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/// 교육 · 기초 회로 · 04

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.

Vs R LED Vf 전류 I 가 한 바퀴 돈다. R 이 I 를 정한다
전원 → 저항 → LED → 다시 전원. 저항은 LED 앞이든 뒤든 같다.

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.

R = (Vs − n × Vf) / I   ·   P_R = I² × R   ·   P_LED = Vf × I

색깔별 Vf 어림값

색Vf 흔한 범위계산에 넣을 값
적외선(IR)1.2 ~ 1.5 V1.3 V
빨강1.8 ~ 2.2 V2.0 V
주황 · 노랑2.0 ~ 2.2 V2.1 V
연두(옛 초록)2.0 ~ 2.4 V2.2 V
진초록 · 파랑 · 흰색2.8 ~ 3.4 V3.1 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

예: 5V · 3.3 · 12
아래 표 · 데이터시트
예: 10m(=10 mA) · 20m
계산된 저항
-
푸는 순서

    흔한 실수

    3.3V 핀에 파랑 · 흰색 LED — Vf 가 3.0~3.3 V 라 저항에 걸릴 전압이 거의 없다. 밝기가 들쭉날쭉하거나 안 켜진다. 5V 에서 켜거나, 트랜지스터로 따로 구동한다.
    LED 여러 개를 병렬로 하고 저항은 하나 — Vf 가 조금씩 달라 한 개에 전류가 몰린다. 병렬이면 LED 마다 저항을 따로 단다.
    MCU 핀 전류 한도 — 핀 하나가 내줄 수 있는 전류는 보통 수 mA ~ 20 mA, 칩 전체 합계 한도도 있다. 표시용이면 2~5 mA 만으로도 충분히 보이는 경우가 많다.
    저항 정격 전력 — 12V · 24V 처럼 전압 차가 크면 저항이 꽤 뜨거워진다. 계산된 소비전력의 두 배 이상 정격(예: 0.25 W → 0.5 W)을 쓴다.

    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.