P4 라이트 자작할 때 알아야 할 전기 지식

요즘 차량용 LED DIY나 랜턴 후라쉬 DIY 하시는 분들이 꽤 되시는데요...

제가 예전에 워낙 고생을 햇던 터라 정리해서 올려봅니다.

 

제 글은 전적으로 초보자를 중심으로만 씁니다. 고수님들은 제가 잘못 쓴 거를 좀 봐주세요.

그리고 저는 기계공학을 전공한 사람으로 전기에는 문외한입니다.

 

나도 된다 시리즈를 그럼 시작합니다.

 

우선 무엇을 만들것인가 부터 시작해야 합니다.

제가 LED에 입문을 하게 된 첫번째 동기는 제 애마인 카니발(구형)의 실내등이 나가고 나서부터였습니다.

실내등 다마를 사러 갔더니 500원하는데... 갈아 끼고 나니 열이 많이 나더군요. 밝기도 영 맘에 안들고...

그래서 유행하고 있는 LED를 한번 껴보자 라고 해서 시작했는데...

 

고등학교때 너무 놀았더니... 전기를 다 까먹었습니다.

인두며 뭐며 다 사놓고 나니 뭘 어떻게 연결을 해야 할지 아득하더군요.

여기저기 눈질을 해가며 공부를 하기 시작했습니다.

덕분에 배송비만 두번 들었습니다. 공부하고 난 후 부품 배열을 바꾸었거든요.

 

초보자께서 제일 힘들어하는 부분은 바로

"왜 저항을 달까?  LED는 어떤 걸 달까? 어떻게 연결하나?" 이 3가지일 겁니다.

그걸 차분히 설명하겠습니다.

 

자동차는 제네레이터(알토네이터가 정식명칭임)라는 발전기를 통해 전기를 생산합니다.

여기서 발전되는 전기는 교류입니다. 이 교유를 정전류, 평활회로등을 거쳐서 직류로 변환됩니다.

(단어를 모르시더라도 그냥 이런게 있구나 하고 넘어가세요.)

그런데 발전기의 상태에 따라 계절에 따라 11V ~ 14V까지 왔다갔다 하게 됩니다.

12V가 정확하게 발전되지 않습니다.

 

어쨋든 자동차의 전기를 12V로 생각하지요.

 

LED를 샀더니 3.1~3.4V에 20mA라는 화성언어가 쓰여있더군요.

속으로 "뭘 어쩌라는 거야? 왜 12V용 LED는 없지?"라고 생각을 했지요.

여기저기 돌아다녀 보니 3.1~3.4V의 밧데리를 걸어주면 빛이 나며 20mA의 전기를 소모한다는 내용이었습니다.

즉 최소 3.1V는 되어야 켜진다는 얘기니까... 직렬로 4개를 연결하면 12.4V가 되니 자동차의 전기가 12.4V라면

굳이 저항을 끼지 않아도 된다는 뜻이라는 것을 꽤 나중에 알았지요.

 

 

자동차가 12V이니까 12.4V라면 LED가 좀 높으니 안켜질 수도 있어서... 3개만 달아야 합니다.

그런데 LED의 최대 전압은 3.4까지 버텨준다고 했으니 3.4V*3개 = 10.2V가 됩니다.

즉 12-10.2 = 1.8V의 전압의 차이가 발생하는 거죠.

 

그냥 LED 3개를 연결해도 되긴 하지만 LED가 오래 가지 않아 사망하더군요.

즉, 전압을 떨어뜨려주는 무언가가 필요했습니다.

 

그게 바로 저항이었습니다.(나중에 다시 말씀드리겠지만 직렬회로에서는 저항을 단다고 해서 전압이 떨어지지 않습니다. 지금은 넘어가세요)

각각의 LED가 3.4V를 소모해주고, 저항이 1.8V를 소모하면 12V가 딱 되는 구조입니다.

그럼 저항은 얼마짜리를 연결해야 할까요?

 

저항에 걸려야 할  전압은 이미 위에서 나왔습니다. 1.8V

여기서 V(전압) = I * R(전류*저항)

         1.8      = 전류 * 저항

 

식은 하나인데... 미지수는 두개 이므로 이 수식은 풀리지 않습니다.

 

무언가를 더 배우지 않으면 안되는 상황에 봉착했습니다.

저항을 구하려 햇는데... 전류까지 몰르니...

 

여기서 또 하나 알아야 할 사항은 직렬 회로에서는 어느 구간에서나 동일한 전류가 흐른다는 것입니다.

