2개 LED를 병렬로 달면 어느 경우 가끔 하나만 켜죠요 ? 어느 경우는 문제 없구요...  왜죠 ? 

아이들과 아두이노 코딩 수업이 진행 되어가면 슬슬 아이들이 다양한 연결을 시도하기 시작합니다

이때 공통적으로 만나는 문제중 하나 인데요...

그러나 항상 이러한 현상이 발생되는 것이 아니라 더 혼란스러워 하고 심지어  쌤, LED가 고장입니다~~~라고 말합니다

결론은,

동일한 LED 색끼리는 문제가 없어요

빨강과 노랑 LED를 병렬 연결해도 무방합니다

파랑과 초록 LED를 병렬 연결해도 무방합니다

이외에 다른 색이 만나면 문제 발생합니다.

이유는,

LED색 마다 정상동작에 요구되는 전압이 조금 다르기 때문입니다

LED는 동작 전압에 다다르면 더 이상 양 다리에 걸리는 전압이 올라가지 않는 전압-전류 특성이 있습니다

따라서 동작전압이 낮은 빨강색과 초록색 LED가 병렬로 만나 공통 저항 하나로 연결되면 동작전압에 먼저 도달하는

빨강LED만 들어옵니다.  저항으로 공통연결되어 있으므로 빨강 LED로 전압이 상승되지 않아

병렬 연결된 초록색 LED에는 충분한 동작 전압으로 올라서질 못합니다.

이때 빨강색 LED를 제거하면 초록불LED가 원하는 전압으로 상승할 수 있어 초록불이 들어 오게됩니다.

빨강과 노랑은 초록과 파랑에 비하여 동작전압이 낮으므로 다양한 경우의 수로 동작을 시켜 확인해 보시기 바랍니다

물론 이 문제를 한방에 해결하려면 LED마다 저항을 달아 LED간 서로 영향을 안주면 그만입니다~

그럼 빨강과 노랑은 동작전압이 낮고 초록과 파랑은 왜 높은 특성이 나올까요 ?

추측건데 이 이유는 가시광의 파장과 에너지 관계에 연루되는 것 같습니다.

무지개 분광 스펙트럼을 보면 빨강과 노랑은 무지개색의 앞 부분이고 초록과 파랑색은 

무지개색 마지막 부분에 있어 파장이 점차 짧아집니다.    

LED에 저항을 꼭 다는 경우와  달지 않아도 되는 경우 

이 질문은 선생님들로부터 자주 나오시는  질문중 하나인데요...경험  팁을  공유합니다.

1.아두이노 5볼트에 LED를  연결하는 경우는  꼭 저항 연결하세요~

이유는 LED특성상  동작 전압이 되면 전류를  무한히 흐르도록 하는 성질이  있으므로

누군가  이  전류를  줄여주어야 LED가 온전할 수 있기  때문입니다.

저항의 크기는  흐르는전류량을  결정하시어  적당한  저항을  선택 하세요.

2. 아두이노  디지털 포트에 LED를  연결하는  경우 장시간 LED를  켜지  않는다면  저항을  달지  않아도 잘 동작 합니다.

가능한 이 경우도 저항을  달면 더 좋구요~~

이유는 포트에서  나오는  전류의  양은 아두이노 5볼트  핀과 달리 적은  양으로  내부회로로 제한되어  있기 때문입니다  

제가  측정해보니 40mA정도 되더라구요  보통 LED가 20mA까지는  사용가능하니 좀 초과되더라도 버티는 것 같아요.  

하지만 장기간 연속적인  사용은  아마  수명단축의 영향을  줄 것 같긴 합니다.  

LED종류나 특성이  업체마다  좀  다르니  저항을  항상 달아주는 것을 습관처럼 하는게  좋구요~~  

아이들에게는 5볼트핀과  포트핀의  전류 공급 능력을  이해시키는 것이 아직은 좀 곤란할 수 있으니

저항과 LED는  바늘과  실의 관계다~라고 알려주시는게  좋을듯 합니다

선생님 전압이 뭐야요 ? 

아두이노로 코딩 수업을 하다보면 고학년 아이들이 이러한 질문을 하는 수가 있습니다.

왜 건전지를 연결하면 전기가 흐르는 걸까요 ?

건전지에 1.5V라는 의미는 무엇일가요 ?

