실무 회로설계에서 7-Segment 회로 설계법
안녕하세요? 땜쓰 입니다. 이번 포스팅에서는 LED 다음으로 어떠한 정보를 간단하게 표시하는데 빈번하게 사용되는 7-Segment 회로 설계에 대해서 다뤄보도록 하겠습니다. 간혹 주변을 보면, 7-Segment를 제어하는 방법을 모르거나 7-Segment의 회로 설계를 효율적으로 하지 못해 모듈형 7-Segment를 설계에 적용하거나, 전압, 전류 미터 모듈과 같이 기성품으로 제작된 모듈을 적용하는 경우를 왕왕 봤습니다.
물론 저렇게 설계를 한다고 해서 뭐가 잘못되는 것은 아닙니다. 다만, 기성품 모듈을 설계에 적용할 경우 7-Segment를 이용해서 직접 정보표시 회로를 설계하는 것에 비해 표시할 수 있는 정보의 양(글자의 종류)가 제한적이며, 밝기제어 등 부가적인 기능을 임의로 추가할 수 없는 문제점이 있습니다.
따라서 이번 포스팅을 잘 따라 읽어보시면, 설계에 직접적으로 도움이 되는 7-Segment 회로를 효율적으로 설계하실 수 있으실 것이며, 이를 실제 설계에 적용할 경우 확실히 기성품 모듈로 제작된 전압, 전류 미터 모듈에 비해 설계된 제품의 크기나 비용이 크게 절감됨을 확인하실 수 있습니다.
1. 모듈형 7-Segment와 직접 설계하는 7-Segment의 비교
모듈형 7-Segment와 7-Segment를 이용하여 직접 회로를 구성하는 것이 어떤 차이가 있는지 우선 알아보도록 하겠습니다. 그래야 설계하시는 분들의 입장에서 양자택일할 수 있을테니 말이죠. 우선 전자부품 전문 온라인 쇼핑몰인 디지키에서 7-Segment 모듈형 제품과 단일 7-Segment를 각각 하나씩 선택했습니다.
좌측의 그림은 MURATA사의 Nano Meter Family 제품 중 DMR20-10-DCM이라는 직류 전압 미터가 포함된 7-Segment 모듈형 제품이며, 우측의 그림은 VISHAY사의 제휴 회사인 VCC사의 DSM7T Series의 DSM7TA39101T라는 단일 7-Segment 표면실장형 부품입니다. 모듈형 부품은 제한적인 기능에 제한적인 숫자 내지는 표현방식을 채택하였지만, 사용상의 간편함이 있으며, 부품의 단가가 비쌉니다. 반면 단일 7-Segment는 부품 자체의 가격은 상대적으로 모듈형 7-Segment에 비해 저렴하며, 회로 구성에 따라 숫자는 물론이거니와 문자, 패턴형 표시 등이 가능합니다. 다만 모듈형 7-Segment 제품에 비해 설계 적용에 있어서 다소 복잡함이 있습니다.
이러한 검토결과를 바탕으로 모듈형 기성품 제품을 사용할 것인지 아니면, 부품을 조합하여 7-Segment 표시 회로를 구성할지는 여러분의 몫입니다. 어떤 부분을 특정하여 모듈형이 나쁘고, 단일형 부품을 조합한 회로가 좋거나 하는 것은 없습니다. 다만, 부가기능, 보다 풍부한 표시를 위해서는 모듈형 제품으로는 불가능한 사항이라는 것입니다.
설계에 앞서서 과연 7-Segment는 무엇인지 알아보고 넘어가겠습니다. 7-Segment는 말 그대로 7개의 부분이 있다는 뜻입니다. 그렇다면 그 7개의 부분이 무엇인지 한 단계 더 가까이서 알아보도록 하겠습니다.
7-Segment는 우리 주변에서 흔하게 볼 수 있습니다. 전자레인지의 시간 등의 표시부, 길거리 자동판매기의 투입금액 표시부 등 다양한 곳에 적용되어 사용되고 있습니다. 그렇다면, 이 7-Segment의 내부 구조, 즉 7개의 부분이 어떻게 구성되어 있는지 아래의 그림을 통해 알아보도록 하겠습니다.
