LED 회로 설계

밸런싱 로봇 회로에는 총 5개의 LED가 있다.

 

MCU 전원 확인용 LED 

MPU6050 전원 확인용 LED 

L293D 전원 확인용 LED

ESP32에 연결될 예정인 통신 확인용 LED  (User LED)

그냥 PA5번 포트에 달아놓은 예비용 LED (User LED)

 

전원 확인용 LED는 전부 RED LED를 사용했으며 

통신 확인용 LED는 BLUE 

예비용 LED는 GREEN을 사용한다.

 

총 세 가지 종류의 LED(R, G, B)을 사용하며 규격은 전부 0805로 규정했다. 

 

아래는 이번에 사용한 LED들의 전기적 특성을 표로 나타낸 것이다.

항목	설명	RED	GREEN	BLUE
IF(Forward Currnet)	순방향 전류, 이 이상 전류가 흐르면 안됨	25mA	30mA	20mA
VF(Forward Voltage)	순방향 전압 강하	1.6~2.6v (2.0 typ)	1.9~2.4V	2.8~3.8V

 

 

 

1. MCU 전원 확인용 LED (D6)

MCU 전원 확인용 LED (D6)

회로도를 보면 그냥 3.3V가 인가되면 LED가 ON 되는 간단한 회로다. 해당 LED의 on/off를 통해 mcu에 전원 공급 여부를 확인할 수 있다.

 

 

LED 부품 선택 

NCD0805R1 | Foshan NationStar Optoelectronics | LED Indication - Discrete | JLCPCB

 

다음과 같은 부품을 선택했으며 해당 led는 스펙은 아래와 같다.

IF(Forward Current)	25mA
VF(Forward Voltage)	1.6~2.6v (2.0 typ)

 

위의 전기적 특성을 이용해 해당 led에 사용할 저항을 구하도록 하자.

 

Forward Current는 25mA이지만 여러 요인으로 인해 설계했던 전류보다 높은 전류가 흐를 수도 있으니 저항을 통해 15mA보다 낮은 전류가 흐르도록 설게 했다. 

 

옴의 법칙인 V=IR를 이용해 다음과 같이 식을 세웠다.

분자에 해당되는 3.3 - VF는 LED가 아닌 저항에 걸리는 전압을 의미한다.  

 

15mA보다는 작게 흐르게 하되, 전류 I가 가장 크게 걸리게 하려면 VF가 최소가 될 때이므로 Forward voltage를 최솟값인 1.6V으로 정해서 계산하면 아래와 같다.

 

저항 R은 113보다 이상이면 된다. 하지만 113옴 R은 시장에 재고가 없음으로 구하기 쉬운 180옴 저항으로 대체했다.

 

180옴 저항 사용 시 9mA의 전류가 흐르게 되지만 밝기의 정도는 중요하지 않음으로 대략적으로 사용한다.

 

이제 180옴 저항에서 소비되는 전력을 알아보자 

 

P = IV 공식을 이용해서 구하면 된다. 

 

다음과 같이 저항에서 소비하는 전력은 15wA이다.

 

 

저항 부품 선택 

저항은 180옴이면서 15wA 이상의 전력소모량을 감당할 수 있는 저항을 선택하면 된다.

0603WAF1800T5E | UNI-ROYAL(Uniroyal Elec) | Chip Resistor - Surface Mount | JLCPCB

다음과 같은 저항을 사용했다. 180옴과 100mW의 정격 전력이라 충분하다고 판단했다.

 

 

2. MPU6050 전원 확인용 LED (D2)

MPU6050 전원 확인용 LED  (D2)

보면 알겠지만 회로가 위에 MCU LED랑 똑같아서 똑같은 LED에 똑같은 저항을 사용했다.

 

 

 

3. L293D 전원 확인용 LED (D1)

L293D 전원 확인용 LED (D1)

 

이번에는 3.3V가 아닌 5V가 공급되므로 저항에 대한 선택이 달라져야 한다.

 

LED는 위에서 사용했던 LED와 같은 부품을 선택했다.

 

같은 조건으로 15mA보다 낮은 전류가 흐르게끔 설계했다.

 

최종적으로 240옴의 저항을 선택했으며 이를 토대로 led에 흐르는 전류는 계산하면 14mA인 것을 알 수 있다.

 

 

전력은 다음과 같이 48mW 정도가 나온다

 

저항 부품 선택 

저항은 240옴이면서 48wA 이상의 전력소모량을 감당할 수 있는 저항을 선택하면 된다.

지금 생각해 보면 어댑터가 아닌 배터리로 공급하는 회로인 만큼 좀 더 큰 저항을 사용해 소비전력을 낮추는 것이 더 좋았을 선택이었던 것 같다. 딱히 led 밝기가 중요한 것도 아니니..

 

 

 

4. ESP32 통신 확인용 (D3)

ESP32에 연결 될 예정인 통신 확인용 LED  (D3)

3.3V가 인가되는 간단한 회로이다. 차이점은 led 색상이 red가 아닌 blue를 사용한다는 것이다.

일반적으로 파란색 빛을 내뿜는 만큼(==붉은색보다 파장이 짧고, 에너지가 높다) 높은 VF가 요구될 것임을 예측할 수 있다.

 

sink current로 설계했으며 이는 mcu 내부 전류가 아닌 외부 전류를 사용하므로 mcu 부하가 낮다. 

한 가지 조심해야 할 점은 mcu의 gpio 정격 sink 전류 내에서 동작해야 한다. 

 

esp32의 최대 정격(Absolute Maximum Rating) 전류는 40mA이다. 

 

LED 부품 선택

LTST-C170TBKT | Lite-On | LED Indication - Discrete | JLCPCB

다음과 같은 부품을 선택했으며 해당 led는 스펙은 아래와 같다.

IF(Forward Current)	20mA
VF(Forward Voltage)	2.8~3.8V

LED의 IF가 esp32의 최대 sink current보다 낮음으로 20mA전류를 기준으로 저항을 정하면 된다.

 

위에서 했던 대로 15mA보다 낮게 계산했다.

33옴 저항을 선택했으며 이를 토대로 계산하면 15mA의 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다.

 

소비전력은 7.5mW이다.

 

저항 부품 선택 

0603WAF330JT5E | UNI-ROYAL(Uniroyal Elec) | Chip Resistor - Surface Mount | JLCPCB

 

 

 

5. 예비 LED (D8)

PA5번 포트에 달아놓은 예비용 LED (D8)

예비용으로 PA5번 포트에 연결해 둔 led이며 어디에 쓸지는 모르겠지만 아마 mpu6050과 통신 상태를 확인하는 데 사용될 것 같다. 

 

일부로 source current로 설계했는데 그냥 경험 삼아해 봤다.

 

stm32f103의 gpio가 낼 수 있는 최대 output current는 25mA이니 문제없을것이다.

 

 

LED 부품 선택

다음과 같은 부품을 선택했으며 해당 led는 스펙은 아래와 같다.

IF(Forward Current)	30mA
VF(Forward Voltage)	1.9~2.4V

 

 

똑같이 15mA보다는 낮게 흐르도록 저항을 계산했다

 

100옴의 저항을 사용하기로 정했으며 이때 흐르는 전류는 14mA가 된다.

 

 

소비전력은

P = VI = (3.3V- 1.9V)(14mA) = 20mW

20mW이다.

 

 

저항 부품 선택 

0603WAF330JT5E | UNI-ROYAL(Uniroyal Elec) | Chip Resistor - Surface Mount | JLCPCB