다이오드와 LED: 순방향 전압과 저항으로 전류 정하기
다이오드는 전류를 한쪽으로만 흘린다. LED 는 빛을 내는 다이오드다. 저항과는 성질이 완전히 달라서, 전압이 아니라 전류로 다뤄야 한다는 점을 손에 익힌다.
다이오드는 한쪽으로만 흘린다
다이오드에는 방향이 있다. 애노드(+)에서 캐소드(−, 띠가 그려진 쪽)로는 흐르고, 거꾸로는 거의 흐르지 않는다. 쓰임새는 많다. 전원을 거꾸로 꽂았을 때 막기, 교류를 직류로 바꾸기(정류), 릴레이 코일의 역기전력 흘려보내기.
순방향 전압 Vf
저항은 전압을 올리면 전류가 비례해 는다. 다이오드는 다르다. 어떤 전압(문턱)까지는 거의 안 흐르다가, 넘으면 전압은 거의 그대로인 채 전류만 급격히 는다. 이때 양 끝에 걸리는 거의 일정한 전압이 순방향 전압 Vf 다. 실리콘 다이오드는 약 0.6~0.7 V, 쇼트키 다이오드는 0.2~0.4 V, LED 는 색에 따라 1.8~3.4 V 쯤이다.
그래서 다이오드 · LED 에 전원을 바로 물리면 전류를 막을 것이 없어 순식간에 과전류가 흐른다. 전류를 정해 주는 무언가가 꼭 필요하고, 가장 간단한 것이 직렬 저항이다.
저항으로 전류를 정한다
전원 전압에서 LED 몫(Vf)을 빼면 저항에 걸리는 전압이 나온다. 여기에 01편의 옴의 법칙을 쓰면 원하는 전류를 흘릴 저항값이 나온다.
공식과 근거
LED 에 전류가 흐르면 양 끝에 거의 일정한 전압 Vf(순방향 전압)가 걸린다. 전원 전압 가운데 Vf 를 뺀 나머지가 저항에 걸리고, 옴의 법칙으로 그 저항에 원하는 전류가 흐르게 값을 정한다.
색깔별 Vf 어림값
| 색 | Vf 흔한 범위 | 계산에 넣을 값 |
|---|---|---|
| 적외선(IR) | 1.2 ~ 1.5 V | 1.3 V |
| 빨강 | 1.8 ~ 2.2 V | 2.0 V |
| 주황 · 노랑 | 2.0 ~ 2.2 V | 2.1 V |
| 연두(옛 초록) | 2.0 ~ 2.4 V | 2.2 V |
| 진초록 · 파랑 · 흰색 | 2.8 ~ 3.4 V | 3.1 V |
값은 일반 5 mm · 3 mm 표시용 LED 의 대략적인 범위다. 같은 색이라도 제품마다 다르니 쓰는 LED 의 데이터시트 Vf(보통 20 mA 기준)를 먼저 본다.
값 넣어 보기
흔한 실수
자주 묻는 것
계산값이 300Ω 인데 300Ω 저항이 없다
바로 위 표준값을 쓴다(E12 면 330Ω). 위쪽 값을 쓰면 전류가 조금 줄어 안전하다. 위 상자에 그 값을 썼을 때의 실제 전류가 나온다.
PWM 으로 밝기를 줄일 때도 저항이 필요한가
필요하다. PWM 은 켜진 동안의 전류를 줄여 주지 않는다. 저항은 켜진 순간의 최대 전류를 정하고, PWM 은 켜져 있는 시간 비율로 평균 밝기를 정한다.
Vs 가 Vf 보다 작거나 거의 같으면?
저항으로는 켤 수 없다. 전원을 높이거나, LED 를 직렬 대신 병렬(각자 저항)로 바꾸거나, 정전류 드라이버를 쓴다.
확인 문제
5V 에 빨간 LED(Vf 2.0V)를 15 mA 로 켜려면?
(5 − 2.0) ÷ 15 mA = 200 Ω → 바로 위 표준값 220 Ω(실제 약 13.6 mA).
3.3V 핀으로 흰색 LED(Vf 3.1V)를 저항으로 켜기 어려운 까닭은?
저항에 걸릴 전압이 0.2 V 뿐이라, Vf 가 조금만 달라져도 전류가 크게 흔들린다. 5V 에서 트랜지스터로 구동한다.
다이오드를 거꾸로 달면?
거의 흐르지 않는다(역방향). 단, 역방향 최대 전압을 넘으면 망가지므로 데이터시트의 VR 을 본다.