반복 LED(Light-Emitting Diode) 회로는 전부 실장하기 전에 한 갈래의 전류와 방향을 확인합니다

먼저 알아둘 용어

반복 회로·갈래 — 같은 기능의 회로를 여러 번 배치한 구조에서 한 갈래는 검증 가능한 한 단위입니다. 모양이 같아도 연결 전원·구동 조건이 다르면 같은 시험 결과를 적용할 수 없습니다.

51R0·전류 제한 — 51R0 같은 저항 표기는 51.0 Ω를 나타낼 수 있지만 실제 부품표와 표기 체계를 확인합니다. 전류 제한은 LED의 허용 조건을 넘지 않도록 공급 전류를 제어하는 것입니다.

같은 전원에 연결해도 저항 유무에 따라 전류가 달라집니다

LED는 발광다이오드(light-emitting diode)입니다. 전류가 흐르는 방향으로 걸리는 전압을 순방향 전압(forward voltage, V_F)이라고 합니다. LED의 전압과 전류는 저항처럼 비례하지 않습니다. 일정 구간에서는 전압을 조금만 높여도 전류가 크게 늘 수 있으므로, 전원 전압만 보고 LED를 직접 연결하지 않습니다.

저항을 직렬로 넣은 한 갈래에서는 LED와 저항에 같은 전류가 흐릅니다. 전원 전압을 V_S, 저항을 R, 전류를 I라고 하면 I ≈ (V_S−V_F)/R입니다. 전압은 V, 저항은 Ω, 전류는 A 단위입니다. 3.3 V 전원과 동작점에서 V_F가 2.0 V인 LED에 130 Ω을 연결한다고 가정하면, 저항에는 1.3 V가 걸리고 전류는 1.3/130 = 0.010 A, 즉 10 mA입니다. 저항 손실은 I²R = 0.013 W입니다.

이때 ‘3.3 V로 구동한다’는 말은 전원 전압을 뜻합니다. LED 양단에 3.3 V가 그대로 걸린다는 뜻이 아닙니다. 실제 전류는 저항이 허용하는 전류와 LED의 전압–전류 특성이 만나는 동작점(operating point)에서 정해집니다. 이 관계를 그래프로 나타낼 때 저항 쪽의 직선 I = (V_S−V_F)/R을 부하선(load line)이라고 부릅니다.

2.0 V는 모든 LED에 적용되는 고정값이 아닙니다. 부품·전류·온도에 따라 V_F가 달라집니다. 전원 전압이 가장 높고 V_F와 저항값이 가장 낮을 때의 전류도 계산한 뒤, 실제 첫 갈래의 전류와 발열을 확인합니다. 앞의 숫자는 계산 원리를 보여 주는 예시이며, 특정 LED에 130 Ω이나 10 mA가 적합하다는 시험 결과는 아닙니다.

극성이 표시된 220 V의 이상 전원에 470 Ω 저항과 LED 한 개를 직렬로 둔 갈래를 여러 개 병렬로 연결한 그림은 제작해서는 안 되는 반례입니다. 각 갈래에는 전원 전압이 걸리지만 LED 하나에 220 V가 그대로 걸린다는 뜻은 아닙니다. LED 순방향 전압을 2 V로 고정하고 전원이 전혀 떨어지지 않는다고 가정할 때에만 저항에는 218 V가 남습니다. 이 가정의 갈래당 전류는 (220−2)/470≈0.464 A, 저항의 소모 전력은 (220−2)²/470≈101 W입니다. 이 값은 위험을 드러내는 산술 결과이지, LED의 실제 동작 전류·저항 온도·손상 시점을 측정한 결과가 아닙니다.

이 그림의 극성 표시 전원과 220 V 교류 주전원(AC mains)은 계산 조건이 다릅니다. 교류에서는 실효값(RMS)과 피크, 반주기의 역전압, 절연을 따로 따져야 하므로 위 0.464 A와 101 W를 교류에 그대로 대입할 수 없습니다. 주전원에 LED와 저항을 직접 잇는 회로는 감전 위험도 있으므로 이 반례를 조립·시험 절차로 사용하지 않습니다. 실제 반복 회로는 절연된 저전압 조건에서 선택한 부품의 정격을 확인하고 갈래별 전류와 저항 발열을 검증합니다.

