[IOT-001][입문] 전압·전류·디지털 신호 처음 이해하기
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[이번 수업]
IoT 장치는 센서 값을 읽고 LED나 모터 같은 부품을 제어합니다. 그 출발점인 전압, 전류, 저항과 디지털 신호의 HIGH·LOW를 안전하게 구분해 봅니다. 실제 회로를 연결하지 않고 Python 계산으로 관계를 확인하므로 전자 부품이 없어도 따라 할 수 있습니다.
[선수지식]
곱셈과 나눗셈을 할 수 있고 터미널에서 Python 파일을 실행할 수 있으면 충분합니다. 가정용 전기나 실제 보드 배선 지식은 필요하지 않습니다.
[학습목표]
1. 전압·전류·저항의 뜻과 단위를 설명한다.
2. 단순 저항에서 옴의 법칙으로 전류를 계산한다.
3. 디지털 입력의 LOW·HIGH가 전압 범위의 해석임을 이해한다.
[핵심개념]
전압은 두 지점 사이의 전기적 위치 차이이며 단위는 볼트(V)입니다. 전류는 전하가 흐르는 빠르기이며 단위는 암페어(A)입니다. NIST는 1 A를 1초에 1쿨롬의 전하가 한 지점을 지나는 전류로 설명합니다. 저항은 전류 흐름을 방해하는 정도이고 단위는 옴(Ω)입니다.
단순한 저항성 부품에서는 옴의 법칙 V = I × R을 사용합니다. 따라서 전류 I는 V ÷ R입니다. 예를 들어 3.3 V를 330 Ω 저항 하나에 걸었다고 가정하면 3.3 ÷ 330 = 0.01 A, 즉 10 mA입니다. mA(밀리암페어)는 1 A의 1,000분의 1입니다. 실제 LED 회로에서는 LED 자체의 전압 강하도 빼야 하므로 이 계산을 그대로 배선 설계에 사용하면 안 됩니다.
디지털 신호는 연속적인 전압을 장치가 두 논리 상태로 해석한 것입니다. 흔히 LOW를 0, HIGH를 1로 표현하지만 입력이 정확히 0 V 또는 공급 전압이어야만 한다는 뜻은 아닙니다. 어느 범위를 LOW와 HIGH로 인정하는지, 그 사이의 불확정 구간이 어디인지는 보드와 칩의 데이터시트가 정합니다. 3.3 V 장치와 5 V 장치를 무심코 연결하면 입력 허용치를 넘을 수 있습니다.
GPIO(General-Purpose Input/Output, 범용 입출력 핀)는 프로그램으로 입력 또는 출력을 정하는 핀입니다. 입력은 외부 전압 상태를 읽고, 출력은 LOW나 HIGH를 내보냅니다. 두 장치가 신호를 주고받으려면 같은 기준 전위를 이해하도록 접지(GND)를 적절히 공유해야 합니다. 단, GPIO는 큰 전류를 공급하는 전원 단자가 아닙니다. 모터처럼 전류가 큰 부하는 드라이버 회로와 별도 전원이 필요합니다.
[따라하기]
아래를 signal_basics.py로 저장합니다. 2.0 V 기준은 설명을 위한 가상 장치의 값이며 실제 핀 기준이 아닙니다.
supply_v = 3.3
resistance_ohm = 330.0
current_a = supply_v / resistance_ohm
samples_v = [0.1, 3.2, 0.2, 3.1]
example_high_min_v = 2.0
states = [
"HIGH" if value >= example_high_min_v else "LOW"
for value in samples_v
]
print(f"resistor current: {current_a * 1000:.1f} mA")
print("logic:", " ".join(states))
Windows에서는 py signal_basics.py, macOS와 Linux에서는 python3 signal_basics.py를 실행합니다. 예상 결과는 다음과 같습니다.
resistor current: 10.0 mA
logic: LOW HIGH LOW HIGH
첫 줄은 A를 mA로 바꾸기 위해 1,000을 곱했습니다. 둘째 줄은 각 표본 전압을 예제 기준과 비교한 결과입니다. 실제 장치를 읽을 때는 임의의 기준을 만들지 말고 제조사의 전기적 특성을 확인해야 합니다.
