Building Hardware for Bits

Bit를 위한 H/W 란 일종의 전기를 이용한 Switch의 역할을 수행
(Bit는 0과 1이고 이는 Off/On 을 나타낸다고 보면, off, on의 두 상태를 가지는 Switch 가 가장 기본적인 Bit를 위한 H/W가 됨.)

Relay (계전기)

electromagnet (전자석)을 이용하여 전자기력으로 작동하는 일종의 switch(스위치)

전기기계식 relay의 동작방식

• Relay에 전기가 가해지면 전자석에 자기화하고 이로 인해 반대편 switch가 켜지고 전기가 끊기면 내부의 스프링에 의해 다시 꺼진다
• 일반적으로 전자석 제어용 전압/전류는 낮아서 낮은 전압/전류를 이용하여 더 높은 전압/전류를 제어하는데 사용됨.
• 기계식이여서 마모되기 쉬워 수명이 짧고 크기가 크다
• 동작 속도가 느리고 전력소모가 커 현대의 컴퓨터에서는 거의 쓰이지 않는다

주 응용분야

• Single Pole, 10-throw stepper relay등을 이용하면 옛날 전화기의 다이얼이 구현되기도 했음.

• TV 등의 전원을 리모컨으로 켤 때도 내부에서 사용됨

• 일반적인 switch들과 달리 relay는 고전압, 고전류를 제어하는 switch로 활용되는 경우가 많다.

• 단점으로 Back EMF (역기전력, Back electromotive force)에 취약함

계전기의 구분

S(single),D(double), P(pole=입력), T(throw=출력)을 의미

SPDT : Single Pole Double Throw ( 입력 1개, 출력 2개)
SPST : Single Pole Single Throw ( 입출력이 각각 1개.)
DPDT : Double Pole Double Throw ( 입력 2개, 각 입력당 출력 2개)
DPST : Double Pole Single Throw ( 입력 2개, 각 입력당 출력1개)

Vacuum Tubes (진공관)

Thermionic emission (열전자 방출)을 이용하여 amplifier (증폭기) 및
switch 역할을 할 수 있는 device

2극관

이름처럼 전극이 2개 있는 것으로 내부 구조이며 마주 보고 있는 한쌍의 전극이 있는데, 상측을 plate(양극),하측를 cathode(음극)라 한다.
그리고 캐소드 바로 아래에 히 터(필라멘트)라고 불리우는 전열선이 있습니다. 이들 모두를 유리관에 봉입하고 내부는 진공 상태로 되어 있다.

2극관의 작동원리

히터에 전압을 걸어 전류를 흘리면 바로 옆의 음극판이 가열되어 700도 이상의고온이 된다. 음극에는 자유 전자가 많이 있어서 이것이 고온에서 활발하게 되고 어떤 동기가 주어지면 음극판에서 외부로 날아가는 상태가 된다. 아래 그림와 같이 음극에 대해 양극에 플러스의 전압을 가하면,음극 내의 전자가 양극의 플러스 전위에 이끌려 음극판에서 공간 중으로 날아 올라 양극으로 끌려 간다. 이렇게 하여 일정량의 전자가 음극에서 플레이트(양극)로 향하여 진공을 통해 날아가서 전자의 흐름이 이루어져 결국 플레이트에서 캐소드로 전류가 흐른다. 전자와 전류는 방향이 반대이므로 양극에서 캐소드를 향해 전류가 흐른다.
(https://velog.velcdn.com/images/aisle333/post/a30bc097-2e4f-492e-b713-996221c8353c/image.png)

3극관

3극관은 그림처럼 2극관의 음극과 양극 사이에 망상의 그리드라고 하는 전극이 들어가 있는 것으로서, 실제로는 아주 가느다란 선을 발처럼 감아서 만들어진다!

3극관의 작동 원리

히터에 전류를 흘려 cathode를 가열하고, 양극에 +전압을 걸면 2극관과 마찬가지로 음극에서 전자가 방출되어 양극으로 흘러들어가서 결국, 양극에서 음극으로 향하여 전류가 흐른다. 그 사이에 있는 그리드는 듬성 듬성하므로 전자의 흐름을 거의 방해하지 않아 (b)와 같이 그리드에, 음극에 대해 작은 (-)전압을 걸어 보면,음극에서방출된 전자는 그리드의 (-)와 반발하여 흐름의 방해를 받아 결국 양극으로 흘러 들어가는 전자가 적어진다. 그리드의 (-)전압을 크게 하는 만큼 반발도 강해져서 양극에 도달하는 전자가 줄어든다.그리드의 (-)전압이 어느 점에 이르면 (c)처럼 전자는 그리드에 전부 반발되어양극에 도달하는 전자가 제로로 되고 그리드에 걸리는 (-) 전압으로 양극에 흐르는 전류를 콘트롤하는 것이 가능하기 때문에 이 그리드를 콘트롤 그리드라고 한다. 그리드는 음극에 근접한 위치에 있으므로 그리드의 (-)전압은 작아도 양극 전류를 잘 제어할 수 있다. 그리드는 (-)이므로 음극에서 방출된 전자는 그리드에는 흘러 들어가지 않아서 그리드에는 전혀 전류가 흐르지 않고 전압만 걸린다. 이때 작은 전압만으로 큰 양극 전류를 제어 하므로 증폭작용을 한다