이 그림을 보면, 7-Segment는 내부에 총 8개의 LED가 내장되어 있는 것을 알 수 있습니다. 그런데 왜 7-Segment라 불릴까요? 이는 추정컨데 예전에는 7개의 LED만으로 숫자, 문자 등의 정보를 표기하였으나, 어느 순간 '.'을 표시해야할 필요가 생겨 이 '.'에 해당하는 LED까지 추가되면서 LED가 7개에서 8개로 늘어나게 된 것이 아닐까 추정합니다. 여튼간 내부 회로를 확인해보면, A~DP까지 8개의 LED의 모든 Anode가 하나로 연결되어 있으며, 각 LED의 Cathode는 개별로 분할되어 있는
Common Anode형의 7-Segment입니다.
내장된 각 LED의 물리적인 위치는 위의 가운데 그림과 같이 배치되어 있음을 알 수 있습니다. 그리고 이런 7-Segment가 실제 사용할 수 있는 부품의 형태로 구성된 모습은 위의 그림 우측에 나타나 있음을 확인할 수 있습니다.
한편, 7-Segment의 종류에 따라 앞서 살펴본 Common Anode형과 Common Cathode형의 두 가지 종류가 있습니다. 이 두 가지 형태에 따라서 설계가 살짝 변형되는데, 큰 차이는 발생되지 않으므로 실무 회로 설계에서 Common Anode형 7-Segment 회로 설계에 대해서 이해하고 난 다음 Common Cathode형 7-Segment 제어 회로는 충분히 혼자서 설계가 가능할 것입니다.
선정한 VCC사의 DSM7TA39101T의 데이터시를 확인하면 아래의 그림과 같이 개괄적인 특징을 확인할 수 있습니다. 발광색은 빨간색이며, 특이한 점은 IP50 방수 규격으로 설계되어 있습니다. 또한 얇은 실장높이를 갖고 있습니다. 마지막으로 납땜을 위한 리드가 오픈형 SMD 리드로 설계되어 있어 7-Segment를 역으로 삽입하여 실장하는 방법도 가능한 제품입니다.
내부 회로 구성을 확인하면, 전자에서도 확인하였듯이 A~DP의 LED의 Anode가 묶인 Common Anode형의 7-Segment임을 알 수 있으며, 외부에 인출된 핀 번호를 아래의 그림과 표를 통해서 확인할 수
있습니다.
다음으로 전기적 성능지표를 확인해보도록 하겠습니다. 'Absolute Maximum Ratings while Ta=25℃'의 내용을 확인하면 각각의 각각의 Segment LED의 IF는 20mA이며, VR은 5V임을 알 수 있습니다. 앞선 포스팅에서 알아봤던 LED와 거의 대동소이한 특징입니다. 한편 LED 설계와 관하여 궁금하신 분은 아래의 다음의 포스팅을 참고하시기 바랍니다.
또 위에 나타낸 그림에서 'Electrical-Optical Characteristics while Ta=25℃'의 VF를 확인하면, 20mA의 순방향 전류를 공급할 때 LED의 VF는 통상 2.0V임을 확인할 수 있습니다. 이 또한 통상적인 LED의 특징임을 확인할 수 있습니다.
마지막으로
중요하게 바라봐야 하는 것이 바로 아래의 그림에 나타낸 'Forward Currnet vs. Forward Voltage' 그래프를 확인하면, LED를 안정적으로 동작시킬 수 있는 최적의 전류인 14mA선으로 IF를 흘려줄 때에 LED의 VF는 약 2.1V임을 확인할 수 있습니다.이 또한 앞선 LED 실무 회로 설계 포스팅에서 다뤘던 것과 같이 통상적인 LED의 특징임을 알 수
있습니다.
마지막으로 설계 전 확인하여야 할 사항은 'Circuit Design Notes'입니다. 아래의 회로 구성이 Common Anode형인 이 7-Segment와는 맞지 않는 회로구성이지만, 무튼 아래의 그림의 요지는 Common으로 묶인 단자에 전류제한용 저항을 설계하는 것이 아닌 Common으로 묶이지 않은 곳에 전류제한용 저항을 설계하라'는 뜻입니다. 설계 전에 반드시 참고하여야 할 사항입니다.
