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스크래치/아두이노 기초

스크래치 아두이노 전자회로 기초

전자회로 기초 지식

아두이노를 코딩하 기 위해서 전기에 대해서 알아야 합니다. 전기는 전자라는 작은 알맹이가 움직여서 만들어지는 힘(에너지)을 말합니다. 컴퓨터와 아두이노는 이 전기로 다양한 부품에 일을 시킵니다.

 

우선 우리가 반드시 알아야 할 중요한 단어가 있습니다. 바로 전압, 전류, 저항입니다. 다음의 그림으로 전압, 전류, 저항의 뜻을 알아보겠습니다.

전압-전류-저항

 

전기는 물과 비슷합니다. 높은 곳에 있는 물은 낮은 곳으로 흐릅니다. 그런데 높은 곳에 있는 물이 아래로 세게 흐를까요? 아니면 낮은 곳에 있는 물이 세게 흐를까요? 높은 곳에 있는 물이 세게 흐르겠죠.

 

이렇게 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 힘을 수압이라고 하듯이, 전기가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 힘을 전압이라고 합니다. 물이 높은 곳에 있어 수압이 세면 물이 잘 흐르듯, 전압이 세면 전기가 더 잘 흐르게 됩니다.


전류는 물의 양과 같습니다. 흐르는 전자의 양을 전류라고 합니다. 무게를 나타내는 그램(g), 길이를 나타내는 미터(m)처럼 전기에도 전기 에너지를 나타내는 단위가 있습니다. 전기 에너지를 나타내는 단위는 볼트(V)라고 합니다. 볼트는 전지를 처음 발명한 과학자 알렉산드로 볼타의 이름을 따서 만들었습니다.


전류에도 단위가 있습니다. 바로 암페어(A)입니다. 암페어는 프랑스 과학자인 앙페르의 이름에서 따왔습니다. 앙페르를 영어식으로 읽으면 암페어가 됩니다.


그렇다면 저항은 무엇일까요? 저항은 물의 흐름을 조절하는 수도꼭지나 댐이라고 생각하면 됩니다. 너무 빨리 전기가 흐르지 않도록 전류를 조절해서 다른 전류를 조절해서 다른 전자부품을 보호하는 역할을 합니다.

 

아래 글을 읽으면 전압과 전류, 저항이 어떤 뜻인지 이해가 잘 될 겁니다.


높은 곳에 물이 있어서 수압이 생겼습니다.(전압) 높은 곳에서 낮은 곳으로 물이 떨어져서 흐르는데(흐르는 물의 양이 전류) 물레방아(전자 부품) 앞에 수도꼭지(저항)가 없어서 물이 너무 빠르게 흐릅니다.

 

그렇게 되면 물레방아가 너무 빨리 돌다가 고장 날 수 있습니다. 수도꼭지로 물레방아가 너무 빨리 돌지 않도록 흐르는 물의 양을 조절해야 합니다.(전자 부품 보호)

 

저항의 단위는 을 사용합니다. 옴이라는 과학자가 전압은 전류와 저항을 곱해서 구할 수 있다는 법칙을 발견했습니다. 저항의 단위는 이 법칙을 찾은 옴이라는 과학자의 이름을 따서 만들었습니다. 옴의 법칙에 따르면 다음과 같이 말할 수 있습니다.


“1볼트의 힘이 있다면 1옴을 갖고 있는 저항에 1암페어의 전기가 흐르게 할 수 있다는 뜻이다.”


즉 옴의 법칙은 전압=전류×저항이 됩니다.

 

아두이노를 사용하기 전에 자주 사용하는 전자부품인 엘이디(LED), 저항, 브레드보드에 대해서 알아보겠습니다.

 

엘이디(LED)와 저항

엘이디(LED)는 우리가 흔히 볼 수 있는 전구와 같이 빛이 나는 부품입니다. 싸고, 쉽게 사용할 수 있으며 전기도 많이 사용하지 않아서 다양한 곳에서 엘이디(LED)가 쓰입니다. 중요한 것은 엘이디(LED)는 반도체 제품이어서 극성이 있다는 것입니다.

 

긴 다리가 플러스 극이고 짧은 다리가 마이너스 극입니다. 플러스(+) 극과 마이너스(-) 극을 잘 연결해야 합니다.

 

전지의 플러스 극과 엘이디(LED)의 플러스 극을 연결하고 전지의 마이너스 극과 엘이디(LED)의 마이너스 극을 연결해야 합니다. 반대로 연결하면 켜지지 않거나 고장날 수 있습니다. 물레방아가 한쪽 방향으로만 돈다고 생각하면 됩니다. 물이 반대로 오면 물레방아가 돌지 못하고 고장이 나는 거죠.

