전자 회로 기호 : 전기 및 전자 다이어그램을 이해하는 방법

회로 기호는 복잡한 회로와 구성요소를 표준화하고 단순화하여 전기 및 전자 다이어그램에서 필수적으로 사용됩니다. 이러한 기호는 엔지니어, 전기 기술자, 그리고 기술자들이 문서 없이도 회로의 기능을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 기호들의 보편적인 인식은 언어와 지역을 초월해 일관된 해석을 가능하게 하며, 교육 및 훈련에 큰 도움을 줍니다.

회로도는 스위치, 커패시터, 저항기, 배터리와 같은 다양한 부품들로 구성되며, 이들은 배선이나 넷으로 연결됩니다. 각 부품은 고유한 기호와 특정한 특성을 가지고 있습니다. 부품의 작동 원리를 이해하는 것은 효과적인 회로 설계와 분석에 필수입니다. 저항기, 커패시터, 트랜지스터의 특성에 대한 지식은 엔지니어가 부품 간의 상호작용을 예측하고, 원하는 결과를 얻으며, 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 합니다.

회로 기호는 어떻게 회로 다이어그램을 구성하나요?

전자 회로 기호는 다양한 회로 구성 요소를 묘사하는 간결한 그림이나 픽토그램(pictograms)입니다. 이러한 그림에서 전기 요소들은 보통 구성 요소를 연결하는 두 개 이상의 단자를 가지고 있습니다. 주된 전기 및 전자 기호로는 접지 전극(ground electrode), 배터리, 저항기 등이 있습니다. 이러한 기호를 통해 가장 복잡한 회로도도 표현할 수 있습니다. 이 기본적인 기호들만 있으면 전기 회로도를 그릴 수 있습니다. 예를 들어, 기본 회로는 배터리, 스위치, 그리고 폐쇄된 회로로 연결된 전구로 구성됩니다.

동일한 회로가 여러 형식으로 표현될 수 있지만, 시각적 표현이 더 직관적입니다. 그러나 구성 요소의 수가 증가함에 따라 시각적 복잡성도 증가합니다. 회로를 구축하거나 PCB를 설계하는 프로젝트를 시작할 때 전자 기호를 이해하는 것이 필수적입니다. 회로도 배치는 PCB 설계의 첫 단계이며, 기호를 이해하지 못하면 이러한 프로젝트를 진행하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.

회로를 기호와 단어로 표현하기

일반적으로 특정한 사물을 설명할 때 단어로 충분할 때가 많지만, 회로도에는 자체적인 장점이 있습니다. 회로도는 다양한 기호를 통해 쉽게 이해할 수 있습니다. 단어로 회로를 표현하는 것은 쉬운 작업입니다. 예를 들어, 위에 제시된 회로를 "배터리가 스위치와 전구에 직렬로 연결되어 있다"라고 설명할 수 있습니다. 이는 이해하기 매우 쉽습니다. 하지만 회로가 커지고 복잡해지면 이를 표현하기 위해 회로도와 기호를 사용해야 합니다. 이는 사람들이 회로의 동작을 빠르게 분석할 수 있게 도와줍니다. 요약하자면, 전자 기호는 회로에 대한 이해를 단순화합니다. 이는 우리의 시간을 절약하고 쉽게 이해할 수 있습니다.

회로 기호의 장점

기호의 정확한 의미는 점, 선, 문자, 문자 간격, 음영, 숫자의 조합으로 제공됩니다. 다양한 기호의 기본 구조를 익히고 있어야 회로와 그에 대응하는 기호의 의미를 이해할 수 있습니다. 기호를 사용하는 주요 장점은 다음과 같습니다.

생산 과정의 혼란 감소 - 정의된 전기 기호 세트를 사용하면 유사한 구성 요소에 다양한 기호를 지정하는 것이 불가능합니다.

재작업 감소 - 단일 표준화된 전기 기호 세트를 개발하고 사용함으로써 불필요하고 중복된 회로도 재작업이 감소됩니다.

