[아두이노&라즈베리파이 완전정복 #4] 전자공학 기초: 알아두면 쓸모있는 기본 지식

안녕하세요! 지난 시간에 개발 환경을 성공적으로 구축하셨나요? 이제 본격적으로 하드웨어를 다루기 전에 꼭 알아야 할 전자공학의 기본 지식을 배워보겠습니다! ⚡

"전자공학이라니... 어렵지 않을까요?" 걱정하지 마세요! 복잡한 이론은 제쳐두고, 실제 프로젝트에서 바로 써먹을 수 있는 핵심 내용만 쏙쏙 뽑아서 알려드릴게요. 마치 요리할 때 소금, 설탕, 간장만 알면 대부분의 요리를 할 수 있는 것처럼, 전자공학도 몇 가지 기본 개념만 이해하면 웬만한 프로젝트는 모두 해낼 수 있답니다! 🍳

 

🎯 이번 강의에서 배울 내용

핵심 전자공학 개념

• 전압, 전류, 저항의 정체와 역할
• 옴의 법칙: 전자공학의 만능 공식
• 직렬 연결 vs 병렬 연결의 차이점
• 전력과 에너지 계산하기

실전 도구 사용법

• 브레드보드 완전 정복
• 멀티미터로 측정하는 방법
• 회로도 읽는 법 (기초)
• 안전한 작업을 위한 주의사항

바로 써먹는 계산법

• LED에 맞는 저항값 계산
• 배터리 수명 예상하기
• 센서 전압 분배 회로 설계
• 부품 선택 가이드

⚡ 전기의 3요소: 전압, 전류, 저항

전자공학을 이해하는 가장 쉬운 방법은 물의 흐름에 비유하는 것입니다!

🌊 전압(Voltage) = 물의 압력

전압은 전기를 밀어내는 힘입니다. 단위는 V(볼트)를 사용해요.

일상 속 전압들

✅ 건전지 AA: 1.5V
✅ 스마트폰 배터리: 3.7V
✅ 아두이노 전원: 5V
✅ 가정용 전원: 220V (한국 기준)
✅ 자동차 배터리: 12V

💡 쉬운 이해법

• 높은 전압 = 강한 물의 압력 = 전기가 세게 흐르려고 함
• 낮은 전압 = 약한 물의 압력 = 전기가 약하게 흐름

🔄 전류(Current) = 물의 양

전류는 실제로 흐르는 전기의 양입니다. 단위는 A(암페어)를 사용해요.

일상 속 전류들

✅ LED: 20mA (0.02A)
✅ 아두이노 보드: 50mA (0.05A)
✅ 스마트폰 충전: 1A~2A
✅ 전자레인지: 10A
✅ 가정용 총 전류: 30A~60A

💡 쉬운 이해법

• 높은 전류 = 많은 물이 흐름 = 많은 전기가 흐름
• 낮은 전류 = 적은 물이 흐름 = 적은 전기가 흐름

🚧 저항(Resistance) = 물의 장애물

저항은 전기의 흐름을 방해하는 요소입니다. 단위는 Ω(옴)을 사용해요.

일상 속 저항들

✅ 구리선: 거의 0Ω (전기가 잘 흐름)
✅ LED 보호 저항: 220Ω~1kΩ
✅ 센서 풀업 저항: 10kΩ
✅ 사람 몸: 1kΩ~100kΩ (습도에 따라)
✅ 고무: 거의 무한대Ω (전기가 안 흐름)

💡 쉬운 이해법

• 높은 저항 = 좁은 파이프 = 전기가 흐르기 어려움
• 낮은 저항 = 넓은 파이프 = 전기가 잘 흐름

📐 옴의 법칙: 전자공학의 만능 공식

옴의 법칙은 전자공학에서 가장 중요한 공식입니다. 외우기도 쉬워요!

🔥 기본 공식

V = I × R

V: 전압 (Voltage)
I: 전류 (Current) 
R: 저항 (Resistance)

📊 변형 공식들

전압을 구하고 싶을 때: V = I × R
전류를 구하고 싶을 때: I = V ÷ R  
저항을 구하고 싶을 때: R = V ÷ I

🧮 실전 계산 예시

예시 1: LED에 필요한 저항 계산

문제: 5V에서 20mA로 LED를 켜고 싶다. 저항값은?

주어진 것:
- 전원전압: 5V
- LED 전압강하: 2V (일반적인 빨간 LED)
- 원하는 전류: 20mA = 0.02A

계산:
저항에 걸리는 전압 = 5V - 2V = 3V
필요한 저항 = V ÷ I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω

답: 150Ω 저항 사용 (실제로는 220Ω 사용, 안전 여유분)

예시 2: 배터리 수명 계산

문제: 2000mAh 배터리로 100mA 소모 회로를 얼마나 쓸 수 있을까?

계산:
사용 시간 = 배터리 용량 ÷ 소모 전류
= 2000mAh ÷ 100mA = 20시간

답: 약 20시간 사용 가능 (실제로는 효율 고려해서 15~18시간)

🔌 연결 방식의 비밀: 직렬 vs 병렬

🔗 직렬 연결 (Series)

부품들이 한 줄로 연결된 방식입니다.

