개발하는 디자이너의 DIY 일상

나는 전기, 전자는 문외한이라서 DIY 는 힘들겠지.

DC 는 뭐고 AC 는 도대체 뭐람?

전기는 무서워.

전압, 전류, 저항! 

이런 생각들로 인해 DIY 를 하더라도 목공이나 수예와 같이 분야를 한정하는 경우가 있는데요. 오늘은 간단한 전기 전자 부분에 대하여 소개를 해드릴까 합니다.

저는 관련 전공자도 아니고 (예체능 출신) 대학은 미대를 나왔으며 직장에서는 디자이너로 일하고 있으니 실제 전기랑은 전혀 관련이 없는 사람이지만 제가 하는 대부분의 DIY 는 전기를 통하지 않는 것이 없답니다.

그래서 오늘은 간단한 DIY 를 할 수 있는 수준의 전기 상식을 소개해 드리겠습니다. 그 이상은 저도 무리데스.

DC 와 AC

우선 DC 와 AC 라는 말이 많이 나옵니다.

DC 는 직류, +- 극이 존재합니다. 보통 배터리나 아답터에서 나오는 전기의 형태죠. 그리고 대부분의 전자 부품은 DC 에서 동작합니다. 그래서 우리는 DC 에 대하여 잘 알아야 합니다.

AC 는 교류, +- 극이 없습니다. 흔히 알고 있는 가정의 콘센트가 대표적인 교류 전기이죠. 가정용 교류 전기는 우리나라는 220V, 일본이나 미국은 110V 를 사용합니다. 해외에서 전자제품을 구입할 때는 전압을 바꿀 수있는 제품인지, 두가지 전압을 모두 사용할 수 있는지를 잘 확인해야 합니다. 어쨌든 교류는 DIY 에서는 그냥 뭐 거의 안쓴다고 보시면 됩니다. 위험하기도 하고 교류를 사용하는 부품도 없기 때문입니다. DIY 생활을 하며 교류 전기와 관련 있는 작업을 한다면 형광등 안정기 교체나 끊어진 전선 복구 정도가 되겠네요. 전구 가는 것 정도는 DIY 라고 하기에는 조금~ 그렇죠?

어쨌든 우리는 AC(교류)는 집어 치우고 DC(직류)만이라도 잘 알면 되겠습니다.

DC 의 특성

DC 전기는 전압, 전류, 저항 요 세녀석이 중요합니다. DIY 초보라면 무엇보다 전압이 가장 중요하죠. 제품마다 사용하는 전압이 다르므로 제품이 허용하는 전압을 정확히 아는 것이 중요합니다. 거의 대부분의 전자 부품은 허용 전압보다 높은 전압이 인가 되면 망가지게 되어있습니다. 심한경우 터질 수 있지만 그런 부품은 배터리 말고의 거의 없긴 하죠. 반대로 허용전압 보다 낮은 전압이 인가 되었을경우 고장나는 경우는 없으니 안심하셔도 됩니다. 

집에 전자제품이 있는데 몇 V 용 인지 모르겠고 아답터가 3V 5V 6V 9V 12V 요렇게 있다면 3V 부터 순서대로 꼽아 보시면 됩니다. 

허용 되는 전압은 제품마다 다 적혀 있습니다. 뒷면 라벨에 적혀있는 것이 대부분이지만 처음 제품과 함께 오는 DC 아답터를 보면 해당 제품이 사용하는 전압을 알 수 있으니 레벨에 적혀있지 않은 경우 안보이는 곳에 작게 메모해 놓으면 나중에 아답터를 잃어 버렸을 때 도움이 됩니다.

일반 적인 집안의 DC 전기는 대부분의 경우에 인체에 해롭지 않습니다. 만져도 느낌도 없죠. 하지만 자동차 배터리처럼 대전류를 흘려줄 수 있는 전원 공급 장치 (배터리)는 이야기가 다릅니다. 우리 몸은 전기를 아주 좋아하는(?) 성질이어서 전기를 끌어 당깁니다. 자동차 배터리의 전류는 치명적일 수 있습니다.

