PCB설계, 수동소자(Passive element)의 이해

 

 

 

 

PCB 설계를 위해 수동소자를 알아야 되는 이유는 회로마다 수동소자는 필연적으로 많이 사용하고 있다

PCB에서 나타나는 노이즈 성분이 수동소자에서 발생한다. 수동소자의 배치나 부품 현상, 배선설계가

부적합할 시 PCB의 설계가 어려워 진다 수동소자에 대한 이해는 PCB의 고유기능을 안정적이게 하고

EMI 문제 해결에도 크게 도움을 준다

 

 

 

 

 

▶ 수동소자(Passive element), 능동소자(Active element)

 

  ▷ 수동소자

 

  에너지를 소비(R), 축적(C) 혹은 그대로 통과(L) 시키는 작용을 한다

  에너지를 소비하는 작용을 하고 수동적으로만 작용한다.

  외부의 전원이 필요 없이 단독으로 동작이 가능하다

  ex) 저항(Resistance), 커패시터(Capacitor), 인덕터(Inductor) 등

 

  ▷ 능동소자

 

  전원을 공급받아 에너지를 발생시켜 에너지를 변환하는 소자이다

  수동소자에서는 할 수 없는 증폭, 발진, 정류와 같은 기능을 수행한다

  외부의 전원이 반드시 인가되어야만 동작이 가능하다

  ex) TR, 증폭기(Op-Amp), 다이오드(Diode) 등

 

 

 

 

▶ 저항 (Resistance)

 

전자가 이동(전류가 흐를 때) 하면서 분자와의 충돌로 인해 열로 변환하여 사라질 때

전자의 이동을 방해하는 성질을 갖고 있다.

 

 

  ▷ 저항(Resistance)이 회로(Circuit) 특성에 미치는 영향

 

  컴포넌트(Component)를 제작 해 부품 외형을 Library에 등록할 때, 회로의 특성에

  따라 부품의 형상을 아주 중요하게 고려해야 한다.

 

 

  일반적인 저주파 회로시 (a)와 (b) 형상 모두 기판에 사용이 가능하다.

  그러나 고주파 회로나 RF회로의 경우에는 (a) 형상을 사용해야 한다.

 

  (b) 형상의 경우는 리드(Lead)가 (a)보다 길어 인덕턴스가 커 임피던스(Impedance)가 증가한다.

  높은 임피던스는 신호의 파형을 왜곡 하므로 신호의 전달특성이 좋지 않다.

 

 

 

  ▷ 저항(Resistance)의 역활

 

 

 

 

 

▶ 커패시터(Capacitor)

 

축전기라고 불리며, 전기를 일시적으로 저장하는 소자이다

도체가 형성된 두 개의 판에 유전체가 구성되어 있고

도체와 도체 사이 공간, 내부 전기장에 전하를 모으는 소자이다.

 

 

  ▷ 커패시터(Capacitor)의 충전(Charge)과 방전(Discharge)

 

  전압을 가하면 커패시터 양단에 전하가 모이면서 전하가 충전 된다.

  커패시터 충전은 전압이 점점 올라가다가 더 이상 올라가지 않은 일정한 값을 유지하는 상태이다.

 

  커패시터 양단의 전하들이 빠져나가면서 전하가 방전 된다.

  커패시터 방전은, 소스전압과 같아질 때까지 계속 전압이 낮아지는 상태이다

  

 

  ▷ 디 커플링 커패시터(Decoupling Capacitor)

  

  전원과 Ground 사이에 붙여주는 Capacitor를 의미한다.

  Logic IC 바로 옆에 위치하여 전원을 받아 충전(Charge)한 후, Logic IC가 일시적으로

  많은 전원을 소비할 때, 전원을 공급해주는 역활을 해준다.

  → Logic IC : 논리회로(AND, OR, NOT) 등의 게이트 회로를 집적한 시스템 반도체

 

  Logic IC 전원을 안정화 시키고 루프 면적을 세분화 하기 때문에

  노이즈의 방사나 침입을 방지하는데 효과적이다.

 

 

 

  ▷ 바이패스 커패시터(By-pass Capacitor)

 

  불필요한 교류 성분, 고주파 성분이 중첩됬을 때 불필요한 성분이

  부하에 유입되지 않도록 조성하는 역활을 한다.

 

  바이패스 커패시터가 없다면 초기에 오동작이 발생하고, Logic IC가 발진한다.

  최악의 경우에는 과열이 될 수 있다.

  

 

  ▷ 디 커플링 커패시터와 바이패스 커패시터의 공통점, 차이점

 

 

 

 

 ▷ PCB 설계시, 커패시터 필요성

 

  커패시터는 회로에 가장 많이 사용하는 소자이다. 충전과 방전의 기능을 수행하므로

  Logic IC 전원의 안정화를 지속적으로 유지할 수 있다.

 

  EMI를 개선하는 데 중요한 역활을 한다 커패시터는 교류성분만을 통과시키는 성질로

  고주파 노이즈를 제거하는데 효과적이다.

 

 

 

▶ 인덕터(Inductor)

 

시간에 따라 변하는 전류를 도선에 흐르게 되면, 도선 주위에 자기장의 영향으로

그 도선에 전압이 유도된다. 도선을 나선 형태로 감아서 코일로 만든 소자이다

  ▷ 인덕터의 단위

 

  H (Herny, 헨리)를 사용하고 , 어떠한 코일이 1초 동안에 1[A] 의 전류가 변할 때

  다른 쪽의 코일에 1[V]의 유도 기전력이 발생하는 경우 1[H] 가 된다.

 

  ▷ 인덕터의 성질

 

  전류의 변화를 안정시키려는 성질이 있다 → 평활 회로(Smoothing Circuit)

    ● 인덕터는 전류가 흐르려 하면 전류를 억제하려 하고, 전류가 억제하려 하면 흐르려고

        하는 성질이 있다. 이 성질을 이용하여 교류로 부터 직류로 변환하는 평활회로에 사용한다.

 

  상호유도 작용이 있다 → 트랜스(Trans)

    ● 두 개의 인덕터를 접근시켜 한쪽 인덕터의 전력을 다른 쪽 인덕터에 전달한다

       PCB설계 에선 1차 측과 2차 측을 반드시 분리하여 배치시켜야 한다.

 

  전자석 성질이 있다 → 릴레이(Relay)

    ● 전류가 흐르면서 철, 니켈 등을 흡착하는 성질이 있다.

 

  공진하는 성질이 있다 → TV, Radio

    ● 인덕터와 커패시터를 조합해 선택 주파수를 얻을 수 있다.

        공진 현상을 이용해 필요한 주파수를 통과시키는 필터를 만들 수 있다.