즉 LED에 흐르는 전류가 전체 흐르는 전류와 동일하다는 내용을 알게 되었습니다.

20mA니까 0.02A(계산에서는 무조건 A로 바꾸어야 함)로 바꾸고 1.8/0.02 = 90, 즉 90옴의 저항을 LED앞단에 달면

LED가 안전하게 살아 있게 되는 그런 구조였습니다.

 

이것을 수식으로 바꾸어 보면 다음과 같습니다.

 

    밧데리 전압 V = V_led  + V_저항

                      = V_led1 + V_led2 + V_led3 + V_저항

                      = 3.4      +   3.4    +   3.4   + 1.8 

                12V  = 12V

 

또 밧데리 전압 V = V_led + V_저항 에서  (V_led를 좌변으로 넘기면)

                   V - V_led = V_저항 이 되고

                                = I * R 이 되니까... 식을 이동하면...

                             R = (V - V_led) / I  가 됩니다.

 

이런 수식을 보면 기절하시는 분이 계셔서... 말로 바꾸면...

 

 직렬회로에서 회로에 넣을 저항값을 구할려면

밧데리 전압에서 총 LED의 전압의 합을 빼고, 이것을 LED의 전류값으로 나누면

저항값이 자연히 튀어나오게 되는 겁니다.

 

여기까지 도달하는데 많은 어려움을 겪었습니다.

이걸 알고 난 후, 드디어 인두와 납을 이용하여 납땜을 하기 시작했고

제 카니발이 무척 환하게 바뀌었습니다.

 

이제는 용량에 대해서 언급할 순간입니다.

 

물 1리터 통에 2리터를 넣으면 PET병이 깨지거나 물이 안들어가질 겁니다.

저항에도 용량이 있습니다.

저항을 보면 우리가 일반적으로 보는 저항(노란 황토빛에 띠줄로 색을 입힌)의 용량은 1/4W 짜리입니다.

 

왜 1/4W짜리를 썼을까 하는 생각이 들더군요. (이 내용도 나중에 천천히 아시게 됩니다.)

W는 와트라는 단위이며, 전력을 나타냅니다.

전력 P = I * V 입니다.(일반적으로 V를 E로 씁니다.)

즉 저항의 전력은 전류와 저항이 소모한 전압의 곱입니다.

그러므로 저항전력 P = 0.02A * 1.8 = 0.036W 이므로 0.25W(1/4니까)보다 작으니까 저항이 견디어 내는 겁니다.

 

이제 어렵사리

전압과 전류, 저항, 전력까지 공부를 했습니다.

 

이제 또다른 의문이 들기 시작합니다.

 

내가 LED가 하나 밖에 없거나 LED를 하나밖에 설치할 수 없는 공간이라면...

이때의 저항은 얼마나 달아야 할까?

 

이제 식을 알았으니 그대로 대입하면 됩니다.

 

V_밧데리 = V_led + V_저항

    12     =   3.4  + V_저항

 V_저항  =   8.6

            = LED전류 * 저항

그러므로

      저항 = 8.6 / 0.02

            = 430 옴     이 되는 겁니다.

 

이제 왜 저항값이 구해지는지 아시겠는지요...?

 

또다른 의문이 듭니다.

 

일반적으로 모든 전자부품을 자체의 저항을 가지고 있는데...

LED도 분명히 저항을 가지고 있을텐데... 왜 LED저항은 이 수식에서 넣지 않을까?

LED의 저항값을 감안한다면, 달아야 할 저항값이 더 작아질텐데...하는 의구심이 생겨야 합니다.

 

LED에서 열과 저항은 반비례 관계입니다.

즉, LED가 열을 받기 시작하면 저항은 계속 줄어듭니다.

그래서 LED가 높은 열을 받게 되면 저항은 거의 없어집니다.

 

이를 수식에 대입해보면

V = I * R 에서

밧데리 전압은 고정일 수 밖에 없으니 변하지 않을 것이고

R이 작아진다면 I(전류)가 커져야 합니다.

 

그래서 LED는 자기가 소모할 수 있는 전류양보다 더 많은 전류를 퍼먹게 되고

(술이 술을 먹고  술이 또 술을 퍼먹고... 그다음날 숙취로 뻗는 증상과 동일합니다.)

LED의 밝기는 20mA만 빛으로 바꿀수 있으니

더 먹게된 전류양만큼 열로 바뀝니다. 즉 LED는 더 열받게 되고... 결국 사망하게 되는 겁니다.

