라즈베리파이 전자 기초, 옴의 법칙과 LED 저항

LED에 붙이는 저항 값을 옴의 법칙으로 직접 계산하고, 브레드보드 구조와 저항 색띠 읽는 법을 정리합니다. 마지막에는 코드 없이 버튼을 누르는 동안만 LED가 켜지는 회로를 만듭니다.

라즈베리파이로 LED제어하기에서는 LED 앞에 1kΩ 저항을 넣었습니다. 이번 글은 그 값이 어디서 나오는지 봅니다. 코드는 없습니다.

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1. 전압·전류·저항과 옴의 법칙

전기는 눈에 보이지 않습니다. 그래서 물에 빗대어 보면 쉽습니다.

• 전압(V, 볼트): 전기를 미는 힘입니다. 물탱크가 높을수록 물이 세게 나오는 것과 같습니다. 라즈베리파이 GPIO의 HIGH는 3.3V입니다.
• 전류(I, 암페어 A): 실제로 흐르는 전기의 양입니다. 관을 지나가는 물의 양입니다.
• 저항(R, 옴 Ω): 흐름을 막는 정도입니다. 관이 좁을수록 물이 적게 흐릅니다.

V = I × R

세 값은 V = I × R로 묶입니다. 이것이 옴의 법칙입니다. 둘을 알면 나머지 하나를 구할 수 있습니다.

• 전류를 구할 때: I = V ÷ R
• 저항을 구할 때: R = V ÷ I

단위를 먼저 바꿉니다

계산은 A와 Ω으로 합니다. mA와 kΩ은 먼저 바꿔 넣습니다.

• 1mA = 0.001A
• 1kΩ = 1,000Ω

예를 들어 3.3V에 1kΩ 저항 하나를 이으면 I = 3.3 ÷ 1,000 = 0.0033A입니다. mA로 바꾸면 3.3mA입니다. 거꾸로 3.3V에서 3.3mA를 흘리려면 R = 3.3 ÷ 0.0033 = 1,000Ω입니다.

헷갈리기 쉬운 점

• 1kΩ을 1로 넣으면 3.3 ÷ 1 = 3.3A가 나옵니다. 1,000배 틀린 값입니다. 1,000으로 바꿔 넣어야 3.3mA입니다.
• 저항이 크면 전류가 작아집니다. 저항 값과 전류는 반대로 움직입니다.

2. LED 저항 값 계산하기

LED는 저항과 한 줄로(직렬로) 잇습니다. 긴 다리가 애노드라는 점과 연결 순서는 라즈베리파이로 LED제어하기에서 다뤘습니다. 여기서는 저항 값만 계산합니다.

LED가 쓰는 전압

LED는 켜질 때 일정한 전압을 씁니다. 이 값을 순방향 전압이라고 합니다. 색마다 다릅니다.

LED 색	순방향 전압(대략)
빨강	1.8~2.2V
노랑, 일반 초록	2.0~2.4V
밝은 초록	약 3.2V
파랑	약 3.0~3.4V

정확한 값은 제품 데이터시트에 있습니다. 아래 계산은 빨간 LED를 2.0V로 잡습니다.

저항에 남는 전압

GPIO가 내는 3.3V를 LED와 저항이 나눠 씁니다. LED가 2.0V를 쓰면 저항에는 3.3 − 2.0 = 1.3V가 남습니다.

이제 옴의 법칙을 저항 하나에만 씁니다. R = 1.3 ÷ I입니다. 전류를 10mA로 잡으면 1.3 ÷ 0.01 = 130Ω입니다.

라즈베리파이에서는 전류를 낮게 잡습니다

공식 문서에는 GPIO 핀 하나에 16mA, 전체 합계 50mA라는 숫자가 있습니다. 이 값은 핀이 망가지지 않는 한계에 가깝습니다. 라즈베리파이 4 GPIO의 출력 전류는 기본 4mA, 최대 8mA입니다. LED는 몇 mA만 흘러도 충분히 보입니다.

그래서 이 시리즈는 330Ω 또는 1kΩ을 씁니다.

• 330Ω: 1.3 ÷ 330 ≈ 0.0039A, 약 4mA입니다. 적당히 밝습니다.
• 1kΩ: 1.3 ÷ 1,000 = 0.0013A, 약 1.3mA입니다. 어둡지만 안전합니다.

