💡 프로젝트 개요
이 프로젝트의 핵심 목표는 직류(DC) LED 조명을 디밍하는 기능을 구현하는 것입니다. 마이크로 컨트롤러를 활용하여 입력된 신호를 처리하고, PWM(Pulse Width Modulation) 기술을 통해 LED 밝기를 섬세하게 조절할 수 있도록 설계합니다.
여기에서 소개하는 개발 프로세스는 전자 제품에 대한 기본적인 관심만 있어도 충분히 접근할 수 있도록 설계되었습니다. 초보자든 숙련자든, 누구나 도전해볼 수 있는 프로젝트입니다!
🛠️ 필요한 준비물
이 조광기를 만들기 위해 필요한 주요 부품은 다음과 같습니다.
- 납땜 도구: 인두, 솔더 윅, 납땜 와이어, 핀셋
- 마이크로 컨트롤러: Arduino 기반 칩
- LED 스트립: DC LED 조명
- 전위차계: 밝기 조절을 위한 아날로그 입력 장치
- MOSFET: 고전류 LED를 효율적으로 제어하는 반도체 소자
- SIPO 시프트 레지스터: 입출력 핀을 확장하기 위한 IC
🏗️ 개발 단계
1️⃣ 작동 원리 이해
LED 조광기의 핵심 작동 원리는 출력 전압을 변화시켜 조명 밝기를 조정하는 것입니다. 이를 위해 전위차계를 사용해 입력 신호를 보내고, 마이크로 컨트롤러가 이를 디지털 값으로 변환하여 PWM 신호를 생성합니다.
PWM 신호는 일정한 주파수로 ON/OFF를 반복하며 듀티 사이클을 조절하여 LED 밝기를 변경합니다. 또한 시스템 전원 상태를 나타내는 디스플레이를 함께 구성하여 사용자가 현재 밝기 수준을 쉽게 확인할 수 있도록 합니다.
2️⃣ 회로 설계 및 프로토타이핑
본격적인 회로 설계 단계에서는 블록 다이어그램을 활용하여 전체 시스템을 정리합니다. 블록 다이어그램은 회로의 작동 방식을 시각적으로 표현하며, 신호 흐름을 쉽게 이해할 수 있도록 도와줍니다.
또한 CAD 프로그램(예: Altium)을 사용하여 회로도를 설계하고 필요한 구성 요소를 배치합니다. 이 단계에서 중요한 점은 마이크로 컨트롤러가 LED 스트립을 직접 구동할 수 없기 때문에 MOSFET을 추가하는 것입니다. MOSFET을 사용하면 마이크로 컨트롤러가 작은 신호만으로도 강력한 LED 전원을 제어할 수 있습니다.
3️⃣ PCB 제작 및 조립
회로 설계가 완료되면 PCB를 제작하고 필요한 부품을 납땜하여 연결합니다. 테스트를 진행하며 회로가 정상적으로 작동하는지 확인하고, 디밍 단계가 매끄럽게 작동하는지 검사합니다.
소프트웨어적으로는 마이크로 컨트롤러의 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 활용하여 전위차계 입력을 읽고, PWM 신호를 출력하여 LED 밝기를 조정하는 프로그램을 작성합니다.
디스플레이도 PWM을 이용하여 밝기를 조정하며, 화면에 선택된 밝기 단계가 표시됩니다.
공급
납땜
납땜 와이어
유출
핀셋
솔더 윅
1단계: 작동 원리
설명된 전자 시스템에는 직류(DC) LED 조명을 디밍하는 단일 주요 기능이 있습니다. 이것은 출력 전압을 변화시킴으로써 달성됩니다. 전위차계는 밝기 수준을 조정하는 데 사용됩니다. 아날로그 신호를 마이크로 컨트롤러로 보낸 다음 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 사용하여 신호를 디지털 값으로 변환합니다. 마이크로 컨트롤러는 이 데이터를 처리하고 LED와 디스플레이 모두에 적절한 출력을 보냅니다.
디스플레이는 시각적 피드백을 표시하도록 구성되며, 선택한 밝기 수준에 따라 세그먼트가 켜집니다. 첫 번째 세그먼트는 시스템의 전원 상태를 나타내며 회로가 활성화될 때 항상 켜집니다. 밝기는 8단계로 조정할 수 있습니다.
또한 디스플레이 자체는 PWM(Pulse Width Modulation)을 사용하여 흐리게 표시됩니다. 이는 프로세서가 고정 주파수에서 출력 신호를 켜고 끄면서 듀티 사이클(켜짐-꺼짐 시간의 비율)을 변경하여 밝기를 제어한다는 것을 의미합니다. 이를 통해 LED 밝기를 효율적이고 정밀하게 제어할 수 있습니다.
전원 공급 장치 회로는 강압(벅) 컨버터를 사용하여 입력 전압을 시스템에 필요한 수준으로 효율적으로 낮춥니다.