전기 및 기계적 의사소통 향상 - 표준화된 전기 기호 사용은 MCAD와 ECAD 팀간의 오해를 줄여줍니다. 2D 기호와 3D 모델 부품 간의 연결을 사용하면 작업의 일관성을 유지할 수 있습니다.

시간 절약 - 표준화된 전기 기호는 재작업을 줄이고 오해를 방지함으로써 시간을 절약해줍니다.

기호 디자인의 물리학적 원리

기호는 전기/전자 부품을 나타내는 데 사용됩니다. 앞서 언급된 것처럼, 부품이 어떻게 작동하는지에 대한 지식을 갖는 것이 매우 중요하며, 이는 다양한 기호의 디자인 개념이 시작되는 출발점입니다. 각 기호는 실제 부품의 기본적인 물리학을 설명할 수 있는 능력이 있습니다. 대부분의 기호 디자인은 다양한 국가 및 국제 표준을 기반으로 하며, IEC 표준, JIC 표준, ANSI 표준, IEEE 표준 등 있습니다. 전기 심벌은 표준화되어 있지만, 이전의 전통에 따라 공학 분야에 따라 다소 차이가 있을 수 있습니다.

회로의 물리학을 설명하는 예시 : 대부분의 전기 회로 기호에는 스위치와 배터리가 포함되어 있으며, 아래와 같습니다.

스위치(Switch) : 위의 스위치 기호는 회로에서 닫힘(폐회로)과 열림(개회로) 상태를 나타내며, 이 기호는 전 세계적으로 통용합니다.

전구(Light Bulb) : 전구는 저항을 가지고 있어서 전류가 흐를 때 가열되어 빛을 냅니다. 여기 기호에서는 저항성 소스에서 나오는 빛을 십자 표식으로 나타내고 있습니다.

배터리(Battery) : 배터리는 내부에 화학 전해질이 포함된 여러 셀로 구성된 에너지원으로, 극성을 제공합니다. 배터리 기호의 셀은 양극과 음극이 언급된 두 개의 불균등한 평행선으로 표현됩니다.

전선(Wire) : 전선은 두 장치 간의 연결 도체로, 매우 낮은 저항을 가지고 있습니다. 따라서 연결을 나타내기 위해 단순히 직선으로 표현됩니다.

구성 요소에 대한 지식 없이는 쉽게 설명할 수 없는 복잡한 기호들도 있습니다.

설계 물리학과 함께 하는 회로 다이어그램 기호

회로도는 전자 회로에서 사용되는 기호를 시각적으로 표현하는 데 사용됩니다. 모든 회로는 다양한 부품을 나타내기 위해 표준화된 기호를 사용합니다. 기본적인 전기 장치를 표현하기 위해 여러 전자 회로 기호가 사용됩니다. 저항기, 커패시터, 인덕터와 같은 수동 소자, 다이오드, 트랜지스터, 증폭기 및 변압기와 같은 능동 소자, 측정 장치 및 논리 게이트 등 각각의 전기 장치나 구성 요소에는 고유의 회로 기호가 있습니다. 다음은 가장 많이 사용되는 전자 부품 기호와 그 설계 원리에 대한 설명입니다.

수동 소자

전선 : 전선은 다양한 부품을 연결하는 데 사용되며, 이에 따라 직선으로 표시됩니다. 교차하는 두 전선은 서로 연결될 수도 있고 연결되지 않을 수도 있습니다. 연결되지 않은 경우 교차선으로 정의되며, 연결된 경우 교차점에 점이 표시됩니다.

스위치 : 스위치 기호는 회로의 닫힌 회로 연결과 열린 회로 연결을 나타내므로 기호는 이에 따라 보편적으로 적용됩니다.

저항기 : 저항기는 전류 경로의 장애물이므로 지그재그 모양으로 그려집니다. 반면에 가변 저항기는 특정 범위에서 원하는 값을 취하는데, 이는 기호에 따라 가운데에 화살표가 있는 저항기로 표시됩니다.