[흔한 실수]
전압과 전류를 같은 양처럼 말하거나 단위를 생략하지 마세요. 디지털 1을 모든 보드에서 5 V라고 가정해서도 안 됩니다. 출력 핀 두 개를 서로 반대 상태로 직접 연결하거나, LED에 전류 제한 없이 전원을 연결하는 행동도 부품을 손상시킬 수 있습니다. 회로가 끊긴 입력은 값이 떠서 불안정할 수 있으므로 실제 설계에서는 풀업·풀다운 저항을 검토합니다.
[보안 주의]
이번 실습은 계산만 수행하며 실제 전원에 연결하지 않습니다. 가정용 교류 전원, 배터리 팩, 충전 회로는 감전·화재 위험이 있으므로 초보 실습 대상에서 제외합니다. 하드웨어를 다룰 때는 정확한 보드 모델의 데이터시트에서 입력 전압과 핀 전류 한계를 확인하고 전원을 끈 상태에서 배선을 점검하세요. IoT 장치의 원격 제어 기능에는 인증과 권한 검사를 적용해 타인이 출력 핀을 조작하지 못하게 해야 합니다.
[직접 해볼 과제]
supply_v를 5.0, resistance_ohm을 1000.0으로 바꾸고 예상 전류를 먼저 손으로 계산한 뒤 실행 결과와 비교하세요. samples_v에 1.9와 2.1을 추가해 가상 기준 앞뒤에서 상태가 어떻게 달라지는지 기록합니다. 이 숫자를 실제 보드의 허용치로 사용해서는 안 되는 이유도 한 문장으로 적으세요.
[확인문제]
1. 전압·전류·저항의 SI 단위는 각각 무엇인가요?
2. 디지털 HIGH가 모든 장치에서 항상 5 V가 아닌 이유는 무엇인가요?
3. GPIO 핀으로 모터를 직접 구동하면 안 되는 이유는 무엇인가요?
[다음 학습]
001번 순환을 마쳤습니다. 다음 수업은 CORE-002 ‘0과 1, 비트·바이트·진법’입니다. IoT 트랙에서는 IOT-002 ‘마이크로컨트롤러와 싱글보드 컴퓨터’로 이어집니다.
[공식 참고 자료]
BIPM SI Brochure
https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure
NIST SI Units: Electric Current
https://www.nist.gov/pml/owm/si-units-electric-current
Arduino Digital Pins
https://docs.arduino.cc/learn/microcontrollers/digital-pins/
IoT 장치는 센서 값을 읽고 LED나 모터 같은 부품을 제어합니다. 그 출발점인 전압, 전류, 저항과 디지털 신호의 HIGH·LOW를 안전하게 구분해 봅니다. 실제 회로를 연결하지 않고 Python 계산으로 관계를 확인하므로 전자 부품이 없어도 따라 할 수 있습니다.
[선수지식]
곱셈과 나눗셈을 할 수 있고 터미널에서 Python 파일을 실행할 수 있으면 충분합니다. 가정용 전기나 실제 보드 배선 지식은 필요하지 않습니다.
[학습목표]
1. 전압·전류·저항의 뜻과 단위를 설명한다.
2. 단순 저항에서 옴의 법칙으로 전류를 계산한다.
3. 디지털 입력의 LOW·HIGH가 전압 범위의 해석임을 이해한다.
[핵심개념]
전압은 두 지점 사이의 전기적 위치 차이이며 단위는 볼트(V)입니다. 전류는 전하가 흐르는 빠르기이며 단위는 암페어(A)입니다. NIST는 1 A를 1초에 1쿨롬의 전하가 한 지점을 지나는 전류로 설명합니다. 저항은 전류 흐름을 방해하는 정도이고 단위는 옴(Ω)입니다.
단순한 저항성 부품에서는 옴의 법칙 V = I × R을 사용합니다. 따라서 전류 I는 V ÷ R입니다. 예를 들어 3.3 V를 330 Ω 저항 하나에 걸었다고 가정하면 3.3 ÷ 330 = 0.01 A, 즉 10 mA입니다. mA(밀리암페어)는 1 A의 1,000분의 1입니다. 실제 LED 회로에서는 LED 자체의 전압 강하도 빼야 하므로 이 계산을 그대로 배선 설계에 사용하면 안 됩니다.
