5. Arduino - Arduino 출력 전압, 발광 다이오드(LED)와 저항

이번 포스팅은, Arduino의 가장 기초단계에서 사용하는 발광 다이오드와 저항에 대해 포스팅을 하려고 한다. 그와 동시에, 이들의 사용 방법을 Arduino가 출력하는 전압과 함께 설명할 예정이다. 크게 어려운 내용은 없지만, 모르고 넘어간다면 회로 구성 후, "어, 왜 불이 안들어오지??"라는 말과 함께 멘붕에 빠질 수 있으니 알아두면 좋다(필자의 경험에 의하면 말이다)

 

 

1. Arduino의 전력 소스와 출력 전압

 

Arduino는 전자 부품에 지속적이고 반복적으로 전기 신호를 보내는 제품이다. 따라서 이 전기 신호를 보내기 위해, Arduino도 어디선가 전력을 얻어야만 한다. 이를 전력 소스라고 한다.

 

기본 구성품으로 포장되어 있는 Arduino는 전력 소스를 2군데에서 얻는다. 하나는 컴퓨터와 연결된 USB 포트, 나머지 하나는 전원 어뎁터 포트다. 전원 어뎁터 포트는 USB 포트 근처에 위치한, 원형으로 생긴 포트를 말한다. 전원 어뎁터까지 포장된 제품을 받으신 분들이라면, 쉽게 찾을 수 있을 것이다(전원 어뎁터를 별도로 구매해야하는 쇼핑몰 판매처도 있다).

 

Arduino는 이들 포트를 통해 7 ~ 12 V 범위의 전압을 받아들이게 된다. Arduino가 포트를 통해 받은 전압은, 핀을 통해 전기 신호를 보낼 때 사용하게 되는데, Arduino에 장착된 레귤레이터(regulator)라는 부품이, 신호에 사용하는 출력 전압을 3.3 ~ 5V 사이의 범위를 유지하도록 만들어준다. 왜 3.3 ~ 5 V인가? 대부분의 전자제품이 이 범위에서의 전압을 사용하기 떄문이다. 그렇기 때문에, Arduino의 gnd 핀 윗 부분을 자세히 보면, 3.3V와 5V라고 적힌 출력 핀이 존재한다.(하지만, 아직까지 필자는 이 핀을 어떻게 사용해야하는지는 모른다... 나중에 알게 된다면 다른 포스팅에 추가하려 한다)

 

 

2.  발광 다이오드(LED)

 

발광 다이오드는, 영문인 Light Emitting Diode를 그대로 직역한 것이다. 말 그대로, 빛을 내는 다이오드.

 

p-n 접합에 의해 작동되며 색에 따라 구성 원소 기호가 조금씩 다르다는 구구절절한 설명이 있지만, 너무 어려우니 다 생략하자. LED를 간단하게만 설명하자면, 양극과 음극을 가지는 전구라고 보면 된다. LED 전구의 모양과 회로 기호는 다음과 같다.

 

잘 보면 알겠지만, 이 녀석은 회로와 연결되는 소자가 짝다리다. 한 쪽 소자가 조금 더 긴 형태를 가지고 있는데, 긴 부분을 회로 전원의 양극(+) 방향에 연결하고, 짧은 부분을 회로 전원의 음극(-)에 연결한다.

 

 

*  일반 화학을 배웠다면 알겠지만, 전문 용어로 긴 단자를 Anode(-)라고 부르며, 짧은 단자는 Cathod(+)라고 한다. 긴 단자는 (-)극이므로 전원의 양극과 연결한다고 생각하면 편하다.

 

LED가 작동하기 위해 필요한 전압 범위는 1.8 ~ 2 V다. 하지만, Arduino는 3.3 ~ 5V의 출력 전압 범위를 가진다고 위에서 언급했다. 만약, LED에게 필요한 범위 이상의 전압이 지속적으로 유입된다면 LED는 어떻게 될까? 빛이 나다가, 까맣게 타 버리며 죽을 것이다. 그렇다면, LED를 오랫동안 사용할 수 있는 방법은 없는 것일까?

 

 

 

3. 저항(Resistance)

 

중학교 과정의 과학시간에 졸지 않고 열심히 했다면, V = IR이라는 공식을 기억할 것이다. 풀어보면, "전압 = 전류 X 저항크기"인데, 구성된 회로 내에서 저항의 크기가 크다면, 회로 내에 흐르는 전류는 감소할 것이고, 저항의 크기가 작다면 그 반대의 현상이 일어날 것이다.

 

이는 호스에서 물이 뿜어져 나오는 것과 유사하다. 수도꼭지를 크게 틀면 수압이 올라가, 호스 내에 흐르는 물의 양이 증가할 것이고, 호스 안에 이물질이 존재한다면, 흐르는 물의 양은 감소할 것이다. 이를 전기에 대입하면, 수도꼭지가 열린 크기는 전압의 크기, 흐르는 물의 양은 전류, 이물질은 저항으로 생각하면 된다.

 

만약 호스의 직경이 작다면, 높은 수압으로 물을 공급할 경우, 많은 양의 물에 의해 호스의 일부가 터져나갈 수 있을 것이다. 호스의 직경이 크면 클수록, 더 높은 수압을 버틸 것이고...

 

다시 Arduino로 돌아와보자. Arduino의 출력 전압이 5V라고 가정하고, 아무런 저항 없이 LED를 연결해 회로를 구성해주자. 앞서서, LED는 1.8 ~ 2V의 전압을 사용한다고 했다. 즉, 5V라는 전압을 받기에 LED 내부의 회로는 "직경이 작다". 따라서, 5V라는 전압에 지속적으로 노출된 LED 회로는 옆구리가 터져 사망하게 된다.

 

이를 방지하기 위해 사용하는 것이 저항이다. 즉, 낮은 전압을 감당할 수 있는 전자부품에, 해당 범위의 전압을 공급해주기 위해, 방해물을 설치한 것이라 보면 된다.  

 

정리하자면, 저항이 없더라도 LED가 동작하기는 하지만 수명이 짧아지고, 반대로 저항이 너무 많아지면 LED가 동작하지 않는다. LED를 물레방아라고 생각하고, 대입해보면 쉽다. 물레방아에 공급되는 물의 수압이 세면 물레방아가 돌기는 하지만 금방 부서질 것이고, 수압이 약하면 물레방아는 돌지 않는다.

 

그렇다면, 저항은 어떻게 생겼고, 그 크기는 어떻게 알 수 있는가?

 

 

 저항은 위의 사진과 같은 모양을 띄며, 일반적으로 본체에 4개 또는 5개의 띄를 가진다. 각 색깔별로 매칭되는 숫자가 있는데 이를 저항 칼라 코드표라고 하며, 다음과 같은 형태를 띈다. 이 코드표를 통해 각 저항이 가지는 저항값을 알 수 있게 된다.

 

사진의 저항같은 경우, 주황색, 파란색, 갈색, 금색의 4색 띄로 구성되어 있으며, 이를 표에 대입하면,

 

1번 띄: 주황색 - 3

2번 띄: 파란색 - 6

3번 띄: 갈색 - 10 옴

4번 띄: 금색 - 5%

 

이므로, 36 * 10 옴에 오차 5%가 존재하는 저항임을 알 수 있다.

 

 

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이번 포스팅에서는 아주 간단하게, Arduino 기본 동작에 필요한 전압, LED, 저항에 대해 알아보았다.

 

 

FIN.