길 중 어떤 길이 가장 편할까요?
힘이 가장 많이 필요한 길은?
그렇기 때문에 저항이 높아지면 전압이 높아집니다.
2. 전압이 높아진다 = 힘이 세다
전압이 높다는 것은 시작점이 높다고 상상하시면 편합니다.
시작점이 높을 수록 힘이 세지겠죠? (위치에너지가 운동에너지로 변...ㅎ....)
그렇기 때문에
트랜지스터 가운데 발(베이스)에 0.7V 이상의 충분한 전압이 발생한다 = 충분한 힘이 발생한다 = 열린다.
충분하지 못한 전압이 발생한다 = 열리지 않는다.
이해에 도움이 되셨길 바랍니다:)
kocoafab 
안녕하세요. 코코아팹 운영자입니다.
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