아래와 같이 답을 해주곤 합니다~

만유인력이 작용하듯 세상에는 전자기력이라는 것도 존재하는 데요

전기에는 양전기와 음전기 사이에는 인력이 존재합니다

다른 전기극끼리는 당기고 같은 극끼리는 민다고 합니다

이때 전기극에 전기량이 많으면 힘이 무지하게 세질 것입니다

어느 정도 세지는지를 물리량으로 나타내기 위하여 탄생된 단위가 전압 V입니다

그럼 전압은 전기간에 존재하는 힘이라는 것을 알수 있습니다

자기력에서도 N극과 S극끼리는 당기는 힘은 마지 양전기와 음전기가 서로 당기는 것과 유사한 현상입니다

그래서 건전지를 연결하면 도체내에 있는 음전기를 띠는 전자가 건전지의 양극으로 당겨

지는 현상에 생기는데 이를 우리는 전류가 흐른다고 합니다. 전압이 세면 전자를 당기는 힘이

세다는 의미이니 도체내 많은 양의 전자가 움직인다고 생각할 수 있습니다. 따라서 전기량의 이동도

많아집니다 즉  전류가 증가하는 현상이 생깁니다

따라서 전류의 정의는 시간당 얼마나 많은 전기량이 이동하냐로 정의합니다

단위 시간당 얼마나 많은 전자가 얼마만한 힘을 받아 움직이느냐는 곧 시간당 전기에너지를

의미하게 되어 전력 계산을 전압과 전류의 곱으로 계산하는 이유입니다

결국 건전지를 연결하면 물질내 전자를 움직이게하는 일종의 전자펌프란다~~~라구요...

이런 질문과 답의 과정을 통하여 아두이노가 단순한 코딩 교구가 아닌 아이들의 탐구활동을 돕는 착한 가격의 과학 도구로 널리

학교교육에 뿌리를 내려야 한다고 생각합니다

아두이노 보드로 수업을 하면 좋은 점 

피지컬 컴퓨팅 방식의 코딩수업에 적당한 교구 선정시 완성형 형식(모듈 착탈식)과 아두이노 보드 형식을 두고 고민을 하게 됩니다. 

방과후학교 일선에서 지난 4년간 아두이노 보드로 수업을 하면서 교육 현장에서 느낀 점과 평소에 생각한 것을 두서없이 한번 정리해 보았습니다. 

개인적인 의견이니 잘 걸러서 인용하세요~~

1) 교구비용이 비교적 상대적으로 저렴하여 같은 예산으로도 보다 많은 아이들이 수업에 참여할 수 있고

고장이 나더라도 즉시 대체품을 확보할 수 있어 수업에 지장을 주는 경우가 적다

2) S4A,엔트리, SNAP등으로 업체에 종속적이지 않은 국내외적으로 널리 사용되는 스크래치 언어를  사용하므로 

호환측면에서 매우 유리하다. 선생님과 아이들간, 학교와 학교간 코딩수업교류 활동 범위가 수평 수직적으로 매우 넓게된다

3) 완성형 제품 개발 업체의 입/출력 모듈 제품에 국한되지 않고 시장에서 쉽게 구입 가능한 부품이나 모듈을 사용할 줄 알기 때문에 

수업의 확장성이 매우 좋고 모듈 가격 또한 매우 저렴해진다.

아이들에게 풍부한 부품과 모듈 제공으로 실험하는 과정에서 실패를 두려워하지 않는다

4) 이러한 확장성은 코딩 수업의 영역을 매우 넓게 펼칠 수 있는 기반을 제공하여 다양한 과목의 선생님들이

코딩 교육에 동참할 수 있는 기회를 제공하고 또한 공동으로 융합 프로젝트를 수행할 수 있는 기반을 조성하여

융복합 시대인 4차 산업을 준비해야하는  세대들에게 어울리는 수업 모델 개발은 물론 아이들에게 다양한 교육 기회를 제공할 수 있다. 

5) 완성형 교구 업체에서 제공한 특정 명령 블록을 편리하게 사용하는 것은 코딩 수업을 소개하는 단계에서는 매우 유리하나

점차 시간이 흐르고 코딩 교육에 대한 경험과 수준이 올라가면 결국 아두이노 보드 레벨로 오게 될 것으로 보인다.

교구를 많이 보유한 공교육 선생님들의 장고 끝에 결론은 돌고 돌아 결국 아두이노이네요 라는 말씀을 하십니다.

또는 아두이노와 빵판으로해야 제 맛이야 !!  라고 말씀도 하십니다.

6) 아두이노 보드 환경에서는 포트제어 방식이므로 제어 대상 모듈에 대한 보다 근본적인 이해를 바탕으로 코딩을 해야하므로

처음에는 어렵고 불편할 수 있으나 교육적인 측면에서는 매우 바람직한 형태의 수업이 될 가능성이 높다.

학부모님들도 이러한 점을 요구하고 높이 평가할 것으로 보인다.

7) 포트 제어 방식으로 빵판에 회로를 꾸미는 것은 아이들에게 엄청난 만들기 재미를 제공한다.

완성형 교구는 연결이 너무 쉽고 만들어 완성되더라도 아이들이 왜 동작이 되는지 모르는 경우가 허다하여

창의적인 수업은 극히 제한적이 될 가능성이 높다. 사실 자도하는 선생님들도 모르거나 알 필요가 없다고 생각하시는 경우가

있다. 창의성은 기본이 튼실할 수록 다양하게 나타날 것이기에 가능한 기초 단계가 지나면 지식을 쌓아 올리는데 노력할 필요가 있다.

8) 수업이 진행되면서 아이들이 코딩에 대한 경험과 지식이 샇이면서 창의적인 활동이 가능해지므로

수업을 담당하는 교사도 점점 열정적으로 수업을 준비한다.