여러 LED를 직렬로 놓을 때는 전압 여유를 먼저 확인합니다

LED를 여러 개 직렬(series)로 연결하면 각 LED에 같은 전류가 흐르고 순방향 전압은 더해집니다. 공급 전압에서 목표 전류일 때의 LED 순방향 전압 합계를 뺀 값이 전압 여유(voltage headroom)입니다. 따라서 먼저 V_S > V_F1 + V_F2 + …인지 확인해야 합니다. 합계가 전원보다 크거나 같다면 저항 양단에 전류를 조절할 양의 전압이 남지 않습니다. 저항값을 작게 바꾸어도 이 전압 부족을 해결할 수 없습니다.

예를 들어 5 V 전원에 LED 세 개와 저항 하나를 직렬로 연결하고, 세 LED가 모두 목표 전류에서 각각 2 V라고 가정하면 LED에 필요한 전압만 6 V입니다. 이 조건에서는 20 mA를 만들 수 있는 양의 직렬 저항값이 없습니다. 한 LED의 2 V, 20 mA 표기만 알고 나머지 두 LED의 부품·전압을 모른다면, 반대로 전류나 저항값을 단정할 수도 없습니다. 각 LED 데이터시트에서 목표 전류·온도에 따른 V_F 범위를 확인한 뒤 전원의 최저 전압에서 전류가 흐를 여유가 있는지, 최고 전압에서는 과전류가 생기지 않는지 나누어 계산합니다.

첫 갈래의 시험 조건을 먼저 정합니다

사용 전원, LED 정확한 부품 번호와 허용 전류, 저항 값·정격을 확인합니다. 다른 회로에서 51 Ω을 사용했다고 해서 현재 LED에도 같은 저항값이 적합하다고 판단하지 않습니다. 해당 회로에서 전류를 제한할 수 있는 조건을 준비하고 극성·전기 연결을 검사한 뒤 첫 갈래를 구동합니다.

실제 전압·전류, 목적에 맞는 밝기와 비정상 발열을 확인합니다. 단순히 켜졌다고 해서 조건이 적절하다고 판단하지 않습니다. 저항의 인쇄값뿐 아니라 실제 부품과 회로의 대응도 확인합니다.

다음 작업자도 같은 판단을 할 수 있게 시험표를 남깁니다

시험표에는 전원 전압과 전류 제한값, 켤 갈래와 순서, 측정 위치, 점등 후 측정까지의 시간을 적습니다. 기대 전류와 허용 범위는 실제 부품의 편차·온도·구동 조건으로 정하며, 설명용 계산값을 그대로 합격 기준으로 쓰지 않습니다. 밝기도 육안 비교로 충분한지, 같은 거리와 주변 조명에서 측정해야 하는지를 용도에 맞춰 정합니다.

결과에는 실제 측정값과 이상이 발생한 갈래를 남깁니다. 한 갈래만 켰을 때와 전부 켰을 때를 구분해야 전원 전압 강하나 열이 누적되는 문제를 찾을 수 있습니다. 시험 영상을 남기더라도 측정 조건과 수치를 함께 적어야 ‘불이 켜졌다’는 기록을 넘어 같은 검사를 반복할 수 있습니다.

두 색 LED를 전환 접점으로 고를 때는 접점 상태부터 확인합니다

리미트 스위치(limit switch)는 움직이는 물체가 정해진 위치에 닿으면 접점을 바꾸는 스위치입니다. 이 스위치의 두 상태를 서로 다른 LED로 표시하려면 색 이름보다 배선과 접점 상태를 먼저 대조해야 합니다. 한 공통 접점이 두 출력 중 하나로 전환되는 형식을 단극쌍투(SPDT, Single-Pole Double-Throw)라고 합니다. COM(Common)은 공통 단자, NC(Normally Closed)는 누르지 않은 기준 상태에서 COM과 연결된 단자, NO(Normally Open)는 그때 열린 단자입니다. 실제 제품의 단자도와 무전압 도통 검사로 어느 위치에서 COM–NC와 COM–NO가 각각 연결되는지 확인합니다.

