전자 키트 갖고 놀기 – 화재경보기와 도난경보기 편

1. 두 개의 키트

기말고사도 끝났겠다, 뭔가 좀 재미나는 게 없을까 싶어서 찾은 것이 초등학교 앞 문구점(…)이었습니다. 들어서는 순간 눈에 들어온 것은 늘 그랬듯 전자 키트죠. 그냥 "조립하니 작동된다더라" 정도에서 끝나고 만다면, 이 바닥에서 초딩꼴을 못 면할 것이 뻔하기에 지난 1학기 동안 전자공학과 전기공학 시간에 배웠던 내용들을 토대로, 이것들의 회로도를 분석해보는 것에 포커스를 맞추어 볼까 합니다. 자 그럼 한번 볼까요?

 

이번에 제가 산 거는 도난방지기와 화재 경보입니다. 사실 문구점에 이거 두 종류밖에 없더군요. (여러 종류 있었더라면 지름신이 강림하여서 전부 구매했었을 텐데 말입니다) 어쨌든, 이 둘에 대해 보자면, 조건만 맞으면 경보가 울린다는 공통점이 있죠. 한 10년 전쯤에는 음성변조기도 있었는데, 요즘은 음성변조기 키트를 안 파나 봅니다. 악용될 소지가 있어서일까요? -_-;;

 

포장을 풀어보면 이렇습니다. 스피커, AA 전지 홀더, 발광 다이오드 2개, 기타 트랜지스터, 저항, 콘덴서 등…… 소자들의 종류가 많은 듯 하지만 막상 풀어보면 별 거 없고 심플합니다. 대부분의 중요한 회로들은 곧 소개될 IC 에 모두 집적되어 있으니까요.

 

두 키트의 회로도입니다. 서미스터가 있는 회로가 화재경보기이죠. 한쪽을 뒤집어서 보면 두 회로는 거의 똑같음을 알 수 있습니다. 아니…… 완전히 같은 회로가 봐도 무방하겠죠.

 

2. M3731은 어떤 IC?

M3731.pdf

이 두 개 키트의 주인공인 M3731이라는 IC에 대해 알아보기로 합니다. 구글에서 검색하면 Datasheet는 손쉽게 얻을 수 있습니다. 데이터시트를 보다 보면 다음과 같은 핀 구성도가 나옵니다. 재미있는 사실은 이 칩이 4종류의 사이렌 소리 (소방차 사이렌, 앰뷸런스 사이렌, 경찰 사이렌, 장난감 총 소리)를 제공한다는 것입니다. 그러나 이 전자키트에는 소리의 종류를 선택하는 기능은 없군요. 이 소리 선택에 대한 파라미터는 K1~K4라고 명명된 핀에 입력되는 전압으로 보입니다.

제가 맞게 이해한 것인지는 잘 모르겠으나, 몇 가지 중요한 것을 짚어 보자면 아래와 같습니다. 오류가 있다면 댓글로 알려 주세요.

• M3731 아래 3가지의 부속 모델(M3731-1, M3731-2, M3731-3)이 있고 DIP-Type만 지원 됩니다.
• 총 18개의 핀이 있습니다.
• K1부터 K4까지는 멜로디 선택 핀입니다. 동시에 4개중 1개의 핀에만 전류가 입력되어야 합니다.
• PS는 반복 재생 여부입니다. 여기에 전류가 입력되지 않으면 사이렌은 1회 울리고 그칩니다.
• LH가 사이렌의 재생/정지를 제어합니다. 여기에 전류가 입력되어야 소리가 나옵니다.
• 소리는 BZ 핀을 통하여 출력됩니다. 출력되는 소리는 약하므로 트랜지스터를 이용해 증폭하여 스피커에 전달합니다.
• X와 Y 사이에는 저항을 붙입니다. (그냥 데이터쉬트에서 그러라고 하네요)
• L1과 L2는 각각 LED 연결하는 핀인데, 사이렌이 작동될 때 깜박거리는 기능을 하는 것으로 보입니다.
• M3731-2, M3731-3에는 특별히 모터 구동 핀이 있습니다. 사이렌이 울림과 동시에 모터를 구동시키나 봅니다.
• VDD는 기준전압과 연결하고, GND(혹은 VSS)는 접지와 연결합니다.

 

3. 사이렌의 작동 조건

- 두 개의 트랜지스터

앞서 설명드린대로, M3731은 LH에 전류가 들어오는 여부로서 소리가 출력됩니다. 도난경보기와 화재경보기는 LH에 전류 넣는 원리만 다를 뿐 나머지 출력에 관해서는 회로가 똑 같은 이유도 여기에 있습니다. 먼저, 위의 회로도를 참조하시면 LH로 들어가는 핀 쪽에 트랜지스터 2개가 일렬로 연결되었음을 볼 수 있습니다. 이해를 돕기 위해 회로를 간단하게 재구성 하였습니다.

1. Q1의 이미터가 Q2의 베이스에 연결됩니다. Q1의 베이스는 스위치와 연결됩니다.
2. 스위치가 닫히면 Q1의 베이스에 전류가 공급됩니다.
3. 트랜지스터는 베이스에 약한 전류가 공급되면 컬렉터에서 이미터로 전류를 통과시키는 작용이 있는데(트랜지스터의 스위치 소자 작용), 이 현상에 의해 전류는 (Q1의 컬렉터) + (Q1의 베이스) = (Q1의 이미터) = (Q2 베이스로 유입되는 전류)의 순으로 흘러 들어갑니다. 베이스에 전류가 들어간 Q2는 다시 자신의 컬렉터와 이미터로 전류를 흘려 보냅니다.
4. 여기서 중요한 사실은 베이스가 전류가 통하면 양 끝 단자(컬렉터-이미터) 사이의 전류 길이 개통된다는 사실입니다. 즉 스위치 역할을 하는 건데, 그렇다면 트랜지스터 하나로도 충분할 텐데 왜 굳이 트랜지스터 2개를 써서 복잡하게 연쇄적으로 작동되도록 연결시켰을까요?

 

저도 이 이유는 잘 모르겠지만 아마도 트랜지스터 공식 중 하나인, (컬렉터 전류) = (증폭율) * (베이스 전류)를 이용하여 IC로 좀 더 많은 전류를 넣기 위함이 아닐까 하는 생각이 듭니다.

즉, 트랜지스터를 1개만 사용할 때 보다 2개를 사용할 때 아래 그림에 따라 더 많은 전류가 공급된다는 것이죠.

- 스위치 조건

 그렇다면 Q1의 베이스 단자에 전류를 흘려 보내는 것은 누구인가? 화재경보기에서는 서미스터, 도난경보기에서는 두 전선의 개방이라 할 수 있습니다.

R1의 저항이 급격히 낮아지거나(서미스터 과열)
R2의 저항이 급격히 높아지면(도난경보기의 도선 개방)
Q1의 베이스로 전류가 통하게 됩니다.

여기까지가 두 회로에 대한 개략적인 설명이었습니다. 이제 이를 토대로 회로를 재구성해 봅니다.

 

4. 회로의 재구성

IC를 중심으로 브레드보드에 부품들을 배치해 보았습니다.