LED와 전류제한 저항

한 줄 요약 — LED는 전류로 구동하는 소자입니다. 저항 없이 전압만 걸면 순식간에 탑니다.

왜 저항이 반드시 필요한가

LED도 다이오드(diode)이므로 전압-전류 관계가 지수함수입니다 (01).

$V_F$	전류 (예시)
1.9 V	5 mA
2.0 V	20 mA
2.1 V	80 mA
2.2 V	파괴

전압이 0.1 V만 올라도 전류가 4배가 됩니다. 전원 전압의 오차, 온도 변화, 개체 편차 어느 것도 감당할 수 없습니다.

LED에 전압원을 직접 연결하면 안 됩니다. 반드시 전류를 제한해야 합니다.

저항값 계산

\boxed{R = \frac{V_{supply} - V_F}{I_{desired}}}

기호

I_desired전류 (desired)current (desired)A

R저항resistanceΩ

V_supply전압 (supply)voltage (supply)V

V_F순방향 전압 강하forward voltage dropV

색상별 순전압

색	$V_F$ (20 mA)
적색	1.8 ~ 2.2 V
황색·주황	2.0 ~ 2.2 V
녹색	2.0 ~ 3.2 V
청색	2.8 ~ 3.6 V
백색	2.8 ~ 3.6 V
적외선	1.2 ~ 1.5 V

⚠️ 청색·백색 LED는 $V_F$ 가 3.2 V 정도라 3.3 V 전원으로는 구동이 어렵습니다. 저항에 걸릴 전압이 0.1 V밖에 안 남아 전류가 불안정해집니다. 5 V를 쓰거나 정전류 드라이버를 씁니다.

계산 예제

5 V에서 적색 LED(2.0 V)를 10 mA로:

R = \frac{5-2.0}{0.010} = 300\ \Omega

기호

R저항resistanceΩ

E24에서 300 Ω 또는 330 Ω(전류 9.1 mA).

전력 확인:

P_R = I^2R = (0.01)^2\times330 = 33\ \text{mW}

기호

I전류currentA

P_R전력 (R)power (R)W

R저항resistanceΩ

1/8 W(125 mW)로 충분 ✅

3.3 V에서 청색 LED(3.0 V)를 5 mA로:

R = \frac{3.3-3.0}{0.005} = 60\ \Omega

기호

R저항resistanceΩ

⚠️ 저항 양단이 0.3 V뿐이라, $V_F$ 가 개체차로 0.1 V만 달라져도 전류가 33% 변합니다. 밝기 편차가 큽니다.

⚖️ 부품 트레이드오프 — 구동 방식

방식	✅ 좋아지는 것	⚠️ 나빠지는 것
저항 1개	가장 간단·저렴	전원 전압 변동이 전류에 직접 영향, 전원 전압이 높으면 저항에서 낭비되는 전력이 큼, 개체 편차로 밝기 불균일
정전류 드라이버 IC	전원 변동·개체차 무관, 밝기 일정, 고효율	비쌈, 부품 추가
PWM 조광PWM pulse-width modulation켜져 있는 시간의 비율로 평균값을 만드는 방식으로, 디지털 핀 하나로 아날로그 흉내를 냅니다.자세히 보기 →	효율 유지하며 밝기 조절, 색 변화 없음	스위칭 노이즈 발생 — 측정 회로에 간섭(interference)
아날로그 조광(전류 조절)	노이즈 없음	저전류에서 색이 변함, 효율 저하
LED 여러 개 직렬	전류 하나로 여러 개 구동, 밝기 균일, 저항 손실 비율 감소	높은 전원 전압 필요, 하나 끊기면 전부 꺼짐
LED 여러 개 병렬 (저항 공유)	저항 1개	개체차로 전류가 불균등 — 하나에 몰려 먼저 탐. ❌ 하지 마세요
LED 여러 개 병렬 (각각 저항)	균등, 하나 고장나도 나머지 동작	저항 여러 개

⚠️ 여러 LED를 하나의 저항으로 병렬 구동하는 것은 흔한 실수입니다. $V_F$ 가 가장 낮은 LED에 전류가 몰려 그것만 밝고 먼저 죽습니다. 병렬로 하려면 각각 저항을 달아야 합니다.

전원 전압이 높을 때의 손실

12 V에서 적색 LED(2 V) 20 mA:

R = \frac{12-2}{0.02} = 500\ \Omega, \qquad P_R = 0.2\ \text{W}

기호

P_R전력 (R)power (R)W

R저항resistanceΩ

LED가 쓰는 전력은 $2\times0.02 = 40$ mW인데 저항이 200 mW를 버립니다. 효율 17%.

개선: LED 4개를 직렬로 ( $V_F$ 합 8 V):

R = \frac{12-8}{0.02} = 200\ \Omega, \qquad P_R = 0.08\ \text{W}

기호

P_R전력 (R)power (R)W

R저항resistanceΩ

효율이 67%로 올라갑니다.

🔌 실제 쓰임새 — 측정 시스템에서 LED가 문제가 될 때

LED는 단순해 보이지만 측정 회로에서는 노이즈원이 될 수 있습니다.