예를 들어 저전압 전원 +12 V → 전류 제한 저항 R → COM으로 연결하고, NC에는 빨간 LED의 애노드, NO에는 초록 LED의 애노드를 연결하며 두 캐소드는 전원 0 V로 돌립니다. COM–NC가 연결된 안정 상태에서는 빨간 LED, COM–NO가 연결된 안정 상태에서는 초록 LED가 켜지는 배선입니다. ‘누름’에 어떤 색을 쓸지는 단자 이름이 아니라 필요한 표시 의미에 맞춰 정하고, 반대 색을 원하면 두 LED의 접점 연결을 바꿉니다. 저항 하나를 COM 앞에 두면 안정 상태에서 선택된 한 갈래의 전류만 제한합니다. 전환 중 접점 바운스나 순간적인 동시 접촉 여부는 스위치 사양과 실제 동작으로 별도 확인합니다.

두 LED의 순방향 전압이 다르면 같은 저항을 거쳐도 각 상태의 전류가 다릅니다. 각 LED가 켜진 상태에서 I ≈ (V_S−V_F)/R로 따로 계산합니다. 12 V, 850 Ω, 해당 LED의 V_F가 2 V라는 가정이라면 선택된 갈래의 전류는 약 11.8 mA이고 저항 손실은 약 0.12 W입니다. 이것만으로 어느 LED나 저항에 안전한 값이라고 판정할 수 없습니다. 실제 전원의 최고 전압, LED별 V_F 범위와 허용 전류, 저항 허용 오차·정격, 스위치 접점 정격을 확인합니다. 두 색의 목표 전류가 다르면 각 접점 뒤에 별도 저항을 두는 방법도 검토합니다. 전류 제한 전원으로 두 안정 상태의 실제 전류·밝기·저항 온도를 확인하고, 전환 순간의 예상치 못한 점등도 살핍니다.

점멸 신호로 좌우 LED를 고를 때는 선택된 갈래의 전류를 합산합니다

같은 LED를 여러 갈래로 반복한 표시등에 방향 선택 스위치까지 넣으면, 한 갈래가 켜지는지만 확인해서는 전체 동작을 알 수 없습니다. 점멸 신호가 어느 트랜지스터를 켜는지, 선택된 쪽의 네 갈래가 전원과 스위치에 얼마의 전류를 요구하는지 순서대로 확인해야 합니다.

원본 회로도에는 3.3–6 V로 표기된 555 타이머(제조사·세부형 미표기)의 점멸망 R1 = 10 kΩ, R2 = 10 kΩ, 주 타이밍 커패시터 C1 = 33 µF와 제어 핀 쪽의 별도 C2 = 0.1 µF가 그려져 있습니다. 출력 뒤에는 220 Ω, 좌우를 고르는 단극쌍투 스위치(SPDT, Single-Pole Double-Throw), 양쪽의 SL100 NPN 트랜지스터가 있습니다. 여기서 트랜지스터는 작은 제어 신호로 각 LED 쪽 전류 경로를 켜고 끄는 부품입니다. 각 방향에는 빨간 LED 두 개와 100 Ω 저항을 직렬로 연결한 갈래 네 개가 있습니다. 따라서 선택된 한쪽에 LED 여덟 개가 있지만, 여덟 개가 한 줄로 직렬인 것은 아닙니다. 이 부품값과 연결은 회로도에 표기된 조건이지, 작동과 정격을 확인한 측정 결과가 아닙니다.

그림처럼 표준 555 발진 연결이 실제로 맞고 부품값도 표기와 같다면 이상적인 주파수는 f ≈ 1.44/[(R1+2R2)C1]로 계산해 약 1.45 Hz입니다. f는 초당 주기 수인 헤르츠(Hz), 저항은 옴(Ω), 커패시터 용량은 패럿(F)으로 넣습니다. 이는 R1·R2·C1의 조건부 계산값이며 회로를 측정한 점멸 속도가 아닙니다. 핀 5에 연결된 C2는 주 타이밍 C1과 다른 부품이므로 이 식에 C2를 대신 넣지 않습니다.

