* 보통 LED 다이를 할 때 저항을 연결하는 방법을 사용한다.
이 저항의 목적은...
LED에 적절한 전류가 흘러서 과도한 전류로 인한 LED의 파손을 방지할 목적.
이다.
* 평소 하던 대로 다시 계산을 해 보자.
20mA 급 낮은 밝기의 LED를 1개 설치 한다고 계산한다.
자동차 전압을 12V로 어림잡고 필요한 저항은 R = V/I = 12 / 20 mA = 600 [옴].
* 보통 여기서 끝이다. 그럼 실제 상황을 보자.
하이라이트 LED를 구했는데 표준 전류가 100mA, 피크 전류 500mA, 순방향 전압 1.7V 이렇게 나온다.
일단 표준 전류로 계산한다.
R = V/I = 12 / 100 mA = 120 [옴]
* 뭐가 문제일까 ?
1. LED의 순방향 전압을 계산에 넣지 않았다.
LED의 순방향 전압이라는 건 전류가 흐를때 LED 양단을 테스터로 재 보면 발생하는 전압니다.
그러니까, 실제로 LED와 연결된 저항에는 LED에 걸린 전압을 제외한 나머지 전압이 걸린다고 보면 된다.
따라서 다시 저항을 계산하자.
R = V/I = (12.0 - 1.7) / 100mA = 약 100 [옴]
2. 저항이 견디는 전력을 계산하지 않았다.
보통 저항은 0.25W의 전력을 견딘다. 쉬운 말로 하면 전력은 열(heat)이다. 0.25W 이상의 전류가 흘러
생기는 열은 견디지 못한다는 것이다.
일면 칩저항이라 불리는 작은 저항은 0.1W도 안 된다.
전력은 흐르는 전류과 가해진 전압의 곱이다. W = VI [W, 와트]
위 예에서 가해진 전압은 LED 순방향 전압을 뺀 10.3V 이고, 전류는 100mA 이다.
전력을 계산하면 W = VI = 10.3 x 100mA = 1.03 [W]
여기서 알 수 있듯이 0.25와트의 표준 저항은 사용이 불가능 하다. 뭐, 요즘은 전자부품을
튼실하게 만들기 때문에 사용해도 되지만 손으로 만져보면 뜨끈뜨끈 해진다. 본래 본인이
평소 재수가 없던 사람이면 뭔가가 녹아 내리거나 심지어 연기가 나는 경험도 해 볼 기회다.
이런 경우 2W 이상의 저항으로 커버한다. 단, 높은 전력에 견디는 저항이라 해도
열이 안 나는건 아니다. 딱 1.03W 만큼의 열이 나게 되 있다. (<= 중요)
그럼, 이런 LED를 50개 정도 병렬로 사용한다고 가정하면, LED 다이 한 곳에서 소비하는
총 전력은 1.03 x 50 = 약 50 와트 이다. 이 정도 전력이 낭비되는 거다. 50 와트가 얼마나
큰 소비 전력인지 감 못 잡는 분들 위해서 비교한다.
보통 납땜 인두의 소비 전력 = 25 ~ 35W
순정 자동차 헤드 라이트 전구 전력 = 55W
가뜩이나 기름값 아낀다고 에어컨도 잘 안 쓰고 버티는데, 저렇게 다이를 한다는 건
스스로 찜통에 들어 가겠다고 선언하는 것이다. 50 와트의 전력을 단순히 LED를 켜는데
소모해 버리면 밧데리도 좋아할 리 만무하다. (실은 LED에 달린 저항이 열로서 없애 버리는
전력임)
그럼 전력을 적게 소모해 보자. 방법은 다 있당.
전력 계산에 보면 흐르는 전류를 줄이든지 가해지는 전압이 낮아지면 전력소비가 줄어든다.
참고로 LED 자체의 소비 전력은 얼마일까 ? 위 예를 또 참고로 계산한다.
W = VI = 1.7 (순방향 전압) x 100 mA = 0.17 [와트], 해서 LED 한 세트당
LED 0.17W, 저항 1.03W, 총 1.2W의 전력을 소비한다. 일단 배보다 배꼽이 더 크다.
LED를 직렬로 연결하면 순방향 전압이 커지므로 저항에 가해지는 전압은
낮아질 것이다. 전원 전압이 12V 이고, LED 순방향 전압이 개당 1.7V로 가정 했으므로
직렬로 연결할 수 있는 LED의 총 개수는,
12V / 1.7V = 약 7
7개 정도가 되겠다. 하지만 3번에서 설명하겠지만 자동차 전압은 변하므로 여유분을 둬서
5개 정도를 한계로 잡는다. (항상 여유는 많이 두어야 한다. 여유분이 적으면 어디서든지
반드시 트러블이 발생하는 걸 볼 수 있다.)
그럼 LED 순방향 전압은 1.7V x 5개 = 8.5V 가 되고, 저항에 가해지는 전압은 3.5V 가 된다.
참고로, LED는 순방향 전압 이상의 전압이 없으면 전류가 흐르지 않는다. 1.5V 일반 건전지로는
때려 죽이고 밟아도 LED가 켜지지 않는다. 따라서, 웬만한 LED 용품은 전지가 2개 이상 들어간다.
