디지털 공학 9화 - 7 세그먼트 디코더, 캐소드와 애노드

이번 포스트에서는 캐소드와 애노드가 무엇인지, 7 세그먼트 디코더 사용 예제를 살펴봅니다.

캐소드와 애노드

디지털 공학 및 전자 회로에서 캐소드와 애노드는 전기 소자나 반도체 소자의 중요한 단자 역할을 합니다.

캐소드 (Cathode)

캐소드(cathode)는 전자공학, 물리학, 화학 등에서 전극 중 전류가 흘러나오는 쪽의 전극을 의미한다. 전류와 전자의 흐름의 방향은 서로 반대이므로, 캐소드는 극중 전자가 흘러 들어가는 쪽의 전극을 의미한다. 일반적으로 양극 (혹은 음극)으로 번역되지만, 어떤 분야, 또 어떤 환경에서 사용되었는가에 따라 양극을 의미하기도 하고 음극을 의미하기도 한다. 일반적으로 전력을 소모하는 부품이나 장비의 경우 캐소드는 음극이 되며, 전력을 생산하거나 공급하는 부품 및 장비에서는 캐소드가 양극이 된다.

캐소드 예시

1. 다이오드(Diode)

다이오드에서는 캐소드가 전류가 나가는 단자입니다. 다이오드의 전류는 애노드에서 캐소드 방향으로 흐릅니다.

다이오드 심볼에서 캐소드는 수직선과 삼각형의 끝 부분에 위치해 있습니다.

2. 발광 다이오드(LED)

LED에서는 캐소드가 전류가 나가는 단자입니다. LED 심볼에서 캐소드는 짧은 다리로 표시되며, 플랫한 부분이 있습니다.

3. 진공관(Vacuum Tube)

진공관에서도 캐소드는 전자를 방출하는 음극 단자로, 전자가 애노드로 이동합니다.

애노드 (Anode)

애노드(Anode)는 캐소드와 반대개념으로, 전류가 흘러 들어가는 쪽 전극을 의미한다. 전류와 전자의 흐름의 방향은 서로 반대이므로, 애노드는 전극 중 전자가 흘러 나오는 쪽의 전극을 의미한다. 일반적으로 음극 (혹은 양극)으로 번역되지만, 어떤 분야, 또 어떤 환경에서 사용되었는가에 따라 음극을 의미하기도 하고 양극을 의미하기도 한다. 일반적으로 전력을 소모하는 부품이나 장비의 경우 애노드는 양극이 되며, 전력을 생산하거나 공급하는 부품 및 장비에서는 애노드가 음극이 된다.

애노드 예시

1. 다이오드(Diode)
*다이오드에서는 애노드가 전류가 들어가는 단자입니다. 전류는 애노드에서 캐소드로 흐릅니다.
다이오드 심볼에서 애노드는 삼각형의 끝이 있는 쪽으로 표시됩니다.

2. 발광 다이오드(LED)
*LED에서는 애노드가 전류가 들어가는 단자입니다. LED 심볼에서 애노드는 긴 다리로 표시됩니다.

3. 진공관(Vacuum Tube)
*진공관에서 애노드는 전자를 수집하는 양극 단자로, 전자가 캐소드에서 방출되어 애노드로 이동합니다.

요약

캐소드(Cathode): 전류가 나오는 단자, 일반적으로 음극
애노드(Anode): 전류가 들어가는 단자, 일반적으로 양극

이 두 단자는 다이오드와 같은 소자의 동작 원리를 이해하는 데 필수적이며, 각 단자의 역할을 명확히 아는 것이 중요합니다. 다이오드와 LED와 같은 소자는 이러한 단자의 방향에 따라 올바르게 작동하므로, 회로 설계 시 주의 깊게 다루어야 합니다.

SN74LS47 7세그먼트 디코더

SN74LS47은 공통 애노드(common-anode) 타입 7세그먼트 디스플레이를 제어하기 위해 설계된 BCD (Binary-Coded Decimal) to 7세그먼트 디코더/드라이버입니다.

기능

4비트 BCD 입력을 받아 7세그먼트 디스플레이를 제어하는 데 필요한 신호로 변환합니다.
0부터 9까지의 숫자를 표시할 수 있습니다.

핀 구성

LT (Lamp Test)
모든 세그먼트를 켜서 디스플레이가 정상적으로 작동하는지 확인할 수 있습니다.

BI (Blanking Input)
입력이 LOW일 때, 모든 출력이 비활성화되어 디스플레이를 끌 수 있습니다.

RBI (Ripple Blanking Input)
BCD 입력이 0일 때 디스플레이의 0을 끌 수 있습니다.

A, B, C, D
BCD 입력

a, b, c, d, e, f, g
7세그먼트 출력

GND
접지, - (음극), GROUND

$V_{CC}$
전원 공급, +5V

7세그먼트 디스플레이

7 세그먼트 디스플레이의 종류는 캐소드 타입과 애노드 타입으로 나뉩니다.

캐소드 타입과 애노드 타입은 무엇이 다른가?

애노드 타입 7 세그먼트의 경우 $V_{CC}$가 기본적으로 전달되고, GND(음극)이 입력되면 불빛이 발생합니다. 그에 반해 캐소드 타입 7세그먼트의 경우 GND가 기본적으로 전달되고, $V_{CC}$가 입력되면 불빛이 발생합니다.

구성

7개의 LED 세그먼트 (a, b, c, d, e, f, g)와 하나의 추가적인 점 세그먼트 (DP)로 구성됩니다.
각 세그먼트의 음극이 모두 하나의 공통 단자로 연결되어 있습니다.

무엇이 더 좋은가?

MCU 설계 시 최대 source보다 최대 sink 양이 일반적으로 더 크므로 Common-Anode 방식이 더 좋습니다.

만약 74LS47과 캐소드 타입 7 세그먼트를 같이 사용하게 된다면?

74LS47 7-세그먼트 디코더는 애노드 타입 7-세그먼트 동작을 제어하기 위해 LOW(GND)가 출력됩니다. 하지만 캐소드 타입 7세그먼트는 $V_{CC}$일 때 출력되므로 정상적으로 작동하지 않습니다.

정상적인 작동을 위해서는 74LS47 7-세그먼트 디코더 출력을 NOT 게이트를 통해 반대로 바꾸어야합니다.