헷갈리기 쉬운 점

• LED 설명서의 20mA는 LED가 견디는 값입니다. GPIO에서 흘릴 목표 전류가 아닙니다.
• 계산 값보다 큰 저항을 쓰면 전류가 줄어 안전한 쪽입니다. 더 작은 저항은 반대로 전류가 늘어납니다.
• 파란 LED는 여유가 적습니다. 3.0V로 잡으면 저항에 0.3V만 남아서, 1kΩ이면 0.3mA, 330Ω이면 약 0.9mA입니다. 파란 LED나 흰 LED가 어둡게 보이는 이유입니다.
• LED 방향이 바뀌면 불만 안 들어오고, 3.3V 회로에서는 LED가 상하지 않습니다. 돌려서 다시 꽂으면 됩니다. 두 다리 길이가 같아 구분이 안 되면 LED 둥근 테두리에서 깎인 면을 찾습니다. 그쪽 다리가 캐소드(짧은 다리 쪽)입니다.

3. 브레드보드 안쪽 연결

브레드보드는 납땜 없이 부품을 꽂는 판입니다. 구멍 아래에 금속 클립이 있어서, 같은 묶음의 구멍끼리 전기가 통합니다.

부품 영역

가운데 넓은 부분이 부품 영역입니다. 구멍마다 번호(1, 2, 3…)와 글자(a~j)가 붙어 있습니다.

• 같은 번호의 a~e 다섯 구멍이 한 묶음입니다. 예를 들어 a5, b5, c5, d5, e5는 서로 연결되어 있습니다.
• 같은 번호의 f~j 다섯 구멍이 또 한 묶음입니다.
• 가운데 홈에서 끊깁니다. e5와 f5는 연결되어 있지 않습니다.

전원 레일

보드 가장자리에 +, − 표시가 있는 긴 줄이 전원 레일입니다. 레일은 길게 한 줄로 연결되어 있습니다. GND처럼 여러 부품이 같이 쓰는 선을 여기에 모읍니다. 긴 보드는 레일이 가운데에서 끊긴 제품도 있습니다. 양 끝을 모두 쓸 때는 점퍼선으로 이어 줍니다.

두 다리는 다른 묶음에

부품의 두 다리를 같은 묶음에 꽂으면 두 다리가 클립으로 바로 붙습니다. 전기는 부품을 지나지 않고 클립으로 돌아갑니다. 저항이든 LED든 두 다리는 서로 다른 번호에 꽂습니다.

헷갈리기 쉬운 점

• 보드를 어떻게 놓느냐에 따라 묶음이 가로로도, 세로로도 보입니다. 방향 대신 "같은 번호의 a~e"로 기억합니다.
• 홈 건너편은 같은 번호라도 연결되어 있지 않습니다. e5와 f5는 서로 다른 묶음입니다.

4. 저항 색띠 읽기

저항에는 숫자를 적을 자리가 거의 없습니다. 그래서 몸통에 두른 색깔 띠로 값을 알려 줍니다. 먼저 색마다 숫자 하나가 정해져 있습니다.

색	숫자
검정	0
갈색	1
빨강	2
주황	3
노랑	4
초록	5
파랑	6
보라	7
회색	8
흰색	9

4색띠 저항

금색 띠를 오른쪽에 두고 왼쪽부터 읽습니다.

1. 첫째 띠: 첫 번째 숫자
2. 둘째 띠: 두 번째 숫자
3. 셋째 띠: 뒤에 붙일 0의 개수
4. 넷째 띠: 오차(금색은 ±5%)

이 글에 나오는 저항으로 읽어 보면 이렇습니다.

• 주·주·갈: 3, 3, 0 한 개 → 330Ω
• 갈·검·빨: 1, 0, 0 두 개 → 1,000Ω = 1kΩ
• 갈·검·주: 1, 0, 0 세 개 → 10,000Ω = 10kΩ

5색띠 저항

띠가 다섯 개면 숫자가 세 개입니다. 숫자·숫자·숫자·0의 개수·오차 순서입니다. 330Ω은 주·주·검·검, 1kΩ은 갈·검·검·갈 뒤에 오차 띠가 붙습니다.

저항은 방향이 없습니다. 어느 쪽으로 꽂아도 똑같이 동작합니다.

