아두이노의 기초 전압과 전류, 저항

안녕하세요. 메카럽입니다.

기계만 생각하던 제가 요즘 아두이노라는 것을 공부하다보니 새로운 신세계를 보게 되었습니다.

학창시절 기술시간에 배웠던 전기에 대해 배우고 있으니 옛날 생각도 나서 재미있게 배우고 있습니다. 요즘 나온 아두이노는 남녀노소 누구나 접근이 가능할 수 있도록 쉽게 되어 있어 조금만 관심을 가지면 충분히 3D프린터와 적용이 가능할 것 같다는 생각이 들었습니다. 여러분들도 관심있으신 분들은 도전해보시기 바랍니다.

이번 포스팅에서는 아두이노에서 가장 기초가 되는 전압과 저항에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

간단한 전기와 전자

아두이노나 회로를 작동하려면 기본적으로 전원이 필요합니다. 영문으로는 Power 또는 Power Source 정도로 쓰입니다. 말 그대로 전자부품을 작동시키기 위한 힘입니다. 전원은 전압과 전류를 함께 고려해야 하며 최소 작동 전압과 전류가 존재합니다. 가령 아두이노 우노를 작동시킬 수 있는 최소 전압은 5V입니다. USB케이블로 전원을 입력 받으면 5V, I/O 핀에 위치한 Vraw 또는 5V 핀으로도 입력받을 수 있으며, 각 GPIO를 작동시킬 수 있는 최소 전류는 20mA입니다. 최소 전압, 전류 사양을 맞춰주지 못하면 계속 리셋되거나 오작동하는 현상을 볼 수 있을 것입니다. 이 사양이 맞춰진 후에야 IDE를 활용한 스케치 코딩 등이 유효합니다.

아두이노는 USB 케이블을 활용하여 PC로부터 안정적으로 전원을 공급받기에 전원에 따른 하드웨어 문제나 IDE를 활용한 스케치 업로딩 문제를 손쉽게 처리할 수 있지만 시제품을 개발하며 부가 회로와 센서, 액추에이터 등을 사용하게 되면 소모 전류가 늘어나고, 때에 따라서는 전압 강하가 일어나 오작동하는 현상을 마주하게 됩니다. 아두이노가 쉽게 사용할 수 있도록 만들어졌지만, 사용자가 시제품 제작을 위해 여러 가지 부수 회로를 부가하면 여러 가지 문제에 노출 됩니다. 이럴 때를 대비하여 전기, 전자에 대한 기초 학습이 필요합니다.

 

■ 전압

상대적인 전위차

전압은 전기 에너지의 위치 에너지, 다시 말해서 어떤 전기 에너지의 낮은 지점과 높은 지점 간의 차이를 의미합니다. 이러한 차이를 전위차라고 하며, 이전위차를 전압이라고 부릅니다. 단위로는 볼트(V)를 사용합니다. 알기 쉬운 비교 사례로 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지는 물의 위치 에너지가 있습니다. 물은 그 크기가 클 수록 활용할 수 있는 에너지가 크다고 볼 수 있습니다. 위 그림은 해발고도 100m 지점에 있는 20m 높이의 폭포와 해발고도 3,500m 지점의 20m 높이의 폭포를 비교한 것으로, 이 둘은 서로 동일한 전위를 갖습니다. 해발고도에는 차이가 있지만 폭포가 떨어지기 시작하는 지점과 떨어지는 지점 간의 높이에는 차이가 없기 때문입니다. 이는 상대적이라고 할 수 있습니다.

상대적인 전위차를 같은 높이에서 재거나 활용할 수 없을까? 아두이노 우노 두 개를 이용해서 서로 통신을 하거나 신호를 주고받는 과정은 어떨까? 하는 내용에 대해 아래 그림에서 왼쪽 그림은 두 개의 우노에 각각 독립적인 전원을 인가하고 상호 통신 포트를 연결해서 통신을 시도하는 사례입니다. 이 경우, 통신이 원활하지 않거나 지속적인 오류가 생깁니다. 이는 앞선 그림과 비슷한 이유인데, 전원 간 전위차가 있기 때문입니다. 측, 폭포의 폭은 5V로 동일하지만 해발고도의 차이가 있으므로 통신에 문제가 생깁니다. 이 경우 아래 오른쪽 그림처럼 -극(GND)을 서로 연결해주면 해발고도 원점을 똑같이 맞추어 문제를 해결할 수 있습니다. 이와 같은 사례는 전기를 처음 접하는 초보자들이 겪는 대표적인 문제라고 할 수 있겠습니다.

전위차와 아두이노간의 통신

■ 전류

전류는 전기 에너지의 흐름으로 단위시간 당 흐른 전하를 띤 입자의 양 정도로 정의할 수 있습니다. 전하를 띤 입자, 즉 전자의 이동은 -에서 +로 이루어지며, 이 흐름이 만들어내는 것이 전류입니다. 전류는 물처럼 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며 이러한 흐름의 양을 전류량이라고 합니다. 그 단위로는 암페어(A)를 사용합니다.

전류는 물의 흐름입니다. 아두이노, 회로, 센서 들은 물이 떨어지는 곳 아래에 있는 수차라고 생각해보세요. 물이 아래로 흘러야 수차를 작동시킬 수 있는데 수차의 종류에 따라서 필요한 물의 양이 다릅니다. 수차를 작동시키려면 물이 떨어지는 속도도 중요하지만, 흐르는 유량도 중요합니다. 수압은 굉장하지만 유량이 매우 적어도 안 되고, 수압이 낮고 유량만 많아도 부족합니다. 수압과 유량 모두를 만족시켜야 수차가 돌게 됩니다.

