[한권으로 읽는 컴퓨터 구조와 프로그래밍] 비트를 처리하기 위한 하드웨어

릴레이

릴레이 작동 원리

 

릴레이는 내부에 '전자석'(코일)을 포함하고 있습니다. 이 전자석은 전류가 통하게되면 자석이되는 성질을 갖고 있습니다.

때문에 전원을 공급하게되면 릴레이 내부에 전자석이 자석이되어 옆에 있던 철편을 끌어당겨 스위치가 ON 이 되는것입니다.

릴레이는 여러 종류가 있지만, 모두 이러한 원리로 작동합니다.

3,4번으로 5VDC (구동전압) 입력시 코일에 전류가 흐르며 자석이됨.

코일이 자석이되면 철편(스위치)을 끌어당겨 스위치가 ON됨.

1,2번이 연결(스위치 ON)되어 220VAC가 흐르며 조명이 켜지게됨.

 

e.g) 수도 밸브, 모터, 발전기..

 

역기전력이란?

릴레이 코일에 인가되는 전기가 차단되었을 때 순간적으로 300볼트 이상의 위험 전압이 생성되는 것.

이때 발생하는 과전압은 전자회로 부품들에게 치명적일 수 있다.

 

e.g) 자동차 점화 코일이 점화 플러그에 불꽃을 튀기게 할 때, 전기펜스

 

단극단투 릴레이

전력이 들어가지 않았을 때 열려있는 스위치 => 평상시 열린 릴레이

전력이 들어가지 않았을 때 닫혀있는 스위치 => 평상시 닫힌 릴레이

 

AND회로에서 나온 출력을 아래쪽 OR 회로의 입력 구동중 하나를 구동하기 위해 연결할 수 있다.

이런 능력을 활용하면 한 스위치가 다른 스위치를 제어하게 만들 수 있다.

 

스태퍼 릴레이

코일이 두개인데 하나는 에너지가 들어올때마다 접점을 다음 위치로 옮기고(에너지 전달),

다른 코일은 최초 위치로 돌려보내서 릴레이를 재설정한다

 

e.g) 다이얼을 사용하는 전화기

 

릴레이에서 전이 함수의 문턱값은 수직이다

코일에 가하는 전압을 아무리 천천히 높여도 스위치는 항상 단숨에 다른위치로 움직인다.

방에 전등 스위치를 킬때 아무리 스위치를 천천히 눌러도 단숨에 켜지는 것 처럼!!!

 

릴레이의 단점

느리고, 전기를 많이 사용한다.

먼지 또는 벌레가 스위치 접점에 있으면 제대로 작동하지 않는다.("버그"라는 말이 유명해진 계기)

역기전력의 초고압때문에 접점이 마모된다.

=> 기계적인 부품이 들어있지 않은 다른 물건을 찾자!!

 

 

진공관

진공관의 구조와 작동원리

물체를 충분히 가열하면 전자가 튀어나오는 열전자 방출이라는 현상을 기반으로 진공관을 만들었다.

 

히터(캐소드를 가열한다) => 캐소드(가열되면서 전자를 던진다)

=>그리드(전자가 애노드에 닿지 않게 쫓아낸다, 전류의 양 조절) => 애노드(전자를 받는다)

 

처음에 그리드에 전압을 걸어주면 전자가 그리드에서 되돌아가서 전류가 흐르지 않는다.

여기에 그리드의 전압을 낮추면 낮출수록, 플레이트로 흐르는 전자의 양이 많아지게되고 진공관을 흐르는 전류가 증가하게 된다.

 

진공관의 장점과 단점

장점 : 움직이는 부분이 없어서 릴레이보다 훨씬 더 빠르다

단점 : 전구와 같이 진공관도 아주 뜨겁고 깨지기 쉽다.

 

 

트렌지스터

Transfer Resistor이라는 말을 줄여서 Transistor가 되었다

진공관과 원리는 비슷하지만 반도체라는 도체와 부도체 사이를 오갈 수 있는 특별한 물질을 사용한다.

도체 : 전기가 잘 통하는 물질
부도체: 전기장이 형성되어도 전류가 흐르지 않는 물질
반도체 : 도체와 부도체의 중간

 

트렌지스터의 한계

도체가 가늘고 얇아지면 저항이 더 늘어나기 때문에 열이 발생

반도체는 쉽게 녹을 수 있기 때문에, 트렌지스터에서 열을 제거하는 일은 아주 중요한 문제이다.

 

트렌지스터는 반도체 물질로 이루어진 기판 or 슬랩위에 만들어진다

트렌지스터는 다른 기술과 달리 개별로 생산되는 물체가 아니다.

트렌지스터는 트렌지스터 그림을 실리콘 웨이퍼 위에 투영해서 현상하는 광식각 이라는 과정을 통해 만들어진다.

대량생산에 적합하다.

 

쌍극 접합 트렌지스터와 필드 효과 트렌지스터

위험한 물질을 기판 물질의 성질을 변화시키기 위해 얇게 분사하는 것 => 도핑

도핑은 p와 n 유형의 물질로 이루어진 영역을 만들어내는데

트랜지스터를 만드려면 p와 n의 샌드위치를 만들어야 한다

 

트랜지스터 => 밸브나 스위치

게이트, 베이스 => 스위치 손잡이

손잡이가 올라가면 전기가 위에서 아래로 흐른다

쌍극 접합 트랜지스터에서는 전기가 한 방향으로만 흐를 수 있다.

 

금속산화물 반도체 전계 교화 트랜지스터

는전력소모가 적어서 현대 컴퓨터 칩에서 가장 많이 쓰이고 있다.

 

 

집적회로

트랜지스터를 사용하면서 더 효율적인 논리회로를 만들 수 있게 되었다.

하지만 트랜지스터를 사용하면 간단한 회로를 만드는데에도 부품이 너무 많이 필요하다.

 

집적 회로란?

집적회로란, 하나의 반도체 기판에 다수의 능동소자 (트랜지스터, 진공관등)와 수동수자 (저항, 콘덴서, 저항기등)를

초소형으로 집적, 서로 분리 될 수 없는 구조로 만든 완전한 회로기능을 갖춘 기능소자

 

간단하게 다수의 회로가 모여있는 것!!

생긴 모양 때문에 칩이라고 불렸다

 

 

새로운 기술이 나올때마다 회로는 더 작아지고 저렴해지고 에너지를 더 효율적으로 사용하게 되었다