그럼 본격적인 7-Segment의 회로 설계를 진행하도록 하겠습니다. 설계에 앞서 설계 조건을 아래와 같이 정의하도록 하겠습니다. 가장 빈번하게 설계가 요구되는 상황으로 설정하여 어떻게 설계가 이뤄지는지 함께 살펴보도록 하겠습니다.
· 5V 전원전압을 공급하는 회로에서 복수의 7-Segment 제어회로 설계
우선 기본 회로를 제시하고, 이 기본 회로에 대한 해석과 미설계된 부품을 설계하는 방식으로 설계를 구체화시켜 나가도록 하겠습니다. 아래의 그림은 4개의 7-Segment를 구동시킬 수 있도록 구성된 기본적인
회로도 입니다.
위의 회로도를 확인하면, 4개의 7-Segment가 BJT에 의해서 제어되는 회로임을 알 수 있습니다. 간혹 웹에서 보이는 몇몇 회로도를 확인해보면, 7-Segment를 제어하는 MCU 등의 I/O로 직접 제어를 하는 회로를 봐왔는데, 그렇게 설계를 할 경우 복수 개의 7-Segment를 구동할 때 동작 전류가 모자라 7-Segment가 선명하게 보이지 않는 문제점이 발생하기도 합니다. 따라서 반드시 BJT 등으로 스위칭하여 제어할 수 있도록 해야합니다.
우선 R17의 PNP형 BJT Q9의 Base단 저항부터 설계를 시작하겠습니다. 일단 PNP형 BJT인 Q9의 2N3906을
최대 ICE로 동작할 수 있도록 Base단의 저항을 설계하도록 합니다. 2N3906 데이터시트를 확인하면, 최대 ICE는 200mA임을 알 수 있습니다. 따라서 이때 Base 전류는 20mA가 흐르도록 설계를 하여야 합니다. 이를 수식으로 계산하여 R17을 설계하면 다음과 같습니다.
위의 수식을 바탕으로 R17의 값은 202.5Ω으로 계산되었으나, 표준저항값에서 해당 저항값으로는 설계할 수 없기 때문에 R17은 한 단계 윗부분의 값인 220Ω으로 설계를 합니다. 다음으로 Q10~Q13의 Base단의 전류제한용 저항인 R18~R21을 설계하도록 합니다. Q10~Q13 윗부분에 PNP형 BJT Q9가 있기 때문에 이로인한 Q9의 VCE를 계산식에 추가해주면 됩니다.
위의 계산 결과로 얻어진 R18~R21의 저항은 표준저항값에서 200Ω으로 설계하도록 합니다. 그럼 Q9 그리고 Q10~Q13의 Base단의 전류는 18.4mA와 18.25mA로 나타납니다. 이는 다시 말해서 연속동작으로 최대로 흘릴 수 있는 전류 ICE, Q9와 ICE, Q10~13은 각각 184mA와 182.5mA임을 알 수 있습니다.
다음으로 R1~R8의 LED 전류제한용 저항을 설계하도록 하겠습니다. 우선 앞서 살펴본 바와 같이 7-Segment의 내부에 위치한 LED들은 현재 목표로 하고 있는 설계사양을 적용했을 때, 순방향 전류 IF가 14mA에서 순방향 전압 VF는 2.1V로 나타납니다. 한편 LED 윗부분에 이미 PNP형 BJT가 2단으로 연결된 상황으로 각 단의 PNP형 BJT의 VCE를 계산 시 고려하면 됩니다. 또한 최종적으로 전류가 LED와 전류제한용 저항을 통과한 후 만나게 되는 NPN형 BJT의 VCE를 계산 시 추가해줍니다.
위의 수식이 왜 이렇게 되었는지는 한 번 곰곰히 생각해보시기 바랍니다. 힌트는 바로 전류의 흐름입니다. 전류는 분기되어 각각의 7-Segment 내부 LED로 공급되게 될 것이며, 이 전류를 제한하기 위한 저항을 설계하는 것이므로 식이 유도된 이유에 대해서는 조금만 생각해보면 풀릴 것입니다.