그럼 모든 DC 전선 또는 배터리의 +- 극을 손으로 만질 경우 과연 큰일이 날까요?

• 컴퓨터 파워 서플라이의 5V, 12V : 큰 문제 없음. (접제가 안되면 찌릿 할 수 있음)
• 일반적인 아답터 : 문제 없음 (경험상).
• 전동 킥보드 배터리 : 문제 있음
• 자동차 배터리 : 큰 문제 있음
• 1.5V 건전지 : 먹지만 않으면 됨
• 회색 케이스 또는 봉지 같은 것에 들어있는 핸드폰, 드론 배터리 : 칼로 찌르지만 않으면 됨
  --> 배가 불룩한 경우 얼릉 1층 배터리 수거함으로 ㄱㄱ
• 동그란 18650 배터리 : 만져도 됨, 단 전선으로 +- 를 바로 연결하면 안됨
• 수은전지 (수은은 없지만) : 먹지만 않으면 됨

DC 전기는 +-가 존재하는데 이게 바뀌어 연결되면 역시 대부분의 전자 부품에 치명적인 피해를 입힙니다. 그래서 아래와 같이 여러가지 방법으로 +- 를 구분하여 표시하고 있습니다. 

[배터리]

1.5v 건전지라면 볼록한 부분이 +, 
단추형 전지 (일명 수은전지) 라면 평평하고 글씨가 써있는 부분이 +, 
선이 있는 배터리라면 빨간 선이 +,

다리가 긴쪽이 +, 안이 보이는 LED 라면 내부에 면적이 넓적한 쪽이 -, 위에서 봤을때 한쪽면이 살짝 깍여서 납작하다면 납작한 쪽이 - 입니다.

참고로 LED 는 그 자체로 다이오드인데요. 다이오드는 전기가 역으로 흐를 수 없도록 만든 장치이므로 +- 를 반대로 연결해도 고장나지 않습니다.  

DC 라면 언제나 강렬한 색상이 +, 검정, 회색과 같이 탁한 색이 - 입니다. 물론 제조 업체에서 맘대로 조립하는 경우도 있으므로 테스터기를 통해 확인 한번 쯤 해보시는 것을 추천 드립니다.

안쪽이 거의 대부분의 경우에 + 입니다. 바깥쪽 감싸고 있는 부분이 - , 반대의 암놈 짹도 마찬가지, 가운데 튀어나와 있는 심이 + 입니다. 연결 하실때는 뒷부분으로 나온 단자가 + , 아래로 내려온 단자가 - 인데요, - 의 경우 두개가 나와있는 경우가 있습니다. 보통 아래쪽 단자를 이용하시면 됩니다.

극성이 없는 부품이 있다?

네 그렇습니다. 회로에 사용하는 부품이 모두 극성이 있는 것은 아닙니다. 대표적으로 저항이 그러한데요. 저항은 극성이 없기 때문에 어떻게 연결해도 상관이 없으며 LED 같은 경우 + 쪽에 연결하거나 - 쪽 어느곳에 연결해도 문제가 되지 않습니다.

요즘은 구하기 힘든 꼬마전구나 할로겐 램프도 극성이 없습니다. 그냥 아무렇게나 연결해도 됩니다.

캐패시터라 불리우는 부품도 전해 캐패시터를 제외하면 극성이 없습니다. 캐패시터는 다음 포스트에서 조금더 써 볼께요.

전압, 전류, 저항에 대하여

자 그럼 전압, 전류, 저항 은 무었이냐.

비유하여 설명해 보자면 호스를 통해 공급되는 물과 비교해서 설명을 드려보겠습니다.
(실제 전문적인 전기 지식은 아닙니다. 경험에 따른 비유이므로 딴지 노노)

먼저 호스를 통과하는 물의 속도를 전압이라고 생각하면 되고요, 호스의 굵기를 전류라고 생각하시고, 호스의 중간에 있는 밸브를 저항이라고 보면 되겠습니다.

전압이 높고 전류도 높다 : 소방호스 처럼 엄청난 속도에 굵은 물줄기 입니다. 위험하겠죠?

