[아두이노] LED를 통한 전류의 흐름 이해

[아두이노] LED를 통한 전류의 흐름 이해

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• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com/
• 공개회로도 :
  RGB LED I - https://www.tinkercad.com/things/0KFpH6MnJeT (예제 3개 묶음)
  RGB LED 2 - https://www.tinkercad.com/things/h2m0aJdxWzQ (실제 실험 회로도)

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오늘은 코딩이 없는 간단한 LED 제어를 통해 전류의 흐름을 배우는 시간을 갖도록 하겠습니다. 실험할 회로도는 Tinkercad에서 제공하는 RGB LED 예제를 기반으로 하겠습니다. Tinkercad 예제를 우연히 보다가 공식적인 실험 예제를 발견하고 이 예제로 실험하면 전류의 흐름을 좀 더 쉽게 이해하는 할 수 있을 것 같아 이번 포스팅 주제로 결정을 했네요.

1. RGB LED 스위치

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위 사진은 RGB LED를 사용해야 하는데 Blue LED가 없어서 그 위치에 어쩔 수 없이 Yellow LED를 배치했네요. 스위치를 누르면 해당 Color Led에 불이 들어오고 3색 LED에 해당 Color가 출력되는 회로도입니다. 두개 이상을 누르면 두가지 Color가 혼합된 Color로 3색 LED에 불이 들어오게 됩니다. Blue LED가 없어서 Yellow LED에 불이 들어오지만 해당 위치는 Blue이기 때문에 3색 LED에는 Blue가 출력되도록 세팅 했네요.

2. RGB LED

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1) Tinkercad의 공식 RGB LED 회로도

출처 : Tinkercad 예제

해당 회로도에서는 9V의 건전지를 사용했더군요. 그러면 LED의 저항은 9V에 맞게 다시 계산되어야 합니다. "V=IR" 공식에서 R의 저항값을 다시 계산기로 계산해야 하는데 귀찮아서 회로도의 저항 속성창을 통해 저항을 확인해보니 480옴이더군요.

위 회로도는 뭘 표현한건지 대충 아니깐 직접 안보고 만들어 보도록 하겠습니다. 혹시 원리를 모르시는 분들을 위해 간단히 설명을 하면 스위치 버턴을 누르면 해당 스위치에 연결된 선을 전류가 흐릅니다. 여기서 Red, Blue, Green Led가 각 스위치마다 연결되어 있습니다. 해당 스위치를 누르면 각 color의 Led에 불이 들어옵니다. 여기까지 이해하셨으면 여기서 스위치에 선이 추가되어 3색 LED에 연결하면 어떻게 될까요. Red Led에 연결된 선이 3색 LED의 Red핀에 연결시키고 Blue Led에 연결된 선은 Blue핀에 연결하고 Green Led에 연결된 선을 Green 핀에 연결시켜 놓으면 해당 스위치를 누르면 개별 LED와 3색 LED에 해당된 color가 불이 들어오겠죠. 3색 LED에 해당 RGB핀이 아래 Red, Blue, Green LED랑 한몸이 되어서 같이 동작하는 회로도입니다.

재밌는것은 가상시뮬에이터에서 할 수 없지만 두개 이상의 스위치를 누르면 색이 3색 LED에 혼합된 Color로 출력됩니다. 즉, Red 스위치랑 Blue 스위치를 누르면 해당 LED불이 들어오고 3색 LED에는 Red+Blue가 혼합된 Color가 출력됩니다. Color를 공부하는 아이들에게 좋은 학습자료가 될 수 있겠죠.

참고로 여기서는 스위치로 표현되었지만 가변저항기를 스위치 자리에 교체하면 가변저항기를 돌릴때마다 Color 값을 조절 할 수 있겠죠. 그러면 더 많은 Color를 만들어내는 장치가 될 수 있습니다.

2) 직접 만들기

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• 준비물 : 9V 건전지, 저항 480옴 4개, Red, Blue, Green 각각 1개, 3색 LED 1개, 스위치 3개
• 내용 : RGB LED 스위치

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스위치를 이용해 RGB LED를 제어했구나 하고 대충 몇초만 보고 쉬운 예제이니깐 그 의미에 맞게 동일하게 만들어 봤네요

썩 마음에 들게 만들지 못했네요.

3. 전류의 흐름

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이제는 전류가 어떤식으로 흘러가서 LED에 불이 들어오는지 살펴보도록 하겠습니다.

위 그림처럼 Led에 전류를 공급하면 불이 들어옵니다. 전류는 '+'에서 '-'로 이동 합니다.

그런데 Vcc쪽에 스위치를 달게 되면 초기 상태는 끊어진 상태로 전류가 흐리지 않습니다. 여기서, 스위치를 누르면 스위치 내부에 선이 서로 연결되어서 Vcc(+) 전류가 Led에 공급되면서 Led에 불이 들어오게 됩니다. 우리가 일상에서 흔히 형광등을 켤때 벽에 스위치가 붙어 있잖아요. 그걸 상상하시면 됩니다.

위의 그림처럼 3개의 Led를 연결했을 때 각 스위치 중에 누른 스위치는 전류가 공급되고 해당 Led에 불이 들어 옵니다. 이부분을 잘 기억해 두세요. Vcc(+)와 Gnd(-)의 선이 어떻게 연결되었고 여기서 해당 선에 전류가 흐르게 되면 어느 방향으로 전류가 흘러갈지를 머리속에서 잘 그려주세요.

위 그림에서 빨간선이 전류의 진행 방향입니다. Green 스위치를 누르게 되면 전류의 진행 방향에 따라서 흐르게 되고 Green Led에 불이 들어오게 됩니다.