헷갈리기 쉬운 점

• 1kΩ(갈·검·빨)과 10kΩ(갈·검·주)은 앞의 두 띠가 같습니다. 셋째 띠까지 봐야 구분됩니다.
• 셋째 띠는 숫자가 아니라 0의 개수입니다. 빨강이면 2가 아니라 "0을 두 개 붙인다"입니다.

5. 버튼 구조와 누르는 동안만 켜지는 회로

다리는 네 개, 실제로는 두 쌍

실습용 푸시 버튼(택트 스위치)은 다리가 네 개입니다. 하지만 안에서는 두 다리씩 짝을 이루고, 짝끼리는 늘 연결되어 있습니다. 버튼을 누르면 두 짝이 이어지고, 손을 떼면 다시 끊어집니다.

브레드보드에 꽂을 때는 가운데 홈에 걸쳐 꽂습니다. 이렇게 꽂으면 홈 건너편 다리끼리 짝이 되고, 홈 같은 쪽의 두 다리(아래 예시의 e3와 e5)는 누를 때만 이어집니다.

회로 꾸미기

전기가 지나는 길 중간에 버튼을 넣습니다. 길은 물리 1번 = 3.3V → 버튼 → 저항 → LED → 물리 6번 = GND입니다. 아래 구멍 위치는 한 가지 예시입니다.

1. 버튼: e3, e5, f3, f5(가운데 홈에 걸쳐서)
2. 저항(330Ω 또는 1kΩ): c5 – c9
3. LED: 긴 다리 e9, 짧은 다리 e10
4. 물리 1번 = 3.3V → a3
5. 물리 6번 = GND → a10

라즈베리파이를 켠 상태에서 버튼을 누르는 동안만 LED가 켜지면 성공입니다.

라즈베리파이로 LED제어하기에서는 LED를 물리 1번 = 3.3V에 바로 잇지 않았습니다. 그러면 프로그램과 상관없이 늘 켜져 있기 때문입니다. 이번에는 프로그램 없이 버튼의 동작만 보려고 일부러 3.3V 전원 핀을 씁니다. 다음 글에서는 3.3V 선을 빼고, 버튼을 물리 11번 = BCM 17과 GND 사이에 꽂아서 코드가 버튼을 읽게 만듭니다.

헷갈리기 쉬운 점

• 버튼을 누르지 않아도 LED가 계속 켜져 있으면 버튼이 90도 돌아간 것입니다. 늘 붙어 있는 짝이 3번 줄과 5번 줄을 잇고 있으니, 버튼을 돌려서 다시 꽂습니다.
• 눌러도 안 켜지면 LED 방향과, 두 다리가 같은 묶음에 들어갔는지를 먼저 봅니다.

마치며

옴의 법칙으로 LED 저항을 계산했고, 라즈베리파이에서는 330Ω이나 1kΩ을 쓰는 이유를 봤습니다. 브레드보드의 연결 묶음과 저항 색띠도 읽었습니다. 끝으로 코드 없이 버튼을 누르는 동안만 LED가 켜지는 회로를 만들었습니다. 다음 글 라즈베리파이 PWM으로 LED·부저·서보 제어하기에서는 이 버튼을 GPIO로 읽고, PWM으로 LED·부저·서보를 다룹니다.

참고 자료

• 라즈베리파이 공식 GPIO 문서(HIGH 3.3V, 라즈베리파이 4 출력 설정): https://github.com/raspberrypi/documentation/blob/master/documentation/asciidoc/computers/raspberry-pi/gpio-on-raspberry-pi.adoc
• 라즈베리파이 공식 전원 문서(GPIO 핀당 16mA, 합계 50mA): https://github.com/raspberrypi/documentation/blob/master/documentation/asciidoc/computers/raspberry-pi/power-supplies.adoc
• 라즈베리파이 공식 LED 예제(LED 저항 범위): https://projects.raspberrypi.org/en/projects/rpi-control-led
• SparkFun LED 순방향 전압 표: https://learn.sparkfun.com/tutorials/beginner-parts-kit-identification-guide/diodes
• SparkFun 브레드보드 구조: https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-use-a-breadboard/anatomy-of-a-breadboard
• SparkFun 저항 색띠 읽기: https://learn.sparkfun.com/tutorials/resistors/decoding-resistor-markings
• Omron B3F 택트 스위치 데이터시트(내부 연결): https://omronfs.omron.com/en_US/ecb/products/pdf/en-b3f.pdf