Cds Sensor
2N3903-D.PDF이번 포스팅에서는 Cds라는 조도센서를 이용하여 빛 감지 회로를 분석해 보겠다.
Cds는 조도센서, 광센서 라고 불리며 빛이 입사하면 전도성이 되는 반도체이다. 즉 빛의 세기에 따라 저항 값이 변하는 가변저항이라 할 수 있다. 일반적으로 Cds라고 하는 이유는 황화카드뮴(CdS)을 사용해서 만들어 지기 때문에 Cds라고 불린다.
이번에 분석할 회로는 다음과 같다. 본 포스팅에서는 Cds를 사용하기 위해 Pspice가 아닌 프로테우스를 활용하였다.
회로를 분석할 때는 무엇을 먼저 봐야 할까? 가장 먼저 전원을 봐야한다. 본 회로는 현재 9V의 전원을 가지고 구동하고 있다. 그리고 저항 R1과 R2가 병렬연결되어있어 각각의 라인이 9V의 전압을 갖는 것을 알 수 있다. 그리고 R1은 Cds와 연결되어있고 R1과 Cds사이에 NPN타입의 트랜지스터가 연결되어있다. 그리고 트랜지스터와 저항 R2사이에는 LED가 연결되어 있다.
회로를 둘러보았으니 이제 데이터시트를 보면서 각 소자에대한 분석을 해보자.
Cds의 데이터시트를 보면 다음과 같은 글과 그림을 볼수있다.
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첫번째 글을 보면 Cds의 구동 범위를 알 수 있다. 첫번째 문장 Light Resistance at 10Lux (at 25℃)는 상온 25도에서 Cds에 10Lux의 빛을 비추면 8~20KΩ의 저항을 갖는다는 것이다. 그리고 다음줄을 보면 Cds가 어두울때 1MΩ의 저항 값을 갖는다는 것을 알 수 있다. 그리고 Power Dissipation을 통해 Cds가 100mW의 전력을 견딜 수 있고 다음줄 Max Voltage를 통해 Cds에 가해지는 최대 전압을 알 수 있다.
그리고 옆에 그림을 보면 Cds에 점점 밝은 빛을 비출수록 저항 값이 낮아짐을 알 수 있다.
그리고 NPN형 트랜지스터의 데이터시트를 보자
데이터 시트에서 Base-Emitter Saturation Voltage를 통해 Base와 Emitter에 최소 0.65 ~ (Ic = 10mA)0.85V, (Ic = 50mA)0.95V 의 전압차가 발생하면 전류가 Collector에서 Emitter로 흐를 것임을 알 수있다. 그리고 회로에서 쓰인 Led는 2.2V의 구동전압을 갖으며 10mA의 구동전류를 갖도록 설정했습니다.
지금까지의 데이터시트를 통하여 트랜지스터의 Collector에는 10mA의 전류가 흐르고 Cds와 저항 R1의 직렬연결로 전압분배가 되어 트랜지스터의 Base단의 전압으로 들어가는 것을 알 수 있습니다.
그렇다면 지금까지의 데이터시트 분석으로 회로가 어떻게 구동이 되는지 분석이 가능합니다.
회로를 동작하면 다음과 같은 반응이 일어납니다.
회로를 보면 Cds에 빛이 들어오지않으면 Led가 켜지는 것을 알 수 있습니다. 왜냐하면 Cds에 빛이 들어오지 않으니 Cds의 저항 값이 데이터 시트에서 보듯이 1MΩ만큼 높아지고 저항 R1과 Cds에 9V의 전압분배가 일어나면서 Cds에 전압이 걸리기 때문입니다. 그리고 Cds와 트랜지스터의 Base단은 R1을 기준으로 병렬 연결되어있기 때문에 똑같은 전압 값을 갖습니다. 즉 R1과 Cds는 1:10의 저항비를 갖고있으므로 Cds와 트랜지스터의 Base 단에는 약 8V의 전압이 걸리게 됩니다.
이전 데이터시트에서 트랜지스터의 Base단의 전압이 최소 0.65V에서 구동이 된다는 것을 보았습니다. 빛이 없을때 트랜지스터 Base단에 걸리는 전압은 약 8V이므로 트랜지스터 Collector단에서 Emitter단로 전류가 흐르게되어 Led에 불이 들어오게 됩니다.
만약 Cds에 빛을 준다면 어떻게 될까요?
다음 그림은 Cds에 빛을 주었을때 동작하는 모습입니다. 그림을 보면 Led가 켜지지 않는다는 것을 알수 있습니다.