기존의 암기식 수업에서 탈피하여 창의적으로 두뇌를 사용하는 흥미 진진한 집중 수업이 가능해진다 

9) 완성형 업체에서 제공한 제한적인 센서 모듈외에도 학습의 목표에 따라 매우 다양한 센서를 사용하므로 

학교의 교과 과목과 연계된 수업이 가능해지므로 아이들의 학교 수업에 임하는 자세도 보다 진지해지는 효과가 기대된다

진실과 거짓의 경계는  2.3V 근처네요.... 

S4A 센서 보드를 보면 아두이노 D2/D3(디지털입력포트)의 상태를 True아니면 False로 나타납니다

아나로그적으로 (연속적으로) 변화하는 입력 전압을 D2/D3에 넣어보면 디지털적으로 어떻게든 처리하여

1 아니면 0,  즉 True아니면 False로 처리합니다.

연속적으로 변화하는 아나로그 정보를 디지털로 처리하기 위해 아두이노에서 정한 비교 기준 전압이 얼마인지 궁금해집니다.

저는 이렇게 한번 찾아 보았습니다~

가변저항기를 이용하여 다리 3개중 양쪽에 5V전압을 인가하고 중간탭을 아두이노 A0 포트와 디지털 입력 D2 포트에 모두 인가하고

서서히 가변전압을 돌려 입력전압을 조절하면서 실험을 해 보았더니 2.3V부터(센서보드의 A0에 나타나는 값은 471정도) True로 처리하네요...

나중에 아두이노에 디지털 출력 방식의 센서를 붙일 때 참조하면 좋을 것 같아서 올립니다~~~

전기전자 회로해석에 필요한 꼭 알아야할 지식은 어떤 것들이 있을까요 ? 

아두이노를 이용하여 전자센서나 출력 장치를 붙이고 코딩으로 제어하려면 처음에 몸시 망막합니다.

우선은 남들이 만들어 놓은 것을 하나씩 경험하면서 배워가야 하는데요....이는 코딩을 잘하기 위한 사전 준비이기도 합니다.

제어 대상에 대한 이해없이 코딩한다는 것은 사실 의미가 없고 이들을 제어하여 원하는 새로운 목표를 달성하기도 어렵죠.

평소에 코딩 선생님들과 공부하면서 이 정도는 이해하면 좋을 것 같은 전기전자 공부 범위를 간단히 정리해 보았습니다.

코딩 공부하시고 교안 작성하시는데 조금이나마 도움이 되시길 바라는 마음입니다.

1. 입력장치와 출력장치의 기본동작 이해

   이러한 장치는 종류도 많고요 크기도 단순한 부품레벨부터 시작하여 회로연결 덩어리인 모듈 형태를 취합니다

   워낙 종류도 많은데요 부품부터 모듈단계로 하나씩 차근 차근 공부하시면 됩니다. 제조사에서 제공하는 정보를 활용하세요.

   이 부분은 과학의 물리량과 직접적인 관계가 되므로 평소 물리 중심의 과학 공부를 틈틈이 하면

더욱 이해가 풍부해 지고 아이들과 창의 융합 코딩이 가능하고 수업중 이야기 거리도 많아집니다. 수업이 충실해지고 창의적인 활동으로도 이어집니다.

2. 옴의 법칙

   회로를 만들어 놓으면 전기가 흐르고 이때 회로내 전압, 전류,저항의 관계를 옴의 법칙으로 모두 정리가 가능합니다

  간단한 회로부터 옴의 법칙을 적용하여 해석해 보시면 회로 동작이 이해되기 시작합니다.

3. 키르히호프의 전류 및 전압법칙

   하나는 전류량 보존 법칙으로 쉽게 표현하자면 전류량은 사라지지 않고 전기가 흐르는 경로를 따라 흐르다가

결국 다시 모인다는 지극히 상식적인 개념입니다. 회로를 보시고 전류가 어디로 흘러 들어와 어디로 빠져 나가는지를 잘 살펴보시기 바랍니다

이때 전류는 전압이 높은 곳에서 낮으 곳으로 흐른다는 사실만 기억하시면 됩니다.

나머지 하나는 전압법칙인데요. 공급전압은 회로의 부품 여러개에 나누어 걸리고 이들을 모두 합치면 공급된 전압과 같다는

지극히 당연한 이야기 입니다. 전압이란 근본적으로 힘과 에너지관련 단위미르로 에너지보존의 법칙이라고 합니다.

4. 직렬회로 / 병렬회로

   건전지와 마찬가지고 전기를 사용하는 부품들도 직렬 혹은 병렬 연결을 할 수가 있습니다.

이때 직렬 연결은 모두 동일한 양의 전류가 흐른다는 키르히호프의 전류 법칙을 적용하시고 전압은 키르히호프의 전압법칙에 따라

직렬 부품에 나누어 길리는데 이때 여기에도 옴의 법칙을 적용하면 부품에 나누어 걸리는 전압도 회로 해석이 쉽게 됩니다.