전압이 낮고 전류도 낮다 : 링거 줄 처럼 얇은 관을 물이 아주 천천히 졸졸졸 흐르는 상태입니다. 안전하겠죠?

전압이 높고 전류는 낮다 : 링거 줄 처럼 얇은 관이지만 물의 속도가 아주 빠르다면? 큰 부상은 없겠지만 따끔하겠죠?

전압이 낮고 전류는 높다 : 물이 천천히 나오기는 하지만 그 호스 굵기가 굵다면 감당하기 힘들겠죠?

뭐 이런식입니다. 중간에 밸브가 달려 있다면 물의 압력이 줄어들게 될 건데요. 결과적으로는 호스 전체에 흐르는 물이 줄어 들게 됩니다.

그런데 물에 비유했을 때 한가지 차이점은요. 보통 물은 물의 압력이 밀어 낸다고 생각되는데요, 전기는 끌어 쓴다고 보시면 됩니다. 전기를 사용하는 쪽이 전원부에서 제공 가능한 최대한의 양을 끌어 당기는 것이지요. 전기를 공급해주는 쪽에서 아무리 많은 전류를 흘려 줄 수 있다고 해도 사용하는 쪽으로 전류가 조금만 흐르도록 조절하면 전류는 조금밖에 흐르지 않습니다.

마치 필요한 만큼의 물을 퍼올릴 수 있는 고급 양수기로 물을 퍼올리는 것과 비슷한데요, 파워 서플라이가 양수기라면 용량이 큰 양수기로 화단에 물을 주는것은 쉬운 일이지만 용량이 작은 양수기로 수영장에 물을 받는 것이 어려운 것과 같다고 볼 수 있겠습니다. 말그대로 파워 서플라이(공급자) 아닙니까? 자 이제 우리가 여기서 알아야 할게 바로 이 양수기에서 퍼올리는 물중에 실제 필요한 만큼만 화단에 뿌려지도록 회로에서 전류가 조금만 흐르게 하는 방법 입니다.

어쨌든 위의 내용을 보면 전원 공급 장치를 고를때는 일반 적인 경우에 공급 전류가 큰 것을 구입하는 것이 좋습니다. 만약 공급은 조금밖에 못하는데 끌어 쓰는 녀석이 전기를 많이 사용하면(최대한으로 장시간 사용하면) 열이 심하게 나거나 아답터가 고장이 나게 됩니다. 보통 큰 전류를 전달하는 파워서플라이는 가격이 비싸기 때문에 일반적으로는 제품에 딱 맞는 수준의 전류를 보낼 수 있는 전원 공급 장치를 제품에 포함하여 제공하게 됩니다. 

DIY 용으로 사용할때 모터나 전열기를 사용한다면 2A 이상, LED나 간단한 센서를 이용한다면 아주 작은 500mA 도 충분 합니다.

참고로 전력량을 표시하는 단위는 W(와트) 입니다. W 는 전압과 전류를 곱한 값 입니다. 

20W 를 사용하는 전자제품에 5V 가 적용되면 해당 제품에 흐르는 전류량은 20W / 5V = 4A 인 것이죠. 반대로 5V 에 0.2A 를 사용하는 전자제품의 전력량은 5V x 0.2A = 1W 가 되는 겁니다. 

통상 사용되는 0.25W LED 의 허용 전압이 3V 라고 하면 해당 LED 의 허용 전류는 0.25W / 3V = 0.083A = 83mA 가 됩니다.  다시 말하자면 정확한 허용 전류를 알기 위하여는 LED 구입시 반드시 사용 전력량과 허용 전압을 확인하셔야 합니다. 물론 모르면 적당히 붙여도 되긴 합니다. ㅋ

전류를 제어하는 가장 쉬운 방법 : 저항! 그리고 옴의 법칙!

중학교때 아마 옴의 법칙을 배우셨을 건데요. 식은 아래와 같습니다.

위의 세가지 식은 모두 다 똑같은 식입니다. 어떤 값을 구하느냐에 따라 편의상 치환하여 사용하는 것이죠.