현재의 사용처

• 의료기기 중 X-ray발생(X-ray tube)에 사용되며, 전자레인지 나 오디오 기기 에 사용됨.
• 특히 Vacuum tube를 사용한 증폭기의 경우, 고유의 음색이 매우 좋아서 고가의 오디오기기에서 사용됨.
• 첨단 분야에서는 핵융합 발전 등에서 plasma를 가속시키기 위해서 사용되는 등 여전히 응용분야가 많은 편임.

Transistor (Transe + Register)

오늘날 전자기기 에서 주로 사용되는 소자이며, 전기회로와 전자회로를 구분짓는 active device 의 대표격인 소자.

• 전류(BJT) 또는 전압(FET)에 의해 제어되는switch, 가변저항,증폭기로 사용된다.

대표적으로 Bi-Junction Transistor (BJT)와 Field Effect Transistor (FET)가 있다

• device 하나의 효율은 BJT가 보다 좋지만, FET는 크기가 매우 작아 같은 크기에 60~80 배의 집적도가 가능하여 BJT보다 FET가 보다 많이 사용되는 추세임. (원가의 측면 등에서도 FET가 훨씬 유리).

• FET에서도 Metal Oxide Silicon FET가 주로 많이 사용되고, N-channel MOSFET 과 P-channel MOSFET 중에서도 carrier가 훨씬 빠른 electron을 사용 하는 N-channel MOSFET 이 가장 많이 사용됨.

• 워낙 작게 만들 수 있기 때문에 컴퓨터의 소형화에 큰 기여를 함.

Bi-Junction Transistor (BJT)

E: Emitter는 Carrier를 공급하는 역할
B: Base는 Carrier의 관점에서는 잠깐 머무르는 곳이며, Base는 BJT가 On/Off 여부를 결정.
C: Collector는 Carrier를 모으는 역할을 함.

NPN BJT에서
B-E에 Forward Bias를 가하고 (B=1, E=0), : 0.7V 이상.
B-C에 Reverse Bias를 가하면 (B=0, E=1),
E에서 C로 electron이 흘러가게 되어 On 상태 (혹은 증폭된 상태) 가 된다

• 너무 작게 만들 경우 (IC대비) 발열이 커져 substrate인 silicon에 대한 손상될 우려가 있어 소형화에 한계 가 있다.
• carrier의 속도에 의한 동작속도 한계 가 있음.

Relay, Vacuum tube와의 비교

Transistor는 물리적인 switching을 수행하는 Relay (전기기계식) 나 열을 가해야하는 Vacuum tube (전자식) 등에 비해서 가격, 속도, 크기, 수명 등의 모든 면에서 우수하다
(열전자 대신 semi-conductor를 이용 한 Vacuum tube라고 보면 이해가 쉬움)

Integrated Circuit

Transistor, Resistor, Condenser, Diode 등의 많은 회로 부품으로 구성된 circuit이 하나의 칩으로 구성됨.

• Tansistor의 발전에 의해 Logic Circuit을 보다 작고, 빠르며, 안정적으로 만들 수 있게 됨.

• 더 나아가 1950년대 후반에 Integrated Circuit이 개발되면서 여러 transistor로 구성되는 복잡한 회로를 하나의 transistor 가격으로 만들 수 있게 됨.

• Integrated circuit을 흔히 Chip 이라고 부르며, 이는 컴퓨터의 소형화에 큰 기여를 하게 됨.

• 도체 소자가 진공관처럼 증폭기 및 스위치 역할을 할 수 있다는 것이 밝혀지고, 반도체 제작 기술이 발달하면서 집적 회로를 만들 수 있게 되어 매우 많은 수의 작은 트랜지스터를 작은 칩에 칠 수 있게 되었다.

• 한 번에 하나의 트랜지스터를 조립하는 방식과는 달리 사진석판술을 이용하여 모든 부품을 한꺼번에 찍어내기 때문에 비용이 적다

• 크기가 작고 부품들이 조밀하게 설계되어 동작 속도가 빠르고, 전력 소모는 적다