[Arduino] 아두이노 #1 옴의 법칙과 LED를 켜보자!

아두이노를 딱 처음 사고 회로나 간단한 센서 부품을 연결하려고 보면 어떻게 해야하는지 잘 이해가 안가는 경우들이 종종 있습니다. 그래서 이번에 키트를 사서 간단하게 LED를 켜보는 실습을 통해 전기가 어떻게 통하는 건지 이해해보려 합니다.

 

먼저 이 점을 반드시 기억해야합니다.

1. 전선끼리 닿으면 전기는 통한다.

2. 전기는 +극에서 -극으로 흐른다.

3. 그 흐름에 맞춰서 부품을 장착해야한다.

 

1번 설명

고무 장갑끼리는 전기가 통하지 않죠? 당연한 이야기 입니다. 후에 더 공부하면 알겠지만 전선도 규격이란 것이 존재합니다. 하지만 그것은 나중 문제이고 키트를 처음 샀다면 전선들이 있을 텐데 그냥 걔네 끼리 닿으면 전기가 통한다는 이야기 입니다.

 

2번 설명

좀더 자세히 말해서 전류의 흐름이 +극에서 -극으로 흐른다는 것입니다. 흐른다라는 말은 물체를 원자 단위까지 쪼개다 보면 양성자 중성자 전자로 구성되어있는데 양성자가 + 전자가 - 입니다. 이 전자가 이동함으로써 전기가 통하게 됩니다. 전류가 +에서 -로 흐른다 라고 했는데 실제 전자는 -에서 +로 흐름니다. 키트 하나 사용하는데 물리학까지 해야할 것 같지만 그렇게 어려우면 사용을 못하겠죠? 그냥 아! +에서 -로 흐르는 구나! 그것만 기억하시면 됩니다.

 

3번 설명

전자 부품은 전기가 흘러야 하니까 +극과 -극이 존재합니다. 부품에 보면 보통 GND 또는 - 라고 써져 있는 부분이 -극입니다. + 극은 보통 vcc로 써져 있습니다. 부품에 다리가 나와있는 부품들이 많이 보일 텐데 이들을 보는 법도 추후 설명할 예정입니다. 이 부품 또한 전류의 흐름에 맞게 장착합니다.

위 그림에서 파란색 화살표는 전류의 흐름입니다. 예를 들어 연두색을 기준으로 오른쪽이 +극 왼쪽이 -극입니다. 해당 흐름에 맞게 장착을 해야 합니다. 만약 거꾸로 장착했다면 전류의 흐름에 맞지 않기에 부품이 제대로 동작되지 않을 수 있습니다.

 

해당 개념을 숙지하였으면 이제 옴의 법칙만 잘 사용하면 LED를 켤 수 있습니다.

 

옴의 법칙

V = I * R

여기서 V는 전압, I는 전류, R은 저항을 의미합니다.

전압의 단위는 V(볼트), 전류의 단위는 A(암페어), 저항의 단위는 Ω(옴)이라 읽습니다.

이 공식과 아두이노와 관련 있는 것은 V(볼트) 밖에 없습니다.

아두이노는 5V와 3.3V를 공급하고 있습니다.

 

이제 이 공식과 LED가 연관이 되어있는데 이를 확인하기 위해서는 전자 부품의 제조사가 공급하는 datasheet라는 문서를 봐야합니다.

 

여기서 중점적으로 봐야할 것은 아래와 같습니다.

어쩌구 저쩌구 많이 들어있는데 Forward Voltage는 순방향 전압이라는 말이며 간단히 이야기해서 전류의 흐름대로 부품을 장착했을 때 최소 1.7V, 평균 2.1V, 최고 2.6V가 필요하다는 말이며 Test 부분의 IF=20mA는 전류가 20mA로 사용했을 때를 말합니다.

 

이 문서를 보고 파악해야할 점은 아! LED는 전압이 평균 2.1V, 전류가 20mA 만큼의 전기를 주어야 불을 킬 수 있구나! 라는 점을 파악하는 것입니다.

 

그렇다면 도데체 전압 전류 저항이라는 말은 무엇일까요? 그림을 통해서 알아보겠습니다.

보통 물탱크로 많이 설명하는데 저는 와닿지 이 방법이 제일 이해하기 쉬웠습니다.
현재 그림에서 A지점과 B지점의 거리가 더 멀어진다면 경사로는 어떻게 될까요? -> 더욱 경사가 심해집니다. 경사가 심해진다는 것은 공이 더욱 빨리 굴러간다는 것이겠죠?

바로 이 공의 속도가 전류라고 생각하면 됩니다.

 

반대로 현재 그림에서 A와 B지점의 거리가 가까워질 수록 공의 속도는 점점 느려지겠죠

 

공의 속도는 전류

A와 B지점의 차이가 바로 전압입니다.

 

그렇다면 저항은? 지금 그림상의 빗변의 재질이 공과 마찰이 많이 일어나는 재질이면 경사가 높아도 공이 속도를 내는데 지장을 줄 것입니다. 또는 얼음판 처럼 되어있어서 마찰이 거의 일어나지 않는 다면 공의 속도가 같은 높이더라도 더욱 빨라질 것입니다.

 

빗면에서 공의 속도에 지장을 주는 정도가 저항입니다.

 

다시 이것을 약간 전기적으로 해석하면

전기적인 위치 에너지의 차이가 전압(V)이고 전자가 얼마나 빨리 흐르는 정도가 전류(A)이며 전자의 이동을 방해하는 정도가 저항(Ω)입니다.

 

다른 건 이해 할 수 없어도 이 부분만은 반드시 이해해야 합니다.

 

이제야 드디어(?) LED를 켤 준비가 되었습니다.

아까 LED 하나를 켜기 위해서 평균 2.1V, 20mA가 필요함을 알았으니 우리가 모르는 것은 저항 밖에 없습니다.

공식에 대입해보면 미지수가 한 개이므로 구할 수(?) 있겠습니다.

 

2.1 = 0.02 * R  (1A는 1000mA라서 0.02로 해야합니다.)

계산기로 두둥겨 보면?

요런 결과가 나옵니다.

 

이 결과는 틀렸습니다.

 

결과적으로 말하면 다음과 같이 계산해야합니다.

이와 같이 계산해야하는 LED 하나를 켜기 위해서 아까 2.1V, 20mA가 필요하다고 했는데 아두이노는 전압을 딱 두 종류로 흘려보낼 수 있습니다. 5V와 3.3V인데 만약 5V로 공급을 하고 있다면 2.9V가 초과되었습니다. 즉 저항으로 해당 부분을 없애줘야 합니다. 아까 A지점과 B지점의 차이가 클 수록 전류가 커진다고 했었죠? 이 저항을 이용해서 전류 값을 조절하는 것입니다. 전압이 높으면 전류도 같이 높아지게 됩니다. 하지만 필요한 전류는 고정되어 있으니 전압에서 일정 부분 상쇄시켜줘야 합니다.

 

회로를 구성하는 것은 얼마전 유튜브에 영상을 하나 올렸습니다. 이번 포스팅은 해당 영상을 만들면서 부족한 부분들이 있는 것 같아 그 부분을 작성해보았습니다. 

 

https://www.youtube.com/watch?v=dpLdmv8zLFU&t=24s 

 

이상이 있는 부분은 지적해주시면 수정해서 올리도록 하겠습니다.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.