마지막으로 Q1~Q8의 Base단의 전류제한용 저항을 설계하도록 하겠습니다. 이 저항도 앞선 PNP형 BJT의 Base단 설계와 비슷한 수식으로 설계를 수행할 수 있습니다. 그럼 R9~R16의 저항을 설계해보도록 하겠습니다.
이제 모든 설계가 완료되었습니다. 설계사항을 반영하여 최종 회로를 아래의 그림과 같이 나타내었습니다. 이 회로도에서 입력 신호 중 'BRIGHTNESS PWM'이라 명명된 신호는 10kHz 이상의 주파수를 갖는 PWM 신호를 입력시켜야 합니다. 입력되는 PWM 신호의 Duty Ratio에 의해서
7-Segment의 밝기가 조절되게 됩니다. 만약 밝기 조절이 필요 없다면, 아래의 회로도의 Q9, R17을 삭제한 후 이를 VCC에 연결해주면 됩니다.
다음으로 DIGIT1~DIGIT4는 7-Segment의 다이내믹 드라이빙을 위해서 항상 하나의 DIGIT에 해당하는 PNP형 BJT가 ON되어야 합니다. 그래야 병렬로 연결된 7-Segment에 각각 다른 숫자를 띄울 수 있습니다. 이때 7-Segment의 다이내믹 드라이빙은 사람의 착시 현시현상을 이용한 것으로, 각 7-Segment 별로 1초 내에 30 프레임 이상으로 나타내야 합니다.
이를 이해하기 쉽게 말씀드리면, DIGIT1~DIGIT4까지 한 번씩만 제어한 상황을 1 프레임이라고 할 때 이러한 반복을 최소 초당 30번 반복해야 한다는 뜻입니다. 따라서 DIGIT 변경 시간은 아래의 식으로 계산할 수 있습니다.
이 계산결과를 바탕으로 DIGIT1~DIGIT4는 대략 매 8.3ms보다 짧은 시간동안 순차적으로 DIGIT1 → DIGIT2 → DIGIT3 → DIGIT4 → DIGIT1 순으로 순차적으로 ON되어야만 하며, 이때 각 DIGIT에 원하는 숫자 혹은 문자를 'SEGMENT A~DP'까지의 입력 신호를 제어하여 나타내어야 합니다. 이러한 동작을 7-Segment의 그림으로 표현하면 다음과 같습니다.
한편 다이내믹 드라이빙과 관련한 참고 동영상은 아래의 링크로 걸어둔 포스팅을 참조하시기 바랍니다. 해당 포스팅 내에 링크되어 있는 동영상 강의를 재생한 다음 49:04 부분의 동영상을 통해 7-Segment의 다이내믹 드라이빙 제어 모습을 확인할 수 있습니다.
이번 포스팅에서는 지난 포스팅에서 살펴본 LED 실무 회로 설계 내용에서 조금 더 확장된 내용이라고 할 수 있겠습니다. 7-Segment도 어차피 LED의 한 종류일 뿐이기 때문입니다. 다만, LED를 사람이 인지할 수 있는 숫자나, 문자로 표헌하기 위해 하나의 부품 안에 배열되어 있는 것입니다.
다음 포스팅에서는 기계적인 스위치를 입력받는 회로에 대해서 다뤄보도록 하겠습니다. 스위치 회로도 제어하는 방식이나 구성하는 회로에 따라서 실무에서 쓰이는 여러 가지의 설계 방식이 있습니다. 다음 포스팅을 통해 앞으로 설계하는 스위치에 대해서는 여러분 모두 제대로 정복하도록 하는 건 어떨까요?
그럼 다음 포스팅까지 올려드린 포스팅 내용을 나름데로 연구해보시고, 문의 사항이나 잘못된 내용은 포스팅의 댓글이나, 쪽지, 이메일로 회신주시면 감사하겠습니다. 그럼 모두 행복하시길 바라겠습니다!