커패시터 : 커패시터는 전하 형태로 전기 에너지를 저장합니다. 커패시터 내부에는 전하를 저장하는 두 개의 판이 있으며, 기호는 일정 간격으로 나란히 있는 두 막대로 표현됩니다. 저항기처럼 가변 커패시터도 존재하며, 그 기호는 가운데에 화살표가 포함되어 있습니다. 커패시터는 극성형과 비극성형으로 나뉘며, 극성형 커패시터는 양극과 음극이 있고, 비극성형 커패시터는 극성이 없습니다.

인덕터 : 인덕터는 또한 자기장 형태의 에너지 저장 장치입니다. 비극성 장치이며 코일과 같은 구조를 가지고 있으므로 기호는 다음과 같이 표현됩니다.

안테나 : 안테나는 RF 전자 장치에서 가장 일반적으로 사용되는 장치로, 수신기의 첫 번째 섹션입니다. 안테나는 전자파를 방출/수신하며, 설계는 응용 분야에 따라 다를 수 있지만 기호는 다음과 같습니다.

전원 기호

배터리 : 셀로 구성된 에너지 원이며, 내부에는 화학 전해질이 들어 있어 극성을 제공합니다. 배터리 기호에서 셀은 두 개의 길이가 다른 평행선으로 표현되며, 각각 양극(+)과 음극(-)이 표시되어 있습니다.

접지(Ground) : 전기 회로에서 접지는 전압 수준의 공통 기준점을 제공하며, 전류가 되돌아가는 경로 역할을 합니다. 이름에 따라 채택된 기호는 다음과 같이 나타냅니다.

VDD : 전기 네트워크에서 VDD는 회로의 양(+) 전원 공급 전압을 나타내며, 종종 접지(GND)와 함께 사용됩니다. VDD와 GND는 배터리의 양극(VDD)과 음극(GND)을 나타내는 라벨 유형입니다. VDD의 기호는 다음과 같이 규정됩니다.

암미터와 볼트미터 : 암미터는 전기 회로에서 전류를 측정하며, 회로 요소와 직렬로 연결됩니다. 볼트미터는 회로 요소의 전압을 측정하며, 병렬로 연결됩니다. 이 두 종류의 계측기는 아날로그 방식이며, 아래와 같은 움직이는 코일 기구를 가지고 있습니다.

변압기 : 전기 회로망에서 변압기는 전자기 유도를 통해 회로 간에 전기 에너지를 전송합니다. 변압기는 코어 주위에 1차 권선과 2차 권선으로 구성되며, 다음과 같은 기호로 나타냅니다.

엑티브 아날로그/디지털 부품

다이오드 : 전기 회로에서 다이오드는 전류가 한 방향으로만 흐르도록 하여 일방향 밸브 역할을 합니다. 다이오드는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 정류, 역전압 차단을 통해 회로를 보호하는 용도로 사용됩니다. 다이오드는 PN 접합으로 이루어진 극성 소자이며, 그 기호는 다음과 같습니다.

양극 접합 트랜지스터(BJT) : 트랜지스터는 전자 회로에서 전기 신호를 스위치로 작동시키거나 증폭하는 역할을 합니다. 이 장치는 3개의 단자를 가지고 있으며, 베이스 단자에 적용되는 전압에 따라 컬렉터와 이미터 단자 사이의 전류 흐름을 제어합니다. BJT는 NPN(전류가 나오는 형식)과 PNP(전류가 들어가는 형식) 두 가지 유형이 있으며, 전류의 방향에 따라 다음과 같이 기호로 나타냅니다.

MOSFET : MOSFET은 BJT(접합형 트랜지스터)와 유사한 동작을 하는 변형된 트랜지스터 유형입니다. 이 장치는 세 개의 단자를 가지고 있으며, 게이트 단자에 걸리는 전압에 따라 드레인 단자와 소스 단자 사이의 전류 흐름을 제어합니다. MOSFET은 금속 산화물 반도체 트랜지스터라고 불리며, 여기서 금속 산화물은 절연체 물질로서 게이트를 커패시터처럼 보이게 만듭니다. MOSFET의 기호는 다음과 같습니다.

