Experimental Kit

예제 2. Wheatstone Bridge — 회로 시뮬레이션과 PCB

휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)는 저항 4개로 두 개의 분압기를 만들고, 두 중간점의 전압 차이로 저항의 균형 여부를 판단하는 회로이다. 이 예제에서는 예제 1의 흐름(회로도 → PCB)에 더해 KiCad에 내장된 SPICE 시뮬레이터(ngspice) 로 회로를 먼저 계산해 보는 방법을 익힌다.

이 예제는 예제 1을 마쳤다고 가정한다. 회로도 그리기, 풋프린트 지정, PCB 배선 방법은 예제 1을 참고한다.

1. 폴더 구성

2. 회로 이해하기

전원(10 V)과 GND 사이에 분압기 두 개가 나란히 연결되어 있다.

         VCC (10 V)
        ┌────┴────┐
        R1 500Ω   R2 1kΩ
        │         │
  A ────┤         ├──── B
        │   D1    │
        │ A ▶|─ K │          A: LED 애노드 쪽, B: LED 캐소드 쪽
        │         │
       RV1 75Ω   R3 150Ω
        └────┬────┘
            GND

브리지 평형 조건

두 분압기의 비율이 같으면 A와 B의 전압이 같아지고 LED에는 전류가 흐르지 않는다. 이를 평형(balanced) 상태라고 한다.

R1 / RV1 = R2 / R3   →   RV1 = R1 × R3 / R2 = 500 × 150 / 1000 = 75 Ω

손으로 계산한 각 점의 전압은 다음과 같다.

V_B = 10 V × R3 / (R2 + R3)   = 10 × 150 / 1150 ≈ 1.30 V   (고정)
V_A = 10 V × RV1 / (R1 + RV1)                                (RV1에 따라 변함)

pos는 가변저항 와이퍼의 위치(0~1)이다. 이 회로에서는 pos = 0일 때 A–GND 사이가 75 Ω(전체)이 된다.

시뮬레이션을 돌리기 전에 이렇게 먼저 손으로 예상값을 계산해 두고, 시뮬레이션 결과와 비교하는 습관을 들인다.

3. 시뮬레이션 해 보기

3-1. 시뮬레이션용 부품의 특징

시뮬레이션하려면 모든 부품에 SPICE 모델이 있어야 한다. 이 예제에서 눈여겨볼 점은 다음과 같다.

• GND (접지 기호) — SPICE의 기준점(0 V)이 된다. 시뮬레이션 회로에는 접지가 반드시 하나 이상 있어야 한다. 시뮬레이션만 하는 회로라면 Simulation_SPICE:0 기호를 써도 된다.
• Simulation_SPICE:VDC — DC 전압원이다. Value에 전압(10)을 적는다.
• Device:R — 일반 저항은 따로 설정하지 않아도 KiCad가 자동으로 SPICE 저항으로 바꾼다.
• Device:R_Potentiometer (RV1) — 가변저항 모델(POT)을 쓰며, 전체 저항 r=75와 와이퍼 위치 pos(0~1)를 파라미터로 가진다.
• Device:LED (D1) — PCB에 쓰는 실제 LED 심볼에 기본 다이오드 모델(Sim.Device = D, Sim.Pins = 1=K 2=A)을 붙였다. 실제 LED의 특성과는 다르므로 "전류가 흐르는가"를 보는 정도로만 쓴다.

부품의 모델은 부품을 더블클릭(E) → Simulation Model… 버튼에서 확인하고 바꿀 수 있다.

3-2. 시뮬레이터 실행

1. 회로도 편집기에서 Inspect → Simulator 를 연다.
2. 저장된 작업 파일(WheatstoneBridge.wbk)이 자동으로 열린다. 해석 종류는 DC 동작점 해석(.op, Operating Point) 이다.
   • 새로 만들 때는 Simulation → New Analysis Tab 에서 Operating Point 를 고른다.
3. Run Simulation (▶ 버튼)을 누른다.
4. 결과 목록에서 각 넷의 전압(V(...))과 소자 전류(I(...))를 확인한다.
   • 점 A는 Net-(D1-A), 점 B는 Net-(D1-K) 넷이다. 넷 이름이 길다면 회로도에서 두 점에 넷 레이블(L)로 A, B 같은 이름을 붙이면 결과를 읽기 쉬워진다.
5. 2장에서 계산한 V_A, V_B와 비교한다.

3-3. 직접 바꿔 보기

1. RV1을 더블클릭 → Simulation Model… 에서 pos 값을 0, 0.5, 1로 바꿔 가며 다시 시뮬레이션한다.
2. 각 경우의 V_A, V_B, D1 전류를 표로 정리하고 2장의 계산값과 비교한다.
3. 과제: 현재 값으로는 V_A가 V_B보다 커지지 않아 LED가 켜지지 않는다. LED에 순방향 전류가 흐르게 하려면 어떤 저항값을 바꿔야 하는지 계산하고, 시뮬레이션으로 확인한다.

4. PCB 살펴보기

배치·배선·DRC·거버 출력 방법은 예제 1의 4장과 같다.

하나의 회로도로 시뮬레이션과 PCB를 함께 하기

시뮬레이션에 필요한 부품과 PCB에 필요한 부품은 다를 수 있다. 이 예제의 전원이 그렇다. 시뮬레이션에는 이상적인 전압원(V1)이, 실제 보드에는 전지 홀더(BT1)가 필요하다. KiCad에서는 부품 속성(E)의 체크박스로 부품마다 용도를 정한다.

이렇게 하면 회로도를 고친 뒤 Update PCB from Schematic (F8) 을 실행해도 PCB가 그대로 유지된다(회로도와 PCB 일치 검사 결과 불일치 0개).

시뮬레이션은 10 V 전원으로 계산하지만, PCB의 전지 홀더는 CR2032(3 V)용이다. 실제로 보드를 만든다면 전원 전압을 맞추어 저항값을 다시 계산하거나, 9 V 전지 커넥터 같은 다른 전원을 고려한다.

5. 자주 하는 실수

6. 다음 단계

• 70_Simulation: AC 해석, 주파수 해석, 과도 해석 등 시뮬레이션 전용 예제
• Docs: Schematic Editor 매뉴얼의 시뮬레이터 장