PCB 회로 소자의 공통적인 법칙

1. 소자의 구분

전기/전자 소자는 크게 수동 소자와 능동 소자로 구분한다.

 

수동소자 (Passive Element)

R(저항), C(커패시터),  L(인덕터)

수동소자는 전원이 없어도 동작할 수 있는 독립적인 소자 / 전기 에너지의 입력에 대해 에너지를 소모하거나 전달, 저장하는 동작과 같이 수동적인 역할만 하는 소자를 말한다. 수동소자는 대표적으로 R(저항),L(인덕터),C(커패시터)가 있으며, 선형적인 특성을 가진다.

 

능동소자 (Active Element)

다이오드, 트랜지스터, 레귤레이터, MCU

능동소자는 동작을 위해서는 전원의 입력이 꼭 필요하며, 이렇게 전원 입력을 받아 입력 신호를 증폭/변환 하여 출력하는 소자를 말한다. 능동소자에는 다이오드, 트랜지스터, OPAMP, CMOS, 메모리 소자 등이 있다. 비선형적인 특성을 가진다.

능동소자는 반도체를 사용하여 만들어지며, 개별소자와 집적회로로 나뉜다.

개별소자는 단독으로 소자 기능을 할 수있는 소자를 의미하며, 다이오드/트랜지스터가 대표적이다.

개별소자들과 수동소자들을 조합하여 만든 회로를 하나의 패키지 안에 설계한 소자를 집적회로(IC) 라 하며, OPAMP, CMOS, CPU, MCU 등이 있다.

 

2. 전기/전자 소자들의 기초적인 공통 특성

(1) 모든 소자에는 정격 전압과 정격 전류가 있다.

저항과 같은 소자는 전류 전력을 소비하여 열로 소비한다. 이렇게 발생되는 매우 높게 된다면 소자 내부의 와이어, 패키지(포장재) 등이 훼손되어 더 이상의 기능을 하지 못하게 된다. (일명 태워먹는다....)

높은 전압은 전기가 도통되면 안되는 절연체를 파괴하고 의도치 않은 전류가 흐르게 하여 소자를 파손한다.

이를 절연 파괴라고 한다.. 이와 같이 소자가 정상 동작할 수 있는 전압/전류 범위는 어디까지 인가, 어느 한계 까지 사용 가능한지 정격이 정해져 있다.

정격 허용 전류 / 전압 (Rated Current / Rated Voltage) :

모든 소자는 정격 전압 또는 전류 내에서 사용되도록 설계 되어야한다.

최대 전류 / 전압 (Maximum Current / Maximum Voltage) :

소자가 파괴되지 않는 한도의 인가 될 수 있는 최대 입력의 크기를 나타내는 것으로 정상동작을 보장하지 않는다.

(2) 모든 소자에는 사용 가능한 온도에 대한 정격이 있다.

전자장치에 사용되는 소자에는 정상 동작하기 위해 소자가 사용될 수 있는 정격 온도가 있다.

전기/전자 시스템 제품이 갖추어 할 온도 규격은

상업용 : 0~70 °C

산업용: -40 ~ +85 °C

군사용: -55 ~ 125 °C

또한, 온도에 따라 소자들의 특성,용량 값이 조금씩 달라진다는 것을 알고 이에 대응되는 설계를 해야한다.

이들은 소자의 데이터시트에 명시가 되어있으므로 꼼꼼하게 살펴보는 것이 좋다.

 

(3) 모든 소자에는 오차가 존재한다.

제조 공정 시에 오차 또는 소재의 특성 오차로 인해 모든 소자에는 오차가 존재할 수 밖에 없다.

이런 이유로 오차 ±5%, ±10% 등의 이정도 오차율을 가져도 허용하겠다는 허용 오차 (Tolerance)가 존재한다.

예를 들어 저항 100Ω이 ±10%의 오차를 가진다면, 실제 회로의 저항은 90~110Ω 사이의 어떤 값이라도 될 수 있다는 것이다. 당연하게도 오차율이 낮으면 낮을 수록 소자의 가격은 비쌀 수 밖에 없다.

회로 설계에서는 이러한 오차 또한 고려하여 설계하는 것이 좋다.

 

(4) RLC 수동소자를 비롯한 용량을 가진 소자들은 종류별로 생산되지 않는다.

전기/전자 소자의 제조사들은 실제 시장에서 많이 사용되는 용량의 소자들만 생산한다.

따라서, 생산되는 소자들의 용량 값을 알고 있어야 하며 생산되는 소자의 용량 값에 따른 설계가 필요하다.

(5) 모든 소자에는 의도치 않은 기생 성분들이 존재한다.

모든 소자와 회로에는 의도치 않은 기생 저항, 기생 커패시턴스, 기생 인덕턴스가 항시 존재한다.

보통은 이 기생 성분들이 미세하게 아주 작기 때문에 문제가 되지 않지만, 고속의 신호에서는 특히 주파수에 영향을 받는 커패시턴스, 인덕턴스의 성분으로 인하여 문제가 될수도 있다.

(6) 모든 소자는 DIP타입, SMD타입으로 구분되어 나누어 진다.

이에 대한 설명은 아래를 참조...

https://machinejw.tistory.com/28

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