LED가 소비하는 전력이 0.17W 이므로, 5개 사용해서 0.85W의 전력을 쓴다.
저항은 ? 전류는 100mA로 같지만 전압이 3.5V 가 됐다.
W = VI = 3.5 x 100mA = 0.35W (!) 대단하지 않은가 ? 직렬연결로 이렇게 많이 개선됐다.
LED 5개의 밝기는 변하지 않은채로 (같은 전류가 흐르니까) 이번에 사용한 전력은
0.35W + 0.85W = 1.2W 이다. (뭔가 감 잡히는지...)
처음 LED 1개를 썼을 때와 5개를 직렬로 썼을 때의 소비 전력이 같다는 말이다.
직렬 5개 연결한 것을 병렬로 10개 (전압을 더 높일수 없으므로...) 해서 50개를 만들면
이번에는 12W의 전력을 소비한다. (1.2W x 10개)
일단 소비 전력이 병렬로 할 때 보다 1/4로 줄어든 것을 확일 할 수 있다.
따라서, 시중에 나와 있는 LED 다이 키트를 보면 5~6개 정도의 LED 마다
1개씩 저항을 사용한 것도 있다. 이런 이유 때문이다.
아직도 뭔가 찝찝하다. LED 5개를 켜는데 LED가 소비한 전력이 0.85W라고 했다.
이건 반도체 특성상 빛으로 많이 바뀌었다. 즉, 눈에 보이는 빛을 만드는데 사용을 많이
한 것이므로 하나도 안 아깝다.
아직도 0.35W의 전력이 공중에 날라가 버린다. 그것도 열로서 말이다.
그렇다고 저항을 없애자니 LED들이 모두 타 버리는 (전류제한이 안 되서) 불상사가 생길테고...
여기서 능동 소자를 이용해서 (저항은 수동 소자라는 전자 부품의 일종) 본인은 최소한의
전력만 소비하고 LED에 흐르는 전류가 일정하게 되게끔 컨트롤 해주는 장치가 필요하다.
보통 LED 컨트롤러 라고 부른다. 지금까지 장황하게 설명한 이유가 LED 컨트롤러의 필요성
하나의 이유 때문이다.
3. 실제 자동차 전압은 12V가 아니고 변한다.
설계시 마진(여유분)을 많이 둬야 하는 이유중 하나가 자동차 전압이 변하기 때문이다.
시동을 끄고 정지 상태에서 12V 정도 되나, 시동을 켜면 13.5 ~ 14V 까지 올라간다.
밧데리를 충전하기 위해서인데, 결국 자동차 전압이 12V라고 굳게 믿고 있으면 안 된다.
경우에 따라 상태가 안 좋은 차는 더 심하게 변한다.
좀 민감한 넘은 LED나 조명의 밝기가 미세하게 변하는 걸 보게 된다.
LED 컨트롤러 중 일부는 입력 전압이 변동되도 항상 일정한 전류가 흐르게 조절해 주는
장치도 덤으로 가지고 있다.
4. 이젠 LED에서 소비하는 전력도 아깝다.
그럴 수 있다. LED가 항상 켜져 있어야 켜진 것 처럼 보이는 건 아니다.
못 믿겠으면 집에 있는 백열전구를 흔들어 봐라. 전구가 점을 찍을 것이다.
즉 순간순간 켜졌다, 꺼졌다를 반복한다. (이건 상용전원이 교류라서 그렇고... 자동차는 직류당)
항상 보고 있는 TV가 가장 좋은 예이다. TV 화면은 주사라고 불리는 방식으로
한 선씩 그림을 그리고 있지만 인간은 느끼지 못한다. 초당 15장 정도 그려준다.
게다가 100mA로 평시 순방향 전류가 스펙인 LED라 하더라도 피크 전류는 몇배가 된다.
보통 5~10배 정도 허용한다. 무슨 말이냐 하면 잠깐 전류를 더 흘려주는 건 괜찮다.. 라고
메이커에서 보증 한다는 말이다.
따라서, 사람이 감지 못할 정도로 LED를 깜박 거리게 해서 꺼져 있는 동안 전력 소비를 없애
평균 소비 전력을 떨어지게 할 수 있고, (효율이 좋은 것은 90%까지 아낄 수 있다.)
피크 전류 영역을 이용해 평균 전력 감소에 따른 밝기를 감소시키지 않는 제어를 가능하게
하는 좀 고급스런 LED 컨트롤러도 있다.
물론, 간혹 LED 컨트롤러 중에는 PWM 제어가 아니고, 단순 전류 제어만 하거나 (이것도 나쁘진 않다.)
심한 사깃꾼인 경우 저항 하나를 심어두고 LED 컨트롤러라 우기는 넘도 있으니 주의해야 한다.
제일 좋은 넘은 [정전류 PWM 제어]를 하는 컨트롤러 이다.
그리고, 뭔 짓을 했는데 열이 생기는 건 죄다~ 전력이 새고 있다고 생각하면 된다.
손 대기 힘들 정도의 뜨거운 열이 생긴다면, 사소한 일에 목숨걸지 않기를 권고한다.