5. LED, 트랜지스터 기본 반도체 특성

 자주 사용하는 LED의 경우 전압을 가했을 때 나타나는 전류 통과 특성을 잘 이해하시면 됩니다

트랜지스터의 경우 기본적인 증폭회로를 기억하시고 베이스 전류가 콜렉터 전류를 제어한다는 것만 머리에 담아 두시면 트랜지스터 회로도 쉽게 이해가 됩니다.

6. 전자센서모듈(입력장치)

전자모듈은 워낙 종류가 다양합니다만 입력 센서 모듈의 경우 거의 핀의 형식이 동일합니다.

즉 전기를 모듈에 공급하는 플러스와 마이너스 핀이 있고 전자센서의 감지 값이 전압의 형태로 나타나는 출력핀이 있습니다.

이 핀은 다시 두가지로 나누니어 아나로그 형태와 디지털 형태로 처리하여 결과를 내보내는 것 2가지가 있습니다.

어느 하나만 출력하던지 둘다 출력하는 것들이 있습니다. 자세한 사항은 모듈 제작사에서 제공하는 정보를 참조하면 됩니다.

일부 모듈의 경우는 고유의 출력 방식이거나 통신 방식을 사용하므로 각각 공부해야 합니다만 이것은 고급단계이므로 천천이 하시면 됩니다.

7. 전압 분배의 법칙

저항이 2개이상 직렬연결된 경우 저항이 큰 쪽에 전압이 많이 걸린다는 법칙입니다. 사실 옴의 법칙을 적용하면 해석이 되어 이해가 됩니다.

8. 플레밍의 왼손법칙/오른손 법칙

전동기의 원리, 발전기의 원리에 대한 내용으로 출력 장치인 전동기의 동작 원리를 이해하는데 필요한 법칙입니다.

이 원리를 이용하여 전동기의 회전 방향제어와 PWM포트를 이용한 속도 제어가 쉡게 해석됩니다.

9. 콘덴서와 코일의 동작 특성

저항외에 자주 사용하는 부품인데요...모두 전기를 저장하는 특성이 있는 부품입니다.

우선 콘덴서를 이용하여 전기를 저장하고 방전하는 원리부터 공부하면 이 부분도 정복 가능한 영역입니다.

코일 부분은 자기유도, 전자기유도 법칙을 공부한 후 서서히 이해를 시도해 보시는 것이 좋을 것 같습니다.

10. 정전유도, 전자기유도

전기의 기본 성질에 대한 것으로 전기의 종류와 서로간의 작용헤 대한 내용입니다

전자기유도는 전기와 자기에 대한 내용으로 닭과 계란처럼 서로가 서로를 만들어 간다는 얘기인데요

기본적인 지식으로 궁부해 놓으면 아주 유용합니다. 포트에 나타나는 플로팅 현상을 이해하는데 도움이 됩니다.

11. 회로시험기를 한대씩 보유하기

전기전자회로해석은 결국 각 부품에 나타나는 전압과 전류를 이해하는 것으로 이들을 실제 측정할 수 있는 간단한 회로시험기 정도는

보유하고 계시는 것이 회로해석에 큰 도움이 됩니다. 

코딩을 함께 적용하면서 회로에 나타나는 현상을 회로시험기로 많이 측정하고 확인하고 다양한 법칙들을 적용하다보면

점차 이러한 것에 익숙해 지고 이해력도 점점 좋아질 것입니다.  가격은 저렴한 것이 5000원짜리부터 있으니 꼭 하나씩 보유하세요~

아두이노와 입출력 장치간의 회로동작 해석 능력은 아두이노를 이용한 피지컬 코딩 콘텐츠를 점점 풍부하게 하고

나아가 교안의 범위가 광범위하게 넓혀가면서 자연스럽게 융합화되는 방향으로 나아가 융복합 시대인 4차산업을 준비하는 

우리 아이들에게 매우 유익한 피지컬 코딩 교육이 될  것이며 왜 공부를 해야하는지도 모르고 암기하고 문제풀고 하는

식의 공부방식에서 벗어나 자기만의 꿈을 키우며 학교 공부에도 더욱 매진하는 바람직한 방향으로 가는데 분명 일조할 것이라 기대합니다.

트랜지스터  동작 원리 이해 

트랜지스터는 스위칭 또는 증폭회로에 쓰인다고 하는데요 동작 원리는 무엇일까요?

수도꼭지에 비유하여 설명해 보겠습니다
꼭지 손잡이를 얼마나 열고 닫느냐에 따라 나오는 물의 양이 결정됩니다

손잡이가 트랜지스터의 입력에 해당되는 베이스 다리이고, 물의 양이 출력에 해당되는 트랜지스터 콜렉터 다리입니다

1. 증폭작용
수도꼭지를 조금 열면 물이 쬐끔 나오고 많이 열수록 더 콸콸나오죠. 즉 물의 양은 수도꼭지 변화를 따라 변합니다.

 수도꼭지가 입력에 해당되니 입력전류에 따라 물의 양 즉 출력전류가 변화하는 꼴이 되어버립니다.