SCR : 전자 회로에서 SCR(Silicon Controlled Rectifier)는 고전력을 제어하는 데 사용되는 사이리스터(thyristor)의 일종입니다. 이 장치는 스위치처럼 동작하여 게이트 신호가 적용되면 전류가 흐르기 시작하고, 전류가 임계값 아래로 떨어질 때까지 계속 켜진 상태를 유지합니다. SCR은 전력 제어와 정류에 널리 사용됩니다. 그 동작은 게이트 단자가 활성화 핀 역할을 하는 다이오드와 매우 비슷하므로, 다음과 같은 기호로 표현됩니다.

DIAC : 전자 회로에서 DIAC(교류용 다이오드)는 그 돌파 전압을 초과한 후에만 전류를 전달하는 양방향 트리(bidirectional trigger)장치입니다. 이러한 양방향 전도 특성 때문에 DIAC의 기호는 다음과 같습니다.

증폭기 : 전자 회로에서 증폭기는 신호의 전력, 전압 또는 전류를 증가시킵니다. 오디오, 라디오 및 통신 시스템에서 필수적으로 사용되며, 약한 신호를 강화하여 전송할 수 있게 합니다. 증폭기는 입력 및 출력 단자가 다를 수 있으며, 이 장치에 사용되는 표준 기호는 다음과 같습니다.

OPAMP : 전자 회로에서 OPAMP(연산 증폭기)는 차동 입력을 가진 다용도의 하이-게인 전압 증폭기입니다. 이는 신호 처리, 필터링, 덧셈, 뺄셈, 적분, 미분 등 수학적 연산에 사용됩니다. 또한, 여러 개의 핀을 가진 장치로, 그 기호는 다음과 같습니다.

버퍼 : 전자 회로에서 버퍼는 회로의 다양한 단계를 분리하여 부하 영향을 방지하고, 복잡한 회로에서 신호 무결성을 유지하는 데 필수적입니다. 버퍼는 게인이 1인 증폭기로 생각할 수 있으며, 입력 신호가 손실 없이 그대로 출력에 나타납니다. 버퍼의 기호는 다음과 같이 표시됩니다.

논리 게이트

논리 게이트는 디지털 전자공학의 기본 빌딩 블록으로서, 회로 설계 및 디지털 컴퓨팅에 필수적인 기본적인 논리 기능을 수행합니다. 이들은 이진 입력 신호를 받아 논리 연산을 통해 이진 출력을 생성합니다.

논리 게이트의 종류 :

● AND 게이트 : 모든 입력이 참 (1)일 때만 출력을 참으로 합니다.

● OR 게이트 : 하나 이상의 입력이 참일 때 출력을 참으로 합니다.

● NOT 게이트 : 입력 값을 반전시킵니다; 입력이 거짓일 때 출력을 참으로 합니다.

● NAND 게이트 : 모든 입력이 참일 때만 출력을 거짓으로 하며, 그 외의 경우에는 출력을 참으로 합니다.

● NOR 게이트 : 모든 입력이 거짓일 때만 출력을 참으로 합니다.

● XOR 게이트 : 입력 중 홀수 개가 참일 때 출력을 참으로 합니다.

이 논리 게이트는 복잡한 논리 연산을 수행하기 위해 다양한 방식으로 결합되어 사용되며, 컴퓨터와 기타 전자 기기를 포함한 디지털 회로의 핵심 요소입니다.

다른 도식 기호에 대해 더 알아보려면 아래 링크에서 문서 파일을 다운로드하여 확인할 수 있습니다.