 

만약 LED의 저항값을 인정(계산)했다면, 회로에 껴 넣어야 할 저항은 LED의 저항만큼 작아진 저항을 납땜해야 하는데...

LED가 열을 받기 시작해서 LED 자체 저항의 거의 제로에 다다르면, 고유 저항은 그만큼 더 힘들어지게 되고

저항은 저항대로 열받고 LED는 LED대로 열받아서 이 회로를 못쓰게 되는 겁니다.

 

그래서 LED의 자체 저항값은 일반적으로 계산하지 않습니다.

너무 변동이 크기에 회로의 안정성을 위해서는 LED의 저항을 잡지 않는것이 안전하기 때문입니다.

 

여기까지 오면서도 엄청나게 많은 질문을 스스로 하게 되었습니다.

게시판을 통해 질문도 했지만

오히려 더 어려운 답변만이 저를 기다리고 있더군요.

 

그중 저를 가장 많이 괴롭혔던것은

 

저항을 사용하는 이유는 LED에 걸리는 전압을 낮추기 위해서라고 했는데...

직렬회로에서는 어떤 부품을 거치더라도 전압을 테스터로 재보면 동일하다고 배웠던 것과 상충하기 시작하는 겁니다.

테스터로 찍어보면 어느 부품의 앞과 뒤를 찍어보더라도 전압은 밧데리 전압과 동일합니다.

 

그런데 저항을 쓰는 이유는 전압을 낮추기 위함이랍니다. 헤깔려 죽는 줄 알았어요...ㅋㅋㅋ

만약 저항이 전압을 낮추는 용도로 활용된다면

 

12V밧데리를 가지고 있는데 3V로 바꾸고 싶다면 저항만 달면 되게요?

 

저항만으로는 12V가 3V로는 변환되지 않습니다.

 

바로 이걸 제가 헤깔린거죠.

 

저항이 9V를 감당할 뿐이지 저항이 9V의 전압을 떨어뜨려주는 것은 아닙니다.

이 글을 읽으시는 분도 이 부분이 많이 헤깔리실 겁니다.

 

총 합산 전압이라는 것을요... LED가 3볼트를 소화하게 하고 저항이 9V를 소화하게 하는 겁니다.

그래서 12V를 모두 소화하는 구조가 됩니다. 12볼트가 저항꼈다고 3V로 내려앉는 구조가 절대 아닙니다.

 

그럼 전류양을 왜 조절하느냐 라는 질문이 나와야 합니다.

결론 부터 말씀드리면

직렬회로에서 저항을 다는 이유는 전압을 떨어뜨리는 것이 아니라 전류양을 조절하는 것입니다.

V = I * R 에서

밧데리 전압은 이미 고정인데... 저항을 올리면 전류를 당연히 떨어지는 것이지요.

 

그럼 도데체

전압은 뭐고 전류는 뭐냐? 여기에 봉착하게 되더군요.

참으로 힘든 과정이었습니다.

 

전압은 물에 비유하면 물의 압력입니다.

바닥에 깔려있는 1리터의 물과 1KM상공에서 떨어지는 1리터의 물은 과연 어떤 차이일까요?

물은 같은 물이고 용량은 동일하게 1리터입니다. 1리터가 바로 전류, 1KM가 전압이 되는 것이지요.

1KM에서 떨어진 물은 그 높이만큼의 압력을 지니게 됩니다.

즉 같은 양의 물 1리터인데...

바닥에 있는 물에 부닺치면 그냥 물 1리터일 뿐이고

1Km 상공에서 떨어지는 물 1리터를 맞으면 그냥 즉사합니다.

 

그게 바로 전기가 가지고 있는 압력, 즉 전압입니다. 즉 전류를 밀어주는 힘을 뜻합니다.

 

전압은 직렬회로에서는 어느 구간에서나 동일(테스터기로 찍어봤을 때를 의미)합니다.

직렬회로의 식에서는 V=V1+v2+v3가 되지많요...

 

하지만 개별 부품이 소모하는 전압은 다릅니다.

회로의 전압(밧데리전압)과 부품이 소모하는 전압의 합이 같아야 이 회로는 비로서 안정한 회로가 되는 것이지요.

 

전류로 다시 돌아와서...

 

LED의 특성은 전류를 계속 먹어치우는 습성이 있다고 합니다.