계산 같은건 집어 치우고 개념만 알고 있으면 됩니다. 전류는 저항에 반비례하고 전압에는 비례한다. 즉 전압이 커지면 사용되는 전류도 많아집니다. 저항이 커지면 사용되는 전류도 작아지죠.

보통 LED 를 자동차에 연결할 때 저항을 달게 되는데 여기서 저항이 하는 역할이 바로 흐르는 전류를 줄여주는 역할을 하게 됩니다. 저항이 없다면 LED 는 자신이 끌어쓸 수 있는 최대 전류 이상을 땡겨 쓰고 장렬히 전사하는거죠. 다시 말하지만 12V 의 높은 전압이 인가되었기 때문에 LED 가 터지는게 아닙니다. 일반적인 LED 의 허용 전압인 3V 보다 4배나 전압이 높아졌기 때문에 흐르는 전류가 많아져서 LED 가 터지게 되는거에요. 전원 공급 장치에서 공급할 수 있는 최대 허용 전류가 모기눈꼽 만큼이라면 전압이 12V 가 아니라 24V 여도 LED 는 터지지 않습니다. 다만 그렇게나 미약한 전류만 흘려 줄 수 있는 전원 공급 장치라면 아마 손바닥보다 작은 태양광 패널 정도 일까요? 어쨌든 거의 없다고 보시면 됩니다. 즉 전압이 안맞다면 무조건 저항은 필수!

그럼 한번 예를 들어 볼까요?

흔히 자동차에 LED 를 이용하여 튜닝을 하시는 분들 많으시죠? 그런데 늘 걱정인게 바로 저항 구하는 방법일 거에요.
간단하게 자동차에 1W 를 사용하는 LED (3.3V용) 를 붙이려면 얼마의 저항이 필요할까요? 
일단 허용 전류를 알아야 겠죠? 1W / 3.3V = 0.303A 가 되겠습니다. 
그럼 필요한 저항 값은 옴의 법칙에 의해 저항(R) = 12V / 0.303A = 39.6옴 이 됩니다. 40옴 정도가 적당하나 LED 의 수명 연장을 위하여 흔히 구입할 수 있는 1W급 47옴을 부착해 주시면 되겠습니다. 물론 흔히 사용하는 0.25W LED 를 실내등 용으로 사용할 경우 위의 계산 식을 적용했을 때 144옴 이지만 구하기 쉬운 220 옴 정도의 저항을 붙여주시면 안전하게 무리없이 사용이 가능하게 됩니다. 실제 사용하시게 될 LED 의 스펙에 따라 계산 값이 달라질 수 있으니 참고만 해주세요~

딱 맞는 저항이 없다면 저항을 직렬로 연결하여 사용하는 방법도 있습니다. 47옴 짜리 저항을 나란히 3개 연결하면 이론적으로 141 옴이 됩니다. ^^ (물론 오차 때문에 딱 저 값이 나오지는 않겠지만요)

일반적인 회로부품은 자신에게 허용된 전류 이상을 소모하지 않도록 이미 안전장치가 칩안에 들어있습니다. 예를 들면 아두이노 우노가 12V 전압을 사용할수 있는데요. 위에서 언급했던 대전류 파워인 자동차 배터리 12V 를 연결한다고 해서 터지거나 하지 않습니다. 이미 아두이노 나노 안에 자신이 사용하는 전류 이상이 흐르지 않도록 보호회로가 구성되어있기 때문이죠. 그러니 걱정 마시고 사용하셔도 됩니다. (아두이노의 허용 전압은 6~20V, 그렇다고 20V 에서 버티는지 실험은 하지 말자)

오늘 포스팅은 여기까지 마치기로 하고요. 

다음 포스트에서 각종 부품을 연결하는 방법과 테스터기를 이용하여 여러가지 테스트를 하는 방법을 소개해 드리겠습니다.

궁금한 것은 뎃글로 질문해주시고요, 전문적 내용에 문제가 있는 부분은 지적 부탁드리겠습니다~

그럼 이만~

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