소형 LED와 같이 전류 소모량이 수십 mA 수준에 이르는 소자가 있는 반면 수 A 이상을 요구하는 DC모터도 있습니다. 아두이노 우노의 I/O 포트는 대체로 수십 mA 수준을 소모하지만 그 이상의 전류를 소모하는 장치를 제어하려면 릴레이나 트랜지스터를 이용해야 합니다. 참고로 PC의 USB  포트로 공급되는 전류는 최대 500mA, AC-DC어댑터를 통해 공급되는 전류는 대체로 1A~1.5A 수준입니다. 몇 개의 LED와 센서 수준이라면 아두이노를 사용하는 레벨에서 전류 걱정을 크게 하지 않아도 되지만, 모터와 같이 전류 소모량이 많은 액추에이터가 붙으면 작동에 문제가 생길 수 있습니다. 이번에는 여러 가지 구성품들로 이루어진 회로를 살펴보겠습니다.

위 그림에서 공급전류 1A는 수도관에서 물이 지나가는 통로로 생각하면 이해가 쉽습니다. 위 그림은 1A를 흘릴 수 있는 수도관에 0.1A 전류 소모를 하는 작은 관들이 붙어 있는 것을 나타냅니다. 큰 수도관은 외부전원 어댑터나 배터리를 통해 공급되는 전원을 의미하고, 작은 수도관들은 MCU, 센서, 액추에이터, 디스플레이 등입니다.

작은 수도관들 또한 수도관과 마찬가지로 최대 흘려보낼 수 있는 전류량이 정해져 있습니다. 만약 1A짜리 수도관에 0.1A짜리 작은 수도관 20개가 물려 있는 상태에서 모두가 물을 사용하고 있으면 어딘가는 물 공급이 원활하지 않게 됩니다.

큰 수도관에 흐르는 물의 양, 즉 사용할 수 있는 물은 한정되어 있는데 센서나 액추에이터 등이 그보다 훨씬 더 많은 물을 사용하면 MCU, 센서, 액추에이터 모두 영향을 받을 수 밖에 없습니다. 이때 전류 공급이 차단되어 순간적으로 꺼지며 리셋되는 현상이 지속되고 실제로 아두이노 개발에서 전압이 문제 되는 경우보다 이런 전류 문제가 더 빈번합니다.

이와 반대로 공급되는 전류가 부족하다면 간단히 건전지를 병렬로 추가하거나 외부전원을 이어서 외부로부터 더 끌어오면 됩니다. 물통에서 떨어지는 물의 양이 부족하면 곁에 물통을 하나 더 두는 격입니다. 단, 전압의 전위를 맞춰주는 것처럼 -선(GND) 또한 같이 이어주어야 합니다.

 

■ 저항

저항은 전류의 흐름을 방해하는 전자 소자이며 저항 또는 저항기 등으로 부릅니다. 여러 가지 목적에 따라 사용할 수 있으며 그 단위로 옴(Ω)을 사용합니다. 주어진 전압을 저항비에 따라 분배하거나, 회로로 유입되는 전류를 제한하거나, 디지털 회로에서 풀업, 풀다운으로 적용하여 플로팅을 막는 목적으로 사용하는 것이 대표적입니다.

아두이노 관련 책과 포스팅을 살펴보면 LED에 직렬로 저항을 다는 것을 볼 수 있습니다. 대부분 책과 포스팅에는 LED  예제가 많은데 LED로 유입되는 전류를 제한하는 것이 저항의 역할입니다. LED는 인가되는 전류에 비례해 발광하는 전자소자입니다. 이때 LED에 흐르는 전류를 제한하여 과전류가 흐르는 것을 막고, 나아가 LED가 파괴되는 것을 막아 줍니다. LED 회로에 가변 저항을 달아두고 저항값을 조절해보면 저항값에 따라 달라지는 LED 밝기를 관찰할 수 있습니다.

위 그림의 왼쪽은 낮은 저항값을 갖는 물통, 오른쪽은 비교적 높은 저항값을 갖는 물통을 나타내고 있습니다. 저항은 수도꼭지의 크기를 제한하여 아래로 떨어지는 물의 양을 조절하는 기능을 수행하여 과전류로부터 소자를 보호합니다. 저항은 전압을 분배하는 기능도 갖고 있는데 주어진 잔압값에 저항을 배치해서 출력 전압과 전류를 조정하는 것입니다.

위 그림의 왼쪽은 물통의 수압이 그대로 출력되는 것이고 오른쪽 그림은 수도꼭지를 위쪽으로 올려서 수압을 줄여 물을 내보내고 있습니다. 저항의 배치에 따라 내려오는 물줄기의 세기가 달라집니다.

 

이번 포스팅에서는 전류, 전압, 저항에 대해 알아보았습니다. 평소에 어렵게만 느껴졌던 것들이 관심하나로 조금씩 이해가 되는 즐거움이 있어 재미있게 공부하고 있습니다. 아두이노를 마스터하는 그날까지 열심히 배워보겠습니다.

다음 시간에는 기초회로에 대해 알아보도록 하겠습니다.

오늘 하루도 행복하시고 요즘처럼 건강하시라는 말이 절실한 적이 없습니다. 모두들 건강하세요.