 트랜지스터는 구조상 작은 입력 전류를 필요로 하고 출력 전류는 이 보다 200~300배 정도 크게 흐르도록 동작합니다.
결국 겉으로 보기에 입력전류가 마치 200~300배 정도 커진 것처럼 보이게 되는데 이를 트랜지스터의 증폭작용이라고 합니다.
(미약한 입력 전류 자체가 커진것은 아니지요)

만일 입력장치를 마이크로 하고 목소리를 넣어 보면 마이크에서 발생한 미약한 전류가 트랜지스터 입력 다리로 들어가

목소리 전류와 같은 모양의 200~300배 큰 전류가 트랜지스터 콜렉터로 흘러 들어오도록 동작되므로

이 큰 전류를 스피커에 통과시키면 확성기가 되는 것입니다. 일종의 아날로그 입출력 동작 입니다.

2. 스위칭작용
이번에는 입력 전류를 허용 최대 전류로 하여 트랜지스터에 넣어주면 가장 큰 출력 전류가 흐를 것입니다.

입력전류를 차단하면 출력전류도 차단될 것으므로 마치 스위치와 같은 디지털 동작만 합니다. 이렇게 트랜지스터를 디지털 처리에도 사용 가능합니다

3. 증폭작용 응용
만일 빛감지 센서와 저항을 직렬 연결하고 트랜지스터의 입력 전류 공급량을 빛의 양에 따라 미소량의 전류가 조절하도록

빛 감지 센서회로를 트랜지스터 입력에 연결한다면 이 빛 감지 센서에 흐르는 작은 전류량보다 200~300배 큰 트랜지스터 출력 전류를 제어할 수 있을 것입니다.

이 전류가 충분이 크다면 LED를 트랜지스터의 출력에 연결해두어 빛 변화에 따라 LED가 밝기 정도가 변화하는 회로를 만들 수 있게 됩니다.

도움이 되시길 바랍니다~~

능동부저 수동부저의 차이 

능동이라는 의미는 스스로 한다는 의미로 보시면 됩니다

능동부저는 스스로 소리를 낸다는 의미로 외부전원을 공급하기만 하면 됩니다

스스로 소리를 내기 위하여 능동부저 내부에는 전기진동자가 들어 있습니다

외부로 부터 전원이 인가되면 내부 진동자가 전기진동를 발생시켜 역시 능동부저 내부에

있는 스피커에 공급해 줍니다. 스피커는 외부전기진동을 기계진동(떨림)으로 바꾸어주는

장치입니다. 스피커 동작 원리는 플레밍의 왼손법칙에 따릅니다. 즉 영구자석에 의한 자기장

내부에 전류(능동부저 내부 진동자가 발생한  전기진동이 이에 해당)를 흘리면 전류가 흐르는 도선이 힘을 받아 솟구치는

힘이 발생되는 것으로 이 도선에 진동판을 메달면 진동판이 전류의 진동수에 따라 함께 움직일 것입니다

이러한 기계적인 움직임은 주변의 공기를 밀고 당겨 공기 매질에 파동을 만들고 우리는 귀로 이를 감지하도록

된 것입니다. 전기진동자 동작을 위한 전기 공급을 하려면 당연히 극성에 유의해야 합니다. 단점은 전기진동이

내부에 있어 한가지 소리(보통 2300Hz근처)만 내는 구조입니다. 물론 소리를 만들고 코딩으로 제어하기가 편리합니다

가격은 능동부저가 수동부저보다 비싸요(내부 전기진동자 가격 때문에)

수동 부저라는 것은 위에서 설명한 능동부저안에서 전기진동자를 제외한 스피커만으로 구성된 것을 의미합니다

따라서 외부에서 전원을 공급하는 것이 아니라 전기진동을 넣어주면 됩니다. 전기진동의 진동수나 진동 모양에 따라

매우 다양한 소리를 낼 수 있습니다. 극성도 사실 구분할 필요가 없습니다(엄밀히 말하면 전기진동의 위상을 고려하는

조건이라면 극성을 확인해 주어야 합니다. 즉 전기의 극성에 따라 진동판이 움직이는 방향이 정반대이기 때문입니다)

따라서 스피커를 사용하기 위해서 tone()함수를 사용해야 합니다. 이를 사용하면 초음파 영역도 만들어 낼 수 있습니다

수동 부저를 PWM포트9에 연결하고 듀티를 50 정도합니다. PWM9번 포트는 약 1KHz부근에서 진동이 나타나므로

우리 귀에 삐 소리가 들립니다.

PWM포트 6이나 5번에 연결할 경우 조금 더 높은음자리로 변하는데 그 이유는 이 포트는 2KHz로 동작하기

때문인 것으로 보입니다. 오렌지보드의 경우는 어떠지 모르겠어요....

장난삼아 만일 이러한 PWM포트 9에 능동부저를 달면 어떻게 될까요 ?

능동부저는 스스로 소리를 내는데 전원 공급이 PWM에 의하여 단속이 되므로 결국 능동부저의 내부 진동

2300Hz를 PWM 듀티가 제어하게됩니다. PWM포트에서 나오는 전압과 전류 공급 능력은 능동부저 한개정도는

충분히 동작할 수 있는 전원 공급 능력은 되니까요... 소리가 어떻게 들릴지는 PWM 듀티를 코드로 제어하면서 직접 해보시기 바랍니다.