 

아두이노 보드에서는 5볼트(V) 전압이 나옵니다. 그러나 엘이디(LED)는 2볼트(V) 전압과 20밀리암페어(mA) 전류 정도만 필요합니다. 그래서 전기가 흘러가는 것을 조절하는 수도꼭지와 같은 저항이 필요합니다.

 

만약 수도꼭지가 없다면 엘이디(LED)에는 큰 전류가 흘러서 엘이디(LED)가 고장이 납니다. 저항은 너무 큰 전류가 흐르지 않도록 하여 부품을 보호합니다. 저항값은 저항에 있는 색깔 띠로 알 수 있습니다.

 

브레드보드

브레드보드는 전자부품을 쉽게 연결하기 위해서 만든 도구입니다. 원래는 납을 뜨겁게 녹여서 전자부품을 연결해야 합니다. 하지만 브레드보드를 이용하면 이렇게 힘들게 납땜을 하지 않아도 됩니다. 브레드보드를 분해하면 금속이 보일 것입니다. 이 금속으로 전기가 흐릅니다.

그림 3-1 브레드보드 회로 연결

 

그림 3-1의 브래드보드 내부 회로를 보면 위 아래는 가로로 연결되어 있고, 가운데는 세로로 연결되어 있습니다. 파란색 선에 있는 구멍끼리는 서로 연결되어 있습니다. 마찬가지로 빨간색 선에 있는 구멍끼리, 검은색 선에 있는 구멍끼리는 서로 연결되어 있습니다.


그림 3-1의 아래 그림을 보면 건전지 플러스 극에서 나오는 전기가 빨간색 선을 따라 흘러서 엘이디(LED)로 들어갑니다. 그리고 저항과 검은색 선을 따라 마이너스 극으로 흘러서 불이 켜지게 됩니다. 브레드보드 구멍들이 어떻게 연결되어 있는지 알 수 있겠죠?

 

점퍼 케이블

점퍼 케이블<그림 3-2>은 전기가 흐르는 전선입니다. 브레드보드에서 부품과 부품을 연결할 때, 아두이노 핀과 브레드보드를 연결할 때 사용합니다. 한 가닥씩 분리하여 사용할 수 있습니다.

 

은색 핀 부분이 나와 있는 것을 수(수컷), 구멍이 있는 것을 암(암컷)이라고 합니다. 은색 핀 부분이 양쪽에 나와 있으면 수-수 점퍼 케이블이라고 합니다. 한쪽은 전선 핀이 나와 있고 반대쪽에는 구멍이 있으면 암-수 점퍼 케이블이라고 합니다.

그림 3-2 점퍼 케이블

 

아두이노를 살펴봐요

우리가 사용하는 아두이노 보드는 우노(UNO) 보드<그림 3-3>입니다. 우노 보드 위쪽을 보면 부품을 꽂을 수 있는 구멍(핀)이 있고 오른쪽에서 왼쪽으로 0번부터 13번까지 숫자가 쓰여 있습니다. 5볼트(V) 또는 0볼트(V)가 나가거나 들어오는데 이것을 디지털 값이라고 합니다.

 

디지털 핀 아래에는 영어로 DIGITAL(디지털)이라고 쓰여 있습니다. 이 디지털 핀에서 전압이 나가게 되면 이 디지털 핀은 플러스 극이라고 생각하면 됩니다. 중간에 네모모양의 긴 칩이 있는데 이것을 MCU(마이크로컨트롤러: MircoControllerUnit)라고 합니다.

 

우리의 두뇌와 같은 일을 합니다. 여기에 코딩한 프로그램이 1과 0으로 바뀌어서 저장되어 전기신호를 이용해서 다른 부품에 명령을 내립니다.

 

오른쪽 아래에는 아날로그 값을 받는 아날로그 입력 핀이 있습니다. A0~A4까지 5개의 구멍을 아날로그 핀이라고 합니다. 여기서 A는 아날로그(Analog)의 앞 글자 A를 뜻합니다. 아날로그 핀 왼쪽에는 파워 핀이 있고, 여기에서 5볼트(V) 또는 3.3볼트(V) 값의 전압이 나옵니다.


그리고 지엔디(GND) 핀이 있는데 지엔디(GND)는 그라운드(GROUND)를 뜻합니다. 지엔디는 마이너스 극(0볼트)이라고 생각하면 됩니다.

 

왼쪽 위에 있는 USB 케이블 커넥터가 있습니다. USB 케이블로 컴퓨터와 USB 케이블 커넥터를 연결하고 아두이노에 전기가 흐르게 합니다.