2단계: 대패질
이 개념은 블록 다이어그램으로 더욱 발전되었습니다. 이 다이어그램은 특정 구성 요소나 배선을 참조하지 않고 회로 작동에 대한 높은 수준의 개요를 제공합니다. CAD 프로그램에서 회로를 그리고 시스템이 어떻게 작동하는지 이해하는 데 큰 도움이 되는 최소한의 회로도 역할을 합니다. 또한 문제 해결 중, 특히 회로가 예상대로 작동하지 않고 조정이 필요한 경우 매우 유용합니다.
블록 다이어그램에는 입력, 주요 신호 처리 단계, 제어 회로 및 출력이 포함됩니다. 신호 흐름의 방향을 명확하게 나타내는 것이 중요합니다.
다이어그램에서 회로가 전위차계를 사용하여 제어되는 것을 볼 수 있습니다. 전위차계는 시스템의 핵심 처리 및 제어 장치 역할을 하는 마이크로 컨트롤러에 연결됩니다. 마이크로 컨트롤러에서 신호는 회로의 여러 부분으로 분배됩니다.
시스템의 한 부분은 마이크로 컨트롤러의 출력 핀에 의해 생성되는 PWM(펄스 폭 변조) 신호를 사용합니다. 이 경우 두 개의 PWM 출력이 있습니다. 하나는 출력 부하를 처리하는 전력 트랜지스터(MOSFET)에 연결됩니다. 이는 마이크로 컨트롤러만으로는 LED 조명을 직접 구동하는 데 필요한 전류와 전압을 제공할 수 없기 때문에 필요합니다.
두 번째 PWM 출력은 전체 디스플레이를 어둡게 하는 데 사용됩니다. 이를 통해 밝기를 조정하여 전력 소비를 줄이고 장치가 환경에 시각적으로 방해가 되지 않도록 할 수 있습니다. 그러나 디스플레이는 PWM 신호만으로는 작동할 수 없습니다. 여기에서 마이크로 컨트롤러가 중요한 역할을 하며, 디스플레이에 표시되는 내용을 제어하기 위해 특정 지침을 보냅니다.
선택한 마이크로 컨트롤러에는 충분한 수의 I/O 핀이 없기 때문에 SIPO(Serial-In Parallel-Out) 시프트 레지스터가 인터페이스에 사용됩니다. SIPO 칩은 직렬 신호를 8비트 병렬 출력으로 변환하여 마이크로 컨트롤러가 몇 개의 핀만 사용하여 여러 출력을 제어할 수 있도록 합니다.
3단계: 시메틱스
블록 다이어그램을 만들고 구성 요소를 선택한 후 다음 단계는 회로도를 설계하는 것이었습니다. 이 단계에서는 Altium Designer를 사용했습니다. 첫 번째 작업은 구성 요소 라이브러리를 만들거나 찾는 것이었습니다. 다양한 프로젝트에서 자주 사용되는 표준 구성 요소로 작업할 때는 사용자 정의 라이브러리를 구축하거나 온라인으로 다운로드하여 향후 설계에서 더 나은 유용성을 위해 조정하는 것이 실용적입니다. 다른 모든 구성 요소는 특정 요구 사항에 따라 선택되었습니다. 이 프로젝트에서는 주로 기존 라이브러리를 사용하고 요구 사항에 맞게 수정했습니다. 이 접근 방식은 전자 설계를 완료하는 데 필요한 시간을 크게 줄였습니다. 온라인 라이브러리의 주요 장점은 구성 요소의 3D 모델이 포함되는 경우가 많으며, 그렇지 않으면 시간이 많이 걸리고 수동으로 생성하기가 복잡하다는 것입니다.
모든 라이브러리를 가져온 후 다음 단계는 구성 요소를 배치하고 연결하는 것이었습니다. 전원 공급 장치 섹션의 경우 칩의 데이터시트에 있는 표준 참조 회로도가 매우 유용한 것으로 입증되었습니다. 칩이 제대로 작동하는 데 필요한 구성 요소와 연결 방법을 보여주었습니다. 일부 구성 요소 값도 데이터시트에 제공된 지침에 따라 계산이 필요했습니다. 계산된 가장 중요한 값은 피드백 루프에 대한 저항이었습니다. 코일에 필요한 인덕턴스 값은 데이터시트의 표에서 직접 확인할 수 있습니다.
후속 계산은 다른 구성 요소에 대해서도 수행되었습니다. LED 디스플레이를 사용할 때 전류 제한 저항을 직렬로 연결해야 합니다. 이 프로젝트에서는 LED당 5mA의 순방향 전류를 선택했습니다. 이 표준 값이 계산 된 결과와 가장 일치했기 때문에 470 개의 Ω 저항을 사용했습니다.
트랜지스터의 베이스 저항의 경우 높은 정밀도가 필요하지 않았습니다. 유일한 요구 사항은 트랜지스터가 이 맥락에서 디지털 스위치로 기능하기 때문에 완전히 켜지도록 하는 것이었습니다. 또한 MOSFET의 출력에 커패시터를 배치하여 전압 스파이크를 억제하고 신호를 매끄럽게 만들었습니다.