능동부저와 수동부저를 더 이상 헤깔리지 마시기를 바라는 마음에서 .... 정리하였습니다.

빛 감지 센서에 저항을 왜 직렬로 달아주나요 ? 

빛 감지 센서는 빛에 따라 저항 크기가 변화하는 특성을 지닌 부품입니다

빛 감지 센서로 사용하려면 전기를 공급하고 센서의 저항 변화를 아두이노 아날로그 포트에 연결하면 될 것 같은데

여기에 꼭 저항이 하나 추가되어 사용됩니다.   Why ??

빛 감지 센서에 전기를 공급하고 빛의 양을 조절하면 저항이 변화하므로 전류가 따라서 변화합니다만

전압은 거의 같은 크기로 공급되므로 빛의 양에 따라 전류처럼 변화하지 않아 빛 감지센서로 아두이노와 같이 사용하기 곤란합니다

그러면 빛의 양애 따라 전압이 따라서 변화하게 할 수는 없을까 ??

저항 값이 변화하지 않는 일명 땅콩모양의 고정 저항을 2개 직렬 연결하고 외부에서 전압을 인가해보겠습니다

키르히호프의 제2법칙을 생각해보면 각 저항에 전압이 나누어 걸릴 것입니다.

이때 전압은 2개 저항중 크기가 클수록 많이 배분됩니다(옴의 법칙을 적용하면 각 저항에 걸리는 전압이 나옵니다)

빛 감지 센서도 일종의 빛의 양에 따른 가변저항기 이므로 고정 저항과 함께 직렬연결하여 사용하면 

빛에 따라 고정 저항과 빛 감지 센서 각각에 걸리는 전압 배분이 달라지게되어 전압의 형태로 빛의 변화를 쉽게 감지할 수 있게 됩니다

빛에 따라 전압을 비례 관계로 할지 반비례로 할 것인지는 저항과 빛 감지센서에 공급하는 전압 기준점을 어디에 둘지 결정하면 됩니다.

즉 비례 관계로 하려면 고정 저항 다리에  마이너스를 연결하면 됩니다 당연히 플러스는 빛 감지 센서의 다리입니다.

고정 저항과 빛 감지 센서의 나머지 다리는 공통으로 만나 아두이노 아날로그 포트로 보내면 됩니다.

자 ~ 이제 빛의 양이 늘면 빛 감지 센서는 저항이 줄어들게되어 전압이 덜 배분되고 고정 저항에 분배되는 전압은 상대적으로 증가합니다.

따라서 빛이 밝으면 밝을수록 아두이노 아날로그 포트에 들어오는 전압값(마이너스 전압 기준점-0볼트에서부터 고정저항에 걸리는 전압)은 커지게 됩니다.

이 구조는 조도계로 사용 가능한 센서입니다. 물론, CdS는 빛의 세기에 따라 저항의 변화가 선형적으로 되지 않아

전압을 조도 단위인 룩스로 환산하려면 상당히 복잡한 변환식이 예상되나

아이들과 함께 간이 조도계를 만드는데는 별 문제가 없을 듯 합니다

PWM포트 

아두이노는 디지털 입/출력 가능, 아날로그 입력 가능한 포트로 구성되어 있으나 불행히도 아날로그 출력 포트는 없습니다.
이를 해결하기 위하여 디지털 출력 포트에 부가적으로 부착한 것이 PWM기능입니다

PWM포트의 근본은 디지털 포트이나 아날로그 출력 효과를 냅니다.

그 이유는, PWM포트는
디지털 펄스 신호를 1초에 천개로 등분하고
등분된 하나의 시간폭을 다시 255등분하여 전기가 있을 때와 없을 때로 다시 더 나눕니다.

  즉, 전기를 공급하는 매우 짧은 시간 폭을 마음대로 제어 가능하게 합니다.

이러한 포트에 LED를 연결하면 우리 눈의 잔상으로 인하여 짧은 시간 전기 공급이 안되는 것은

눈으로 구분이 안되고 LED 불이 여러단계의 밝기로 달라지는 것으로 느껴 아날로그 출력 효과가 나타나게 됩니다

전기회로에 흐르는 전류량은 전원의 전류 용량이 결정할까요 아니면 연결된 부하가 결정할까요 ? 

전기회로에는 전기를 공급하는 전원과 전기를 받아 소비하는 부하로 크게 구분합니다

전원에서도 전류량을 얘기하고 부하에서도 전류량을 말하는데 조금 의미가 다른데 가끔 이 부분이 헤깔립니다

이해를 돕는 차원에서 한번 정리해 드립니다. 도움이 되시길 바랍니다...

1) 전기 회로 전체에 흐르는 전류량의 결정은 부하가 합니다.

한국전력에서 각 가정마다 계량기를 달아 전기사용량을 측정하고 전기요금을 메기는 것과 같습니다

전기소비량은 각 세대의 구성원이 얼마나 쓰고 절약하느냐에 달려 있습니다

옴의 법칙을 적용하면 회로에 공급되는 전류량을 쉽게 계산 가능합니다

전류=전압/저항 이므로 공금 전압이 일정할 떄 전류량은 부하의 저항 크기가 결정함을 알 수 있습니다.