먼저 전원을 넣지 않고 555 출력에서 220 Ω과 SPDT 공통 단자를 거쳐 어느 SL100의 제어 단자로 이어지는지 추적합니다. 스위치를 왼쪽과 오른쪽에 놓고 각각 선택된 쪽과 선택되지 않은 쪽의 연결을 표로 나눕니다. SPDT의 실제 공통 단자와 접점 상태는 제품의 단자도와 무전압 도통 검사로 확인합니다. 그림에 중립 또는 꺼짐 위치가 표시되지 않았다면 그런 상태가 있다고 가정하지 않습니다.

각 갈래에 두 LED와 100 Ω이 실제로 직렬이면, 그 저항에 남는 전압은 V_R = V_갈래공급 − V_F1 − V_F2 − V_트랜지스터로 생각할 수 있습니다. 여기서 V_F1·V_F2는 목표 전류에서의 각 LED 순방향 전압(forward voltage), V_트랜지스터는 켜진 SL100 경로의 실제 전압 강하입니다. 전압은 V, 전류는 A, 저항은 Ω 단위이며, V_R > 0인 조건에서 갈래 전류는 대략 I_갈래 = V_R/100 Ω입니다. 네 갈래가 동시에 켜지면 선택된 트랜지스터와 전원이 부담하는 LED 전류는 각 갈래 전류의 합입니다. 갈래마다 LED의 순방향 전압이나 저항 오차가 다를 수 있으므로 4 × 한 갈래 계산값을 실측값으로 쓰지 않습니다.

공급 전압의 최저값에서 두 LED의 순방향 전압 합과 트랜지스터 전압 강하를 빼도 저항에 전압이 남는지 먼저 확인합니다. 타이머 자체의 허용 전원 범위도 별도 조건입니다. 예를 들어 Texas Instruments의 NE555 권장 전원은 4.5–16 V이므로, 그림의 3.3 V 표기만으로 그 제품이 정상 작동한다고 말할 수 없습니다. 사용하려는 555의 제조사·제품 번호와 권장 범위를 먼저 맞춥니다. 정확한 LED 부품과 전류별 V_F, SL100의 단자 배열·허용 전류·켜졌을 때의 전압 강하, 555 출력 고전압·저전압과 220 Ω 뒤의 제어 전류가 없으면 3.3 V에서 켜지는지, 6 V에서 안전한지, 실제 점멸 주기가 얼마인지 계산만으로 확정할 수 없습니다.

시험 가능한 부품과 전류 제한 전원이 준비되면 선택한 IC의 권장 범위 안에 있는 낮은 전원 조건에서 먼저 한 방향의 한 갈래를 연결합니다. 555 출력의 HIGH·LOW 동안 그 갈래의 저항 전압과 LED 전류를 측정하고, 나머지 갈래를 하나씩 더해 네 갈래의 합산 전류·트랜지스터 온도·전원 강하를 확인합니다. 이어 다른 방향에서도 같은 순서로 측정하고, 두 선택 상태의 점멸 파형과 선택되지 않은 쪽의 소등을 검사합니다. 전원 최고값에서도 LED·저항·트랜지스터의 정격과 발열을 다시 확인합니다. 회로도의 부품 숫자만으로 이 시험을 통과했다고 쓰지 않습니다.

같은 조건인지 확인한 뒤 반복합니다

다음 갈래가 같은 전원·연결·구동 방식인지 대조한 뒤 나머지를 조립합니다. 일부가 다르면 그 조건은 따로 시험합니다. 모든 갈래가 켜질 때 전체 전원·배선의 강하와 열 조건도 첫 갈래 때와 달라질 수 있으므로 완성 뒤 동시 동작을 확인합니다.

기록에는 첫 갈래의 부품·극성·전압·전류·발열과 적용한 나머지 위치를 남깁니다. 잘못된 선택을 초기에 좁히는 시험이지 전체 완성품 검사를 생략하는 방법은 아닙니다.