이게 LED가 빛을 낼때 열이나니까... 열에 의해 저항이 적어져서 전류를 더 달라고 아우성을 치는 건지

아니면

전류를 더 먹는 특성때문에 열이 나는 것인지는 잘 모르겟습니다. (이 부분은 고수님들이 좀 알려주세요)

어쨋든 회로에 저항이 없다면 어떻게 될까를 고민해야 합니다.

 

다음의 예를 보시죠.

 

 

 

휴대폰 밧데리는 3.7V입니다. 보통 700mA의 전기를 보관하고 있죠.

요즘 휴대폰 밧데리를 이용하여 후라쉬를 만드시는 분들이 꽤 많습니다. 그래서 휴대폰 밧데리를 예로 들겠습니다.

 

LED가 3.1~3.4V, 30mA짜리 1개에 그냥 연결한다고 가정을 하고 LED의 자체저항이 있다고 가정하죠. 별도의 저항은 없이요.

LED의 자체 저항값을 구하려면 R=V/I 이므로 3.4/0.03 = 113옴입니다. 처음엔 열이 없으니까 자체 저항이 존재하지요.

그런데 회로의 전압, 즉 밧데리의 전압이 3.4면 문제가 될 것이 없는데... 이보다 약간 높은 3.7V입니다.

 

즉, 회로 전체적으로 봤을때

V = I * R 이므로

3.7 / 113 = I = 32.7mA

즉 30mA보다 큰 32.7mA가 나오게 됩니다.

회로의 전류는 LED의 소모 전류보다 2.7mA 더 나오는게 되는 거죠.

 

저항의 역할은 이 2.7mA를 줄여주는 역할을 합니다.

즉 30mA가 나와야 할 저항값을 구해야 합니다.

 

바로 위의 식에서....

3.7 / 113 = I = 32.7mA 라고 쓴 것을 아래와 같이 바꾸면 됩니다.

3.7 /  R  = 30mA  

(113을 새로 구해야 하는 저항값 R로 바꾸었구요. 32.7에서 30mA로 내려야 하니까... 30mA로 적었습니다.)

그럼 R은 123옴이 나옵니다.

 

기존 LED 자체 저항이 113이고 회로는 직렬이니...

      R_전체저항 = R_led + R_저항

            123     =  113   + R_저항

그러므로 R_저항 = 10옴.

 

즉 10옴의 저항을 껴야 합니다.

10옴의 저항을 끼지 않는다면 2.7mA가 열로 바뀌면서 LED도 사망하기 쉽고

밧데리도 쓸데없이 빨리 닳게 되는 것이지요.

 

 

이렇게 계산 안하고

처음에 배웠던 식으로 계산해도 됩니다.

 

V_밧데리 = V_led + V_저항

   3.7     =  3.4    + V_저항

 V_저항  = 0.3 

   I * R   = 0.3

 0.03A * R = 0.3

그러므로 R = 10 옴 이 됩니다.

 

이제 2해가 좀 오십니까? 아니면 5해가 되십니까?

5해가 되시는 분은 3해를 빨리 빼셔야 하는데...ㅋㅋㅋ

 

다시 한번 더 말씀드리지만

회로에서 저항의 역할은 전압을 떨어뜨리는 것이 아니라

저항이 회로에서 부담해야 할 전압을 담당할 뿐이구요

(도둑이 밖에서 12V의 힘으로 문을 미는데... 안에서는 문을 막으려고 3V짜리 LED 동생과 9V를 담당해줄 저항이 필요한거죠.

 저항이 있다고 해서 도둑이 3V의 힘으로 미는 것이 아니라는 의미입니다.)

 

궁극적으로는 전류량을 조절하는데 그 목적이 있다는 것을 아셔야 합니다.

 

참

휴대폰 밧데리의 용량이 700mA니까... LED 30mA라면

700 /30 = 23.3  즉, 23시간 20분을 켤수 있습니다. 대단하죠?

 

다음 시간에는 LED를 병렬로 연결하는 방법에 대해서 설명을 드리지요.

또 병렬 연결 방식과 직렬 연결 방식은 뭐가 다른지에 대해서도 설명을 드리지요.

 

에고 차량 실내등 하나 바꾸기 �장 힘들다.

 

추신 : 이 짓거리 하고 있으면 마눌님한테 혼납니다.

         안 혼나는 방법을 말씀드리지요. 얼라에게 가르치면서(실은 부려먹으면서...) 작업하면 오히려 칭찬받습니다.ㅋㅋㅋ

 

출처 : 리컴번트 산책 http://cafe.naver.com/recumbents/3878

         곰탱구리