전기에너지 소비는 각 세대의 결정사항이니 한전이 이래라 저래라 할 수는 없습니다

여름철 과부하로 인해 가끔 정전사고가 나는 이유지요.....

2)전원의 공급능력

우리가 사용하는 전원은 무한정 전기를 공급할 수는 없습니다. 그럼 전원에서 말하는 전류량은 무엇일까요 ?

옴의 법칙을 보면 전류=전압/저항이므로 부하의 저항이 작을수록 매우 큰 전류가 흐르게되는데 실제 전원은

공급 한계가 있으므로 공급전류용량이란 공급전압이 유지되면서 충분히 안정적으로 밀어줄 수 있는 전원의

전류 공급 능력을 의미합니다. 

부하의 저항이 수시로 변동하는 동작 조건에서 적은 전류량을 사용할 때는 문제가 없지만

부하의 저항이 줄어들어 전류를 많이 소비할 때는 전원의 공급능력을 잘 보며 과부하 전류가 흐르지 않도록 유의해야 합니다. 

과부하 상태가되면 전원이 뜨거워지고 전압도 뚝 떨어집니다.  사람도 일을하다 과부하가 걸리면 힘을 못쓰고 맥이 쭈욱 빠지듯이 말입니다~ 

자칫 전원의 전기 공급 능력이 전원에서 부하와 무관하게 전원이 주도적으로 흘려주는 전류 크기로 오해하시면 안됩니다....

전류소비량 결정 측면에서 전원 공급부는 수동적인 입장입니다~

피지컬 컴퓨팅을 하며 전기회로를 만들고 코딩하려면 기초전기회로이해가 필요한데요 조금이나마 도움이 되셨으면 합니다~

아두이노 회로가  동작이  안되요 ...원인찾는방법  9고개 넘기 

아두이노와 전기전자 회로를 처음 접하시는 선생님들이 회로를 만들고 코딩으로 제어하려고 해보면

 실제 많은 문제와 시행착오를 경험하는데요

 제 나름대로 몇가지 해법을 두서 없이 정리 해 보겠습니다. 

1)사용부품의 기능과 연결 사용법을 충분히 이해하시고 제작하세요.
스위치, 반도체, 전자센서모듈 모두 제작전 공부하세요

2)모든 연결선의 상태를 미리 확인할 것. 한번이라도 의심스러운 연결선은 과감히 버립니다. 연결선은 이제 소모품으로 생각하세요!!

3)교육용 회로시험기로 제작한 회로의 연결 상태를 확인할 것. 이러한 도통시험의 경우 아두이노에 절대 전원공급은 하지 않아요
또한 도통시험구간에 부품을 포함하면 안됩니다. 언결선 구간만 해당!!

4)아두이노에 전원을 인가하여 5볼트가 예상대로 모든 회로의 전원공급선에 걸려 있는지 회로시험기로 확인 합니다. 매우 중요!!

5)사전에 코딩 동작 포함하여 전체 회로의 정상동작 결과를 알고 있어야 판단 기준이 됩니다.

 특히 코딩으로 제어하는 경우 프로그램 동작시 제어 과정에서 회로 동작상태가 수시로 변경되니 필요시 간이시험코딩도 별도로 만드셔야 합니다.

6)정확한 부품이 사용되고 있는지 재확인합니다. 전자부품 레벨로 회로를 만드는 경우 부품의 겉모양이 동일하나 기능이 전혀 다른 경우가 있거든요

7)부품이 망가진 것을 사용 할수도 있으니 상기 시험과정중 의심이 나는 부품부터 정상품과 교환하며 동작 비교 확인 시험을 합니다

8)브레드보드는 잠시 착시 현상을 느낄수 있어요. 반드시 수평 5홀에 연결된 다리만 연결됩니다를 항상 머리에서 되새김하세요

9)극성이 있는 부품은 연결시 유의 합니다. 무극성의 부품도 오른쪽 다리와 왼쪽 다리를 구분 하셔야 합니다. 아니면 다른 회로로 연결이 되는 경우가 있거든요(중요!!)

이상 9고개를 넘다보면 어느새 원인이 발견됩니다. 아이들이 문제해결능력을 키우는데 과학적인 지식과 논리적사고를 키우는데

이러한 과정이 도움이 될 것이니 아두이노 수업이 좀 익숙해지면 간단한 원인분석부터 직접해보도록 권유해보세요

한번 성공시키면 우리 아이들 눈빛이 달리지고 갑자기 어른스러워집니다. 수업 참여도도 급 상승이죠...

 

전압은 걸리고, 전류는 흐르고, 전력은 소비하고라고....표현해요 

전기전자 전공을 하지 않으신 선생님들과 기초회로이론을 공부하다보면 표현에 잠시 혼동이 생기곤합니다

보다 정확한 대화와 아이들 교육을 위하여 오늘부터는요.....