Cds의 데이터시트의 그래프를 보면 100lux에서 저항 값을 약 1Ω만큼 갖는다는 것을 보았습니다. Cds가 1Ω의 저항 값을 가지고 있으므로 R1과의 전압분배에서 Cds는 전압을 거의 갖지 않게 됩니다. 이는 트렌지스터의 Base단에 전압이 거의 걸리지 않는다는 것입니다. 따라서 트랜지스터의 Collector에서 Emitter로 전류가 흐르지않으면서 Led가 켜지지 않게 되는 것입니다.
또한 100lux는 어두운 낮의 밝기 입니다. 즉 본 회로는 밤에는 불이켜지고 낮에 불이 꺼지는 회로임을 알 수 있습니다.
지금까지 Cds를 이용한 빛 감지 회로를 살펴보았습니다. 이번에는 저항 R1과 R2의 쓰임에 대해 이야기를 해보겠습니다.
저항 R1과 R2의 용도는 무엇일까요? R1의 쓰임은 본 포스팅을 보면서 눈치 채셨을 것입니다. 바로 Cds와 전압분배입니다. Cds주변이 어두워지면서 저항 값이 높아질때 전원 9V가 R1뿐만아니라 Cds도 걸리게 됩니다. 좀 더 공부를 하셨다면 이 전압분배가 어떤 용도인지 아실 것입니다. 현재 R1의 저항값은 100KΩ입니다. 만약 R1의 저항값을 10KΩ으로 10배를 낮춘다면 어떻게 될까요? 그렇다면 0lux에서 저항비는 1:100이 될것입니다. 이는 Cds에 더 많은 전압이 걸린다는 것을 의미합니다. 이 전압은 트랜지스터의 Base전압과 동일합니다. 다음 그래프를 보겠습니다.
빨간색 그래프는 y=100x 그래프이고 초록색 그래프는 y=10x 입니다. 초록색 그래프가 빨간색 그래프에 비해 좀더 완만한 것을 볼 수 있습니다. 이는 회로에서 Cds와 R1간의 관계로 볼 수 있습니다. 저항 비가 1:100일 때 Cds에 더 높은 전압이 걸리게 되고 1:10에서는 낮은 전압이 걸리는 것입니다. 이를 해석하면 R1의 저항 값이 높아질수록 Cds에는 전압이 천천히 걸린다는 것입니다. 즉 R1은 Cds의 민감도를 조절하는 것으로 볼 수 있습니다.
이번에는 저항 R2에 대해 얘기해보겠습니다. 본 회로를 해석할때 Led가 2.2V의 전압강하와 10mA의 전류가 필요하다고 했습니다. 그러므로 Led를 구동시키기 위한 10mA의 전류가 필요하다는 것입니다. 그러나 Led안에 있는 저항은 매우 작기 때문에 저항 R2가 없다면 매우 높은 전류가 흐르게 됩니다. 이는 Led 소자가 견딜수 있는 전력을 초과하게 되어 일시적으로는 Led에 이상이 없지만 Led의 수명을 깎을 수 있습니다. 이럴때 저항 R2를 통하여 전류를 조절하게 됩니다. Led에는 2.2V의 전압강하를 갖고 저항 R1과 직렬연결 되어있기 때문에 저항에는 9V에서 2.2V를 뺀 6.8V의 전압이 걸린다는 것을 알 수 있습니다. 이때 옴의 법칙을 적용하여 저항 값을 구할 수 있습니다.
위와 같은 식에 6.8V과 10mA를 대입하여 저항값이 680Ω이 나오게 됩니다. 하지만 본 회로에서는 100Ω의 저항을 사용하였습니다. 저항에는 똑같이 6.8V가 걸리고 있으므로 현재 회로에는 68mA의 전류가 흐르고 있다는 것을 알 수 있습니다. 이는 Led소자에 과부하를 주어 수명을 깍되는 역할을 하게 됩니다. 하지만 본회로에서 Led의 전압강하가 2.2V 그리고 10mA의 구동전류가 있기 때문에 그럴 뿐이지 만약 40mA의 전류를 필요로 하는 Led가 사용된다면 본 회로에서 사용한대로 100Ω의 저항을 사용해야 할 것입니다.
지금까지 빛 감지 센서의 회로분석을 해보았습니다. 포스팅에서 사용된 Cds와 트랜지스터의 데이터시트는 포스팅 처음에 첨부를 하였으니 데이터시트를 다운받아 본인이 해석을 해보시면 좋은 경험이 될 것 입니다. 다음 포스팅에서는 수위 경보기 회로를 분석해 보겠습니다.