링크 :

https://drive.google.com/file/d/1Ik6cuXN9-NXWe9lgpPLLt3YDHzpbGIUE/view?usp=sharing

맞춤형 PCB 설계를 위한 기호 생성 방법

회로 설계를 인쇄회로기판(PCB)으로 전환하는 과정은 여러 단계로 구성됩니다. 먼저 적절한 PCB 설계 소프트웨어를 사용하여 회로의 도식을 생성합니다. 도식은 앞서 설명한 것처럼 다양한 기호가 와이어로 연결된 회로도를 의미합니다. 그런 다음 동일한 소프트웨어를 사용하여 이 도식을 PCB 레이아웃으로 변환합니다. 레이아웃은 실제 PCB에서 부품의 배치와 배선을 설명합니다. 맞춤형 기호를 설계하려면, 회로도와 레이아웃 설계 전에 부품 기호 파일을 생성해야 합니다. 부품 기호 파일은 부품에 대한 모든 전자적 및 기하학적 정보를 포함하는 파일입니다.

다음은 PCB 설계 에디터에서 맞춤형 기호를 만드는 구체적인 단계입니다 :

아래 있는 예시는 EasyEDA를 사용하지만, 대부분의 설계 소프트웨어에서 절차는 유사하고 안내를 따라 주세요.

1단계 : EasyEDA에 로그인한 후, 상단 메뉴에서 File -> New -> Symbol로 이동하여 기호 설계 창을 여세요. 새로운 빈 회로도 창이 열릴 것입니다. 다음 단계로 넘어가기 전에 하드 디스크에 저장해 주세요. 생성하는 부품에 대응하는 파일 이름을 지정하는 것이 바람직합니다.

2단계 : 데이터 시트를 열고 이 창에서 설계하려는 부품의 핀 정보를 확인하세요. 여기에 NE555 타이머 IC의 예가 나와 있습니다.

3단계 : EasyEDA에서는 미리 정의된 기호들을 선택하여 사용할 수 있는 기호 마법사를 제공합니다. 해당 기호를 선택한 후 데이터시트에 따라 모든 핀에 이름을 지정하세요. 이것은 자동 기호 생성기입니다. 수동으로 생성하고 싶다면 다음 단계를 따르세요.

핀 정보는 다음에서 편집할 수 있습니다.

4단계 : 기호를 수동으로 설계하려면, 도면 메뉴의 유틸리티를 사용하여 부품의 상단 뷰 아웃라인을 그리세요. 대부분의 전자 칩은 직사각형 모양이지만, 어떤 모양이든 그릴 수 있습니다. 부품의 실제 모양과 크기는 나중에 생성될 배치 기호에서만 중요합니다.

5단계 : 부품의 데이터 시트에서 핀 배치 도면을 엽니다. 이 도면은 부품 주변의 핀 위치와 각 핀 옆에 이름이 적혀 있습니다. 왼쪽 메뉴 바에서 일반적으로 제공되는 핀 그리기 유틸리티를 사용하여 이전에 그린 부품 아웃라인의 모서리에 첫 번째 핀을 그리세요. 이 과정을 모든 핀에 대해 반복하세요. 부품의 데이터 시트에 주어진 핀 할당을 최대한 동일하게 복제하는 것이 좋습니다.

6단계 : 첫 번째 핀을 두 번 클릭합니다. 핀에 대한 세부 정보가 있는 대화 상자가 열립니다. VCC와 같이 구성 요소의 데이터 시트에 표시된 대로 이름을 입력합니다. 모든 핀에 대해 이를 반복합니다.

7단계 : 다른 모든 핀 세부 정보 수정

8단계 : 필요한 모든 세부 정보를 입력하고 파일을 저장합니다. PCB 구성 요소 기호가 생성되었습니다.

9단계 : 구성 요소 라이브러리를 탐색하고 이전에 저장한 레이아웃 기호를 두 번 클릭합니다. 그러면 레이아웃 뷰에서 기호가 열립니다.

결론

회로 기호는 전기 및 전자 회로를 이해하고 설계하며, 트러블슈팅하는 데 없어서는 안 될 도구입니다. 표준화된 기호를 사용하면 엔지니어와 기술자가 정확한 의사소통을 보장하고, 오류를 줄이며, 설계 과정을 효율화할 수 있습니다. 회로 기호의 중요성과 그 사용 방법을 이해하면 전문가들이 전기 및 전자 시스템을 효과적으로 작업하고 관리하는 데 큰 도움이 됩니다.