4단계: PCB 설계
다음으로, 구성 요소를 PCB 편집기로 가져왔습니다. 레이아웃은 논리적으로 배열되어야 했으며 인쇄 회로 기판(PCB)의 적절한 크기를 선택해야 했습니다. 레이어 수를 결정하는 것도 필요했습니다. 이 경우 회로가 지나치게 복잡하지 않고 외부 간섭으로부터 신호 차폐가 필요하지 않기 때문에 2층 보드로 충분했습니다.
레이아웃이 결정되면 구성 요소가 라우팅되었습니다. 트레이스 너비는 각 연결의 현재 요구 사항에 따라 다릅니다. 신호 트레이스는 10mil의 너비로 설정되었으며 전력 트레이스는 해당 경로를 따라 전압 강하를 줄이기 위해 15mil의 너비가 할당되었습니다.
전압 레귤레이터에는 데이터시트에 명시된 대로 추가 레이아웃 및 라우팅 요구 사항이 있었습니다. 이러한 지침은 전원 공급 장치 섹션의 최적의 성능과 안정성을 보장했습니다.
두 PCB 레이어 사이의 트레이스를 연결하기 위해 프로젝트 전반에 걸쳐 비아가 사용되었습니다. 모든 구성 요소가 연결된 후 다음 단계는 다각형 붓기(구리 붓기)였습니다. 선택 사항이지만 이 단계를 수행하는 것이 좋습니다. 폴리곤 타설은 일반적으로 PCB 전체의 모든 접지 참조를 연결하는 데 사용되어 잘 분산된 접지면을 제공하고 신호 라인 간의 누화를 줄입니다. 다층 보드에서 접지면은 일반적으로 더 나은 절연을 위해 내부 레이어에 배치됩니다.
마지막 단계는 구성품 라벨링과 관련이 있습니다. "Top Overlay" 레이어는 구성 요소 이름, 방향 및 지정자를 포함하여 보드에 텍스트를 인쇄하는 데 사용되었습니다. 이 계층은 조립 및 디버깅에 매우 중요하며, 물리적 보드와 회로도 내에서 이름별로 구성 요소를 쉽게 찾을 수 있기 때문입니다.
5단계: BOM
BOM(Bill of Materials)도 생성해야 했습니다. 이 목록에는 회로에 사용되는 모든 구성 요소가 포함됩니다. BOM에서 부품 참조, PCB에 표시된 지정자, 설치 공간, 수량, 공급업체 및 공급업체별 부품 번호를 식별할 수 있습니다.
BOM을 올바르게 생성하려면 회로도 설계 단계에서 각 구성요소에 필요한 모든 매개변수를 지정해야 합니다.
6단계: 프로그래밍
시스템이 작동하는 데 필요한 중요한 요소는 마이크로 컨트롤러 프로그래밍이었습니다. 이 회로에는 Atmel의 ATmega 제품군의 마이크로 컨트롤러, 특히 ATtiny85(ATtiny13도 사용할 수 있음)를 사용했습니다. 이 칩에는 내 프로젝트에 필요한 모든 기능이 포함되어 있습니다. 특히 PWM 타이머와 ADC(아날로그-디지털 컨버터)는 이 마이크로 컨트롤러를 선택하는 데 중요한 역할을 한 핵심 기능 블록입니다.
이 결정에 영향을 미친 다른 요인으로는 메모리 크기, 컴팩트 패키지 설계, 최적의 I/O 핀 수, 아키텍처 및 작동에 대한 사전 숙지 여부 등이 있습니다.
최종 칩을 프로그래밍하기 전에 먼저 Arduino Uno와 브레드보드 프로토타입을 사용하여 코드를 작성하고 테스트했습니다. 프로그램이 검증되고 예상대로 작동하면 PCB에서 직접 마이크로 컨트롤러를 프로그래밍하기 시작했습니다.
이것은 Arduino Uno를 ISP(In-System Programmer)로 사용하여 수행되었습니다. 특수 부트로더 프로그램이 먼저 Arduino Uno에 업로드되어 컴퓨터에서 컴파일된 코드를 대상 칩 프로그래밍에 사용되는 ISP 프로토콜로 변환할 수 있습니다.
프로그래밍이 완료되면 회로가 완전히 조립되어 테스트할 준비가 되었습니다.
(코드가 잘 작성되지 않았으므로 변경하는 것이 좋습니다.)
7단계: 추가 자료
여기에서 altium 파일 및 라이브러리가 있는 전체 프로젝트를 다운로드할 수 있습니다.
https://www.mediafire.com/file/n7qy99vc3x8f4yf/Tim_Kosec_LED_dimmer.zip/file
🎯 마무리 및 확장 아이디어
이 프로젝트는 기본적인 LED 디밍 기능을 학습하는 좋은 출발점입니다. 하지만 이를 기반으로 더 나아가 다양한 기능을 추가할 수도 있습니다.
예를 들면:
- Wi-Fi 연결을 통한 원격 제어
- 타이머 기능을 추가하여 자동 조광 설정
- RGB LED와 결합하여 색상 조절 기능 구현
이처럼 전자 제품 개발은 무한한 가능성을 열어줍니다. 여러분의 아이디어를 반영하여 더 흥미로운 조광기를 만들어 보는 것은 어떨까요?
이제 납땜 인두를 들고 본격적인 제작을 시작할 시간입니다! 🚀
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