특징

✅ 전류: 모든 부품에 같은 전류 흐름
✅ 전압: 각 부품에 전압이 나누어짐
✅ 저항: 모든 저항값이 더해짐
✅ 문제점: 하나가 고장나면 전체가 꺼짐

실생활 예시

• 크리스마스 트리 전구 (옛날 방식)
• 손전등 (배터리 여러 개)
• 전압 분배 회로

🔀 병렬 연결 (Parallel)

부품들이 나란히 연결된 방식입니다.

특징

✅ 전압: 모든 부품에 같은 전압 공급
✅ 전류: 각 부품에 다른 전류 흐를 수 있음
✅ 저항: 전체 저항이 낮아짐
✅ 장점: 하나가 고장나도 나머지는 작동

실생활 예시

• 집안의 전등과 콘센트
• 자동차 헤드라이트
• 대부분의 전자기기 내부 회로

🧮 계산 공식

직렬 연결

총 저항 = R1 + R2 + R3 + ...
총 전압 = V1 + V2 + V3 + ...
전류 = 모든 곳에서 동일

병렬 연결

1/총저항 = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...
전압 = 모든 곳에서 동일
총 전류 = I1 + I2 + I3 + ...

🍞 브레드보드: 전자회로의 샌드위치

브레드보드는 납땜 없이 회로를 만들 수 있는 마법의 도구입니다!

🏗️ 브레드보드 구조 이해하기

전원 레일 (Power Rails)

빨간색 선: (+) 전원 (보통 5V나 3.3V)
파란색/검은색 선: (-) 접지 (GND)
✅ 세로로 길게 연결되어 있음
✅ 전원 공급용으로 사용

타이 포인트 (Tie Points)

✅ 가로로 5개씩 연결되어 있음
✅ 가운데 홈을 기준으로 위아래가 분리됨
✅ 부품을 꽂아서 연결하는 곳

🎯 브레드보드 사용 팁

올바른 사용법

✅ 부품 다리를 구부리지 말고 수직으로 꽂기
✅ 전원과 접지를 맨 먼저 연결
✅ 점퍼선을 깔끔하게 정리
✅ 회로도를 보면서 차근차근 연결

피해야 할 실수들

❌ 전원 레일의 방향 헷갈리기
❌ 가운데 홈을 넘나드는 연결
❌ 너무 두꺼운 선 사용
❌ 부품을 너무 세게 누르기

🔧 브레드보드 실습: LED 회로 만들기

필요한 부품

✅ LED 1개
✅ 220Ω 저항 1개  
✅ 점퍼선 2개
✅ 아두이노 또는 5V 전원

연결 순서

1. 전원 연결: 아두이노 5V → 브레드보드 (+) 레일
2. 접지 연결: 아두이노 GND → 브레드보드 (-) 레일
3. 저항 연결: (+) 레일 → 저항 → 타이 포인트
4. LED 연결: 저항과 같은 줄 → LED 긴 다리
5. LED 접지: LED 짧은 다리 → (-) 레일

🔍 멀티미터: 전자공학자의 청진기

멀티미터는 전압, 전류, 저항을 측정할 수 있는 만능 도구입니다!

📊 기본 측정 방법

전압 측정 (병렬 연결)

1. 다이얼을 V~ 또는 V= 에 맞추기
2. 빨간 프로브를 (+), 검은 프로브를 (-)에 대기
3. 화면에 표시되는 값 읽기

전류 측정 (직렬 연결)

⚠️ 주의: 회로를 끊고 멀티미터를 사이에 연결!
1. 다이얼을 A 또는 mA에 맞추기
2. 회로의 한 부분을 끊기
3. 멀티미터를 사이에 연결
4. 전류값 확인

저항 측정 (전원 OFF 상태)

⚠️ 주의: 반드시 전원을 끄고 측정!
1. 다이얼을 Ω에 맞추기
2. 저항의 양쪽 끝에 프로브 대기
3. 저항값 확인

🎯 실전 측정 실습

실습 1: 배터리 전압 측정

목적: 배터리가 얼마나 충전되어 있는지 확인
방법: 
1. 멀티미터를 DC 전압 모드로 설정 (V=)
2. 빨간 프로브를 배터리 (+)극에
3. 검은 프로브를 배터리 (-)극에
4. 표시된 값 확인

예상 결과:
- 새 AA 건전지: 1.5V
- 사용한 AA 건전지: 1.2V~1.4V
- 다 쓴 AA 건전지: 1.0V 이하

실습 2: LED 전류 측정

목적: LED에 흐르는 전류가 적당한지 확인
방법:
1. LED 회로의 한쪽을 끊기
2. 멀티미터를 mA 모드로 설정
3. 끊어진 부분 사이에 멀티미터 연결
4. 전류값 확인

예상 결과:
- 일반 LED: 15~25mA
- 고출력 LED: 100mA 이상
- 너무 높으면: 저항값 증가 필요

🎨 회로도 읽기: 전자공학의 지도

회로도는 전자회로의 설계도입니다. 기본 기호만 알면 쉽게 읽을 수 있어요!