문제	원인	대책
PWM 조광 노이즈	스위칭 하모닉이 전원과 접지를 통해 전파	아날로그 조광, LED 전원 분리, 필터
전원 전류 변동	LED 점멸이 전원 전압을 흔듦	LED 전원을 아날로그와 분리, 벌크 커패시터(bulk capacitor)벌크 커패시터 bulk capacitor보드 입구에 두는 큰 커패시터로, 디커플링이 못 따라가는 느린 전류 변화를 받아 냅니다.자세히 보기 →
접지 전류	LED 전류(수십 mA)가 아날로그 접지를 통과	접지 리턴 경로 분리 (12-03)
광 결합(coupling)	LED 빛이 포토다이오드나 노출된 반도체에 영향	차광

⚠️ 상태 표시 LED 하나가 µV 측정을 망칠 수 있습니다. 20 mA가 아날로그 접지를 통해 흐르면 접지 배선(trace) 50 mΩ에서 1 mV의 전압을 만듭니다 (0-05). LED 접지는 반드시 디지털/전원 접지로 보내세요.

시뮬레이션으로 확인

LED 전류제한 저항워크벤치에서 열기 →

# examples/05-diode/led-resistor.yaml
meta:
  name: LED 전류제한 저항
  lesson: docs/05-diode/04-led-current-limiting.md
components:
  - {ref: V1, type: vdc, value: 5}
  - {ref: R1, type: r,   value: 330, params: {power_rating: 0.125}}
  - {ref: D1, type: led, model: LED_RED, params: {if_max: 0.02}}
nets:
  VIN: [V1.p, R1.1]
  A:   [R1.2, D1.a]
  GND: [V1.n, D1.k]
analyses:
  - {type: op}
expect:
  - {measure: i, through: D1, value: 9.1m, tol: 15%}
  - {measure: p, of: R1, max: 0.125}

R1을 제거한 파일을 circuit check에 넣으면 W301 (LED에 직렬 저항 없음) 경고가 나옵니다.

⚠️ 이상과 실제의 차이

이상	실제
$V_F$ 가 데이터시트 값	개체 편차 ±0.2 V 이상, 같은 롯트 안에서도 다름
온도 무관	$V_F$ 가 −2 mV/°C로 감소 → 전류 증가 → 열 폭주 가능
밝기 = 전류 비례	대략 비례하지만 고전류에서 효율 저하(droop), 발열로 더 어두워짐
즉시 켜짐	접합 용량으로 고속 스위칭 시 상승·하강 시간 존재
수명 무한	광속 감쇠(lumen depreciation), 고온·고전류에서 급격히 단축

💡 고휘도 LED를 정격 전류정격 rating부품이 견딜 수 있는 전압·전류·전력의 상한으로, 넘기면 성능이 나빠지는 게 아니라 타 버립니다. $P = VI = I^2R$ 자세히 보기 →로 계속 켜두면 수명이 크게 줄어듭니다. 정격의 50~70%로 구동하면 수명이 몇 배로 늘어납니다. 표시등이라면 2~5 mA로도 충분히 잘 보입니다 (요즘 LED는 효율이 매우 좋습니다).

연습문제

문제 1. 3.3 V에서 녹색 LED(2.1 V)를 5 mA로 구동하려면?

exercises/05-04-green-led.yaml

풀이

R = \frac{3.3-2.1}{0.005} = 240\ \Omega

기호

R저항resistanceΩ

E24에 240 Ω이 있습니다. 전력은 $0.005^2\times240 = 6$ mW로 1/16 W면 충분합니다.

문제 2. 12 V에서 적색 LED 3개를 직렬로 20 mA 구동합니다. 저항값과 전력은?

연습 5-04-2 — LED 3개 직렬, 12 V 에서 20 mA워크벤치에서 열기 →

풀이

V_F(\text{합}) = 3\times2.0 = 6.0\ \text{V}

기호

V_F순방향 전압 강하forward voltage dropV

R = \frac{12-6}{0.02} = 300\ \Omega

기호

R저항resistanceΩ

P_R = (0.02)^2\times300 = 0.12\ \text{W}

기호

P_R전력 (R)power (R)W

1/4 W 저항 사용 (디레이팅 고려하면 1/2 W가 안전).

문제 3. MCU GPIO(출력 전류 최대 8 mA, $V_{OH}$ = 3.0 V @ 8 mA)로 LED를 직접 구동합니다. 3.3 V 전원, 적색 LED(2.0 V), 목표 5 mA. 저항값은?

exercises/05-04-gpio-drop.yaml

풀이

GPIO의 출력 전압은 전류에 따라 떨어집니다. 5 mA에서 $V_{OH} \approx 3.1$ V로 가정하면:

R = \frac{3.1-2.0}{0.005} = 220\ \Omega

기호

R저항resistanceΩ

220 Ω 선택.

⚠️ 확인할 것:

GPIO 최대 전류 — 핀당 8 mA를 넘지 않는가 ✅ (5 mA)
포트 전체 합계 전류 — 여러 LED를 동시에 켜면 포트/칩 전체 한계(보통 100~150 mA)를 넘을 수 있음
접지 리턴 — LED 전류가 아날로그 접지를 통과하지 않는가

LED가 많으면 트랜지스터(transistor)나 LED 드라이버 IC로 구동하고, MCU는 제어만 하게 하는 것이 안전합니다 → 10-01

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