위 그림을 보시면 3색 LED만 추가 되면은 Green Led와 3색 LED로 두갈래로 전류가 공급되고 Green Color의 불이 들어오게 됩니다. 대충 어떻게 전류가 흘러가는지 아시겠지요.

4. 두개의 스위치를 누른 효과 만들기

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이 예제는 한개의 스위치 뿐이 누를 수 없습니다. 가상에서도 두개의 스위치를 누르고 싶은 욕망이 생기더군요. 오늘 이야기 하고 싶은 포스트 내용으로 들어가겠습니다. 이 걸 하기 위한 연습단계였네요. 어떻게 하면 두개의 스위치를 누른 효과를 만들 수 있을까요. 임의의 스위치를 만들어서 2개의 LED에 불이 들어오게 전류를 공급하면 됩니다.

위 그림처럼 새로운 스위치를 만들어서 Blue, Green Led 선에 연결을 했을 경우에 스위치를 누르면 2개의 Color에 불이 들어오고 위 3색 LED에 혼합된 색이 출력됩니다. 정상적으로 동작하는 것처럼 보이지만 전류의 흐름에 문제가 있습니다. 과연 뭘까요. 처음의 3개의 스위치를 눌러보세요. Green 스위치를 누르게 되면 Green, Blue에 불이 들어오게 됩니다.

위 그림에서 빨간원을 잘 보시기 바랍니다. Green 스위치를 누르면 해단 선에 전류가 공급되는데 빨간 원모양은 새로운 스위치에 purple 선으로 전류가 흘러가게 되고 purple에 연결된 Blue Led에도 전류가 공급되는 현상이 발생하게 됩니다. 결론은 Blue, Green은 서로 연결되었다는 의미가 됩니다. 그래서 어느 스위치를 누르 든 2개의 LED에 불이 들어오는 현상이 발생합니다.

이 문제를 어떻게 해결 할까요. 전자부품에는 다이오드라는 게 있습니다. 전류를 특정 방향으로만 흘러가도록 하는 부품인데 역전류 현상을 막는 부품이기도 합니다. 아래 그림에서 보는 것처럼 한쪽으로만 진행되고 마이너스 쪽에서 전류가 들어온다면 +쪽으로 전류가 흐르지 못하도록 차단하는 부품입니다.

이 부품을 연결을 아래와 같이 표현하면 Green 스위치를 누를 경우 새로 만든 스위치로 전류가 흘러가지 않게 다이오드가 차단 합니다.

참 재밌는 부품이지요. Green 스위치를 누른 결과인데 Green 스위치를 누르면 새로 만든 pulple선에 연결된 다이오드에 의해서 전류가 흘러가지 못하게 차단이 됩니다. Blue스위치를 눌러도 마찬가지이고요.

회로도 재구성

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• 준비물 : 9V 건전지, 저항 480옴 4개, Red, Blue, Green 각각 1개, 3색 LED 1개, 스위치 7개, 다이오드 9개
• 내용 : RGB LED 스위치

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세개의 Color가 동시에 눌러 졌을 때 상황을 표현한 스위치를 한개 더 추가했습니다. 그리고 그 결과는 위 그림에서 화살표가 가리키는 스위치를 눌렀을 때의 결과 이미지 입니다. 좀 지져분하게 되었지만 위에서 다이오드 연결한 것처럼 추가로 몇개만 더 만드시면 됩니다. 보기만 지져분할 뿐 동작은 잘 됩니다. 위에 공개 회로도로 링크 걸어놓았으니깐 가셔서 시뮬레이터를 돌려 보세요.

다른 방법으로 제어하는 방법도 있겠지만 순간 떠오르는 방법이고 다이오드를 소개하기 딱 좋을 아이템이라고 생각하여 이렇게 표현 했네요. 전류의 흐름을 잘 이해하셨으면 합니다.

5. 실제로 구현

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여기서 끝나면 재미 없어서 한번 실제로 만들어 봤네요. 전원부분은 건전지를 사기가 싫어서 아두이노 5V 전원공급으로 처리했습니다. 그래서 저항은 그냥 220옴으로 수정 되었네요. 참고로 실제 구현에서는 스위치를 동시에 누를 수 있기 때문에 구지 복잡한 다이오드 연결을 하고 새로운 스위치를 만들 필요는 없었습니다.

1) 회로도 구성

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• 준비물 : 저항 220옴 4개, Red, Blue, Green 각각 1개, 3색 LED 1개, 스위치 3개, 아두이노우노, 뻥판
• 내용 : RGB LED 스위치

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위 회로도는 깔금한데 실제 구현은 선때문에 보기 지져분합니다. 실제 모습을 포스트 첫 이미지 사진을 보시면 되겠습니다. 좀 지져분하여 이해를 돕기 위해서 가상 시뮬레이터로 먼저 표현을 했네요. 이것도 위에 공개회로도에 링크를 걸어 놓았으니깐 시뮬레이터를 돌려 보세요.

2) 결과

실제 실험 영상에서는 Blue Led가 없어서 해당 위치에 Yellow Led를 넣었네요. 참고로 Yellow LED이지만 3색 LED에서는 Blue로 정확히 출력됩니다. 감안하시고 보세요.

마무리

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쓰다보니깐 간단히 포스팅 할려다가 또 길어졌네요. 짧게 표현하는 능력이 부족해서 글이 좀 길어지는 경향이 있네요. 암튼 이번 실험을 통해서 전류가 어떻게 흘러가는지 이해하는 시간이 되었으면 합니다.

마무리는 깔끔하게 여기서 마칩니다.