📋 기본 회로도 기호들

전원 관련

배터리: ─|+|─ (긴 선이 +극)
접지: ⊥ (GND, 그라운드)
전원: ○ (VCC, +5V 등)

수동 부품

저항: ─∼∼∼─ (지그재그 모양)
LED: ─>|─ (삼각형 + 세로선 + 화살표)
스위치: ─/ ─ (끊어진 선)

연결

연결점: ● (선이 만나는 점의 검은 점)
연결 안함: + (선이 교차하지만 연결 안됨)

🔍 회로도 읽는 순서

1. 전원 확인: +와 - 찾기
2. 신호 흐름: 전류가 흐르는 경로 추적
3. 부품 역할: 각 부품이 하는 일 파악
4. 연결 관계: 직렬인지 병렬인지 확인

⚠️ 안전 수칙: 즐거운 실험을 위해

🛡️ 기본 안전 수칙

전압 관련

✅ 5V 이하에서 실험 (아두이노 전원 사용)
❌ 가정용 220V는 절대 만지지 말기
✅ 젖은 손으로 전자부품 만지지 않기
❌ 물 근처에서 작업하지 않기

부품 관리

✅ 정전기 방지 팔찌 착용 (권장)
✅ 부품을 올바른 방향으로 연결
❌ IC나 센서를 거꾸로 연결하지 않기
✅ 전원을 끈 상태에서 연결 변경

작업 환경

✅ 충분한 조명 확보
✅ 깔끔한 작업대 정리
✅ 공구들을 정리해서 보관
❌ 금속 도구를 통전 상태 회로에 대지 않기

🚨 이런 증상이 나타나면 즉시 중단!

❌ 부품에서 연기가 남
❌ 이상한 냄새가 남
❌ 부품이 뜨거워짐
❌ 스파크가 튐
❌ 배터리가 부풀어 오름

🧮 실전 계산 연습문제

문제 1: LED 저항 계산

조건:
- 전원 전압: 9V (9V 배터리)
- LED 전압 강하: 2.1V (파란색 LED)
- 원하는 전류: 15mA

질문: 필요한 저항값은?

풀이:
저항에 걸리는 전압 = 9V - 2.1V = 6.9V
필요한 저항 = 6.9V ÷ 0.015A = 460Ω
→ 470Ω 저항 사용 (표준값)

문제 2: 병렬 저항 계산

조건:
- 저항 1: 100Ω
- 저항 2: 200Ω
- 두 저항을 병렬 연결

질문: 전체 저항값은?

풀이:
1/전체저항 = 1/100 + 1/200 = 2/200 + 1/200 = 3/200
전체저항 = 200/3 = 66.7Ω

문제 3: 배터리 선택

조건:
- 회로 소모 전류: 200mA
- 원하는 동작 시간: 10시간

질문: 최소 몇 mAh 배터리가 필요한가?

풀이:
필요한 용량 = 200mA × 10시간 = 2000mAh
안전 여유분 20% 추가 = 2000 × 1.2 = 2400mAh
→ 2500mAh 이상 배터리 선택

🛒 부품 선택 가이드

💡 LED 선택 요령

밝기: 일반용(20mA), 고출력(100mA+)
색상: 빨강(1.8V), 녹색(2.1V), 파랑(3.2V), 흰색(3.2V)
크기: 3mm(표시용), 5mm(조명용), SMD(소형화)

🔧 저항 선택 요령

정확도: ±5% (일반용), ±1% (정밀용)
전력: 1/4W (일반용), 1/2W (큰 전류용)
크기: 1/4W(6mm), 1/2W(9mm)

🔋 전원 선택 요령

아두이노: 5V 또는 7~12V (배럴잭)
라즈베리파이: 5V 3A (USB-C)
센서: 대부분 3.3V 또는 5V
모터: 6V~12V (별도 전원 권장)

마무리하며 🎓

오늘 전자공학의 기초를 배우느라 고생하셨어요! 처음에는 어렵게 느껴졌을 수도 있지만, 실제로 프로젝트를 하다 보면 자연스럽게 몸에 밸 거예요.

가장 중요한 것은 이론보다 실습입니다. 오늘 배운 내용들을 브레드보드와 멀티미터로 직접 확인해보세요. 실제로 LED를 켜보고, 전압을 측정해보고, 저항값을 계산해보면서 머리가 아닌 손으로 기억하는 것이 핵심입니다!

혹시 계산이 헷갈리거나 실습 중 문제가 생기면 댓글로 언제든 질문해주세요. 함께 해결해나가겠습니다! 💪

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💬 오늘의 실습 인증샷!

• 브레드보드에 LED 회로를 만들어보셨나요?
• 멀티미터로 전압을 측정해보셨나요?
• 어떤 부분이 가장 어려웠고, 어떤 부분이 재미있었나요?

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