2022/07/23 기말 이후 시험이라니... 조기 졸업 시험이 끝나고 수과페를 준비하며 비안정 바이브레이터 회로를 공부했다. 이때 알게된 555IC를 가지고 단안정 멀티바이브레이터 회로를 레퍼런스 없이 혼자서 공부해 보았다. 이것저것 복잡했지만, 결국 해냈다 ^-^ . 첫 포스팅 이후로 너무 오래 안올린거 같은데 앞으로는 자주 올리겠다.

실제 제작

이번에 제작한 회로는 NE555IC를 이용한 단안정 멀티바이브레이터 회로이다.
디지털 논리회로 설계 및 실험, 4장, 88페이지를 보고 제작했다.
회로도에서는 5V 전원을 사용했지만, 555IC의 동작 범위에 맞는 9V로 대체하여 제작하였다.

아래는 구현한 회로이다.

555IC 구조

는 지난 포스팅에서 다루었다. 지난 포스팅을 보자.
지난 포스팅

555IC 단안정 멀티바이브레이터 동작 설명

위 그림을 가지고 설명하자.
단안정 멀티바이브레이터 회로가 어떤 동작을 하는지 먼저 설명하자면, C1 아래 스위치를 눌렀다 땠을 때, 3번 핀에서 일정 시간 출력 펄스가 나온다. 출력이 Low인 상태가 안정적이고, 출력이 High인 상태가 불안정하다는 뜻에서 하나만 안정, 즉 단안정 멀티바이브레이터라고 부른다.

회로를 간단히 설명하기 위해 동작 부분을 세 구역으로 나누어 볼 것이다.
첫번째는 클럭 펄스를 수동으로 만드는 클럭 펄스 발생기
(R1, C1, R2, 555IC 2번핀에 관련),
두번째는 클럭 펄스를 받아 충전이 시작되는 RC회로
(R3, C2, 555IC 7번핀과 6번핀에 관련),
세번째는 출력을 처리하는 부분이다
(R4, D1, 555IC 3번핀과 관련)

각각 부분을 아래에서 살펴 보자.

첫번째(클럭 펄스를 수동으로 만드는 클럭 펄스 발생기)

첫번째 부분만 떼어내서 보면 다음과 같다.

옆으로 이어진 선은 555IC의 2번 핀으로 들어간다. 2번핀은 단자전압이 1/3Vcc보다 작으면 S = 1, 1/3Vcc보다 크면 S = 0이 되도록 하는 핀이었다. 유념하면서 아래 내용을 보자.

우선, 스위치가 개방된 상태로 오랜 시간이 지났다고 하면, C1의 양단의 전위가 모두 9V가 되어 있을 것이다. 이 상태에서 스위치를 누르면 갑자기 C1 양단의 전위가 모두 0V가 되면서, R2를 통해 C1의 충전이 시작된다.
(축전기는 처음에 단락되어 있다가 점점 개방되는 소자로 생각할 수 있다.)

즉, 555 타이머 IC에 입력되는 전압은 9V에서 갑자기 0V로 떨어지게 된다. 그 말은, 555 내부 RS 플립플롭에 S = 1 신호가 전달되면서 3번핀의 출력이 High가 된다는 뜻이다.

스위치에서 손을 떼게 되면, 축전기에서 다시 방전이 일어나고, C1의 양단 전위는 9V로 같고, 전위차는 다시 0V가 되게 된다.

두번째(클럭 펄스를 받아 충전이 시작되는 RC회로)

두번째 부분을 떼어내서 보면 다음과 같다.

R3와 C2가 직렬로 연결되어 있고, 그 사이에 7번핀과 6번핀이 모두 연결되어 있다.
7번핀은 discharge, 즉 출력이 High일때 GND에 단락되고 출력이 Low일때 개방되는 핀이었고, 6번핀은 단자전압이 2/3Vcc보다 클 때 R = 1, 2/3Vcc보다 작을 때 R = 0인 핀이었다. 유념하면서 아래 내용을 보자.

처음(출력이 low)에는 7번 핀이 GND와 단락되어 있으므로 C2에는 전압이 걸리지 않는다. 또, 6번핀도 7번 핀에 의해 접지되어 있으므로 0V, 즉 R = 0이다.

첫번째서 생성한 클럭 펄스가 S = 1를 만들어 출력이 High가 되게 되면, 7번 핀이 개방되고, 이때를 기다렸다는 듯이 C2가 R3를 통해 충전된다. 충전되는 도중에 C2에 걸리는 전압은 6번 핀의 비교기를 통해 계속해서 비교되며, 그 값이 2/3Vcc를 넘게 되면 R = 1이 되고, 출력은 Low가 된다.

이때부터 7번 핀이 다시 접지되고, 다시 C2가 방전되는데 이때는 저항이 딱히 없으므로 그냥 바로 C2 단자전압이 0V가 된다.

세번째(출력 처리)

여기는 볼 것도 없다.

앞선 과정을 통해 생긴 펄스를 LED를 통해 확인한다. "두번째"를 보면, C2가 충전되는 동안 LED가 켜져 있음을 확인할 수 있다.

얼마나 켜져 있는가?

간단한 문제다. R3-C2 회로에서 0V ~ 2/3Vcc 충전되는 시간을 구하면 된다.
지난 포스팅처럼, 계산해서 구해 보면

가 나옴을 알 수 있다.

축전기의 전압(전위) 변화와 함께 따라가며 이해를 점검해보자

위 그림은 전자회로 시뮬레이션 Proteus를 통해 그린 위 회로의 타이밍도이다.
가로축(시간)은 200ms / div이고, 세로축(전압)은 5V / div이다.
화살표를 통해 따라가보자.
1은 스위치를 누른 순간이다. C1오른쪽 전압이 순간적으로 0가 되었다가, 다시 충전됨을 볼 수 있다. 이에 따라 S = 1이 되면서 1'처럼 출력 펄스가 High가 됨을 알 수 있다. 또, 이때부터 C2가 충전되기 시작함을 볼 수 있다.

2는 스위치를 다시 연 순간이다. 현재 걸려 있는 전위차에 의해 잠깐 솟았다가, 다시 9V가 됨을 볼 수 있다.

3은 C2의 전압이 2/3Vcc, 즉 6V에 도달해서 충전이 멈춘 순간이다. 이 순간 R = 1이 되어 4처럼 출력 펄스가 Low가 됨을 볼 수 있다.

한번 시간도 계산해 보자. 회로에서 사용한 R3 = 200kΩ, C2 = 10uF이므로 출력 펄스의 지속 시간은 2.197s임을 위 식을 통해 계산해 볼 수 있다.

그림 상에서 출력 펄스가 High인 시간 간격을 보면 2.21s, 즉 이론값과 실제값이 0.904% 밖에 차이가 나지 않음을 볼 수 있다.

끝!