1) 전압은 걸린다고 표현해주세요

저항에 전기를 공급할 때 전원공급장치에서 나온 전압은 온전히 저항 양다리 사이에서 전류가 저항를 통과하도록 하는데 몽땅 사용됩니다. 

외부 전원에서 공급된 모든 힘9전기력)은 저항 양단에 나타나며 이것으로 저항내부로 전류가 흐므르로

전류를 흐르게하는 힘  곧 전압은 저항에 걸린다라고 표현하는게 좋을 듯합니다

크기가 다른 저항이 2개가 직렬 연결되어 있는 경우 전압은 저항이 큰 쪽에 많이 걸리는데 이유는

마치 시냇물이 흐르 때 앞에있는 큰 바위가 뒤에 있는 조약돌보다 물의 흐름을 방해하는

정도가 크기 때에 바위나 조약돌에 흐르는 시냇물의 양이 동일하다면 큰 바위에서 보다 세차게 힘을 가해야 겠죠

조약돌이 앞에 있고 바위가 뒤에있는 경우도 같은 물의 양이 흐른다면 물이 제법 순탄하게 조약돌을 통과해도

결국 큰 바윗돌을 통과하려면 다시 압력을 받을 수 밖에 없습니다. 

결국 위치와는 무관하게 큰 저항에 많은 전압이 걸리게됩니다

2) 전류는 흐른다 라고 표현해 주세요

전압에 의하여 전기력에 의한 전자가 움직이면 전류가  흐른다고  말합니다. 전자가 많이 움직일수록 전류량은 증가합니다

전류는 시간당 전자가 가지고 있는 전하량이 얼마나 흘러가는지로 결정하므로 전류는 흐른다고 표현합니다

3) 전력은 사용한다라고 표현해 주세요

전력은 전압과 전류를 곱한 값으로 전하를 움직에게 하는 힘과 그로 인한 전하량을 곱한 에너지입니다

따라서 에너지인 전력은 사용합니다 또는 소비합니다라고 표현하는 것이 좋을 것 같아요~~

아두이노 아날로그 포트에 5V를 연결하면 S4A 센서보드에서 1023이라고 표현합니다.  왜 그렇죠 선생님 ? 

아날로그 센서가 감지한 물리량이 전압 형태로 아두이노 입력 포트에 들어오면 스케치에서 0~1023으로 표한합니다.

 왜 그럴까요? 1023볼트는 아닐꺼고 도대체 이 숫자는 뭘 의미할까요 ? 이 물리량의 단위는 뭘까요 ?

입력포트의 아날로그 신호는 디지털 10자리로 처리하는 CPU내부의 변환 장치에 의하여 디지털 신호로 나타납니다.
즉 입력이 5볼트라면 11 1111 1111디지털 신호 즉 이진수로 나타나고 아두이노 USB 통신포트를 통하여 pc의 스케치로 전달 됩니다.

스케치가 이러한 디지털 신호를 그대로 모니터에 보여주면 십진수에 익숙한 우리 인간에게는 매우 불편 합니다.

 따라서 받은 이진수 11 1111 1111을 십진수로 다시 변환하여 1023이라고 화면에 보여준답니다.
따라서 1023은 전압 정보를 가진 데이터이지 그 자체를 어떤 물리 차원으로 해석하면 안됩니다.

 

능동형과 수동형 부품 구분하기 

아두이노 센서 모듈 이름을 보다보면 능동형이다 수동형이다라는 표현이 있는데요 선생님들이 좀 혼란스러워 하시는 부분이라 잠깐 살펴 보고 가겠습니다.

결론적으로 능동형은 스스로 하는 것이고 수동형은 외부의 도움을 받아(외부의 영향에 의하여) 움직이는 구조입니다.

1. 능동부저와 수동부저

능동부저는 전원만 넣으면 스스로 삐~이~ 합니다. 전원을 받으면 자체적으로  전기 진동을 만드는 회로와 스피커가 들어 있답니다.

 능동적이죠. 삐소리도 지기 고유의 진동  소리만 내요~~
반면, 수동부저는 외부에서 전기 진동을 넣어 주어야 소리가 납니다. 외부 진동따라 소리가 변하죠. 수동적이죠.

자체적으로 내는 소리는 없죠

2. 능동 적외선 감지와 수동 적외선(인체감지)감지

능동 적외선 센서 모듈내에 적외선을 발생시키고 외부 장애물에 반사되어 돌아오는 적외선을 받는 구조입니다.

 능동적이죠. 라인 트레이서나 접근센서등에 이용합니다.

수동 적외선은 스스로 적외선을 만들지 못하고 외부 적외선을 받아 감지 합니다.

 수동적이죠. PIR 인체감지센서가 대표적입니다.

3. 반도체와 저항/코일/콘덴서

반도체 부품은 고유의 전압 전류 특성이 있습니다. 반도체 별로 전압에 따른 전류 특성을 스스로 결정합니다.

반면 저항 콘덴서 코일등은 옴의 법칙에 따라 전압 전류가 결정되는 수동적 결과로 나타납니다.

 그래서 수동소자라고 합니다.

수업에 참고되시길...