디지털 신호는 연속적인 전압을 장치가 두 논리 상태로 해석한 것입니다. 흔히 LOW를 0, HIGH를 1로 표현하지만 입력이 정확히 0 V 또는 공급 전압이어야만 한다는 뜻은 아닙니다. 어느 범위를 LOW와 HIGH로 인정하는지, 그 사이의 불확정 구간이 어디인지는 보드와 칩의 데이터시트가 정합니다. 3.3 V 장치와 5 V 장치를 무심코 연결하면 입력 허용치를 넘을 수 있습니다.
GPIO(General-Purpose Input/Output, 범용 입출력 핀)는 프로그램으로 입력 또는 출력을 정하는 핀입니다. 입력은 외부 전압 상태를 읽고, 출력은 LOW나 HIGH를 내보냅니다. 두 장치가 신호를 주고받으려면 같은 기준 전위를 이해하도록 접지(GND)를 적절히 공유해야 합니다. 단, GPIO는 큰 전류를 공급하는 전원 단자가 아닙니다. 모터처럼 전류가 큰 부하는 드라이버 회로와 별도 전원이 필요합니다.
[따라하기]
아래를 signal_basics.py로 저장합니다. 2.0 V 기준은 설명을 위한 가상 장치의 값이며 실제 핀 기준이 아닙니다.
supply_v = 3.3
resistance_ohm = 330.0
current_a = supply_v / resistance_ohm
samples_v = [0.1, 3.2, 0.2, 3.1]
example_high_min_v = 2.0
states = [
"HIGH" if value >= example_high_min_v else "LOW"
for value in samples_v
]
print(f"resistor current: {current_a * 1000:.1f} mA")
print("logic:", " ".join(states))
Windows에서는 py signal_basics.py, macOS와 Linux에서는 python3 signal_basics.py를 실행합니다. 예상 결과는 다음과 같습니다.
resistor current: 10.0 mA
logic: LOW HIGH LOW HIGH
첫 줄은 A를 mA로 바꾸기 위해 1,000을 곱했습니다. 둘째 줄은 각 표본 전압을 예제 기준과 비교한 결과입니다. 실제 장치를 읽을 때는 임의의 기준을 만들지 말고 제조사의 전기적 특성을 확인해야 합니다.
[흔한 실수]
전압과 전류를 같은 양처럼 말하거나 단위를 생략하지 마세요. 디지털 1을 모든 보드에서 5 V라고 가정해서도 안 됩니다. 출력 핀 두 개를 서로 반대 상태로 직접 연결하거나, LED에 전류 제한 없이 전원을 연결하는 행동도 부품을 손상시킬 수 있습니다. 회로가 끊긴 입력은 값이 떠서 불안정할 수 있으므로 실제 설계에서는 풀업·풀다운 저항을 검토합니다.
[보안 주의]
이번 실습은 계산만 수행하며 실제 전원에 연결하지 않습니다. 가정용 교류 전원, 배터리 팩, 충전 회로는 감전·화재 위험이 있으므로 초보 실습 대상에서 제외합니다. 하드웨어를 다룰 때는 정확한 보드 모델의 데이터시트에서 입력 전압과 핀 전류 한계를 확인하고 전원을 끈 상태에서 배선을 점검하세요. IoT 장치의 원격 제어 기능에는 인증과 권한 검사를 적용해 타인이 출력 핀을 조작하지 못하게 해야 합니다.
[직접 해볼 과제]
supply_v를 5.0, resistance_ohm을 1000.0으로 바꾸고 예상 전류를 먼저 손으로 계산한 뒤 실행 결과와 비교하세요. samples_v에 1.9와 2.1을 추가해 가상 기준 앞뒤에서 상태가 어떻게 달라지는지 기록합니다. 이 숫자를 실제 보드의 허용치로 사용해서는 안 되는 이유도 한 문장으로 적으세요.
[확인문제]
1. 전압·전류·저항의 SI 단위는 각각 무엇인가요?
2. 디지털 HIGH가 모든 장치에서 항상 5 V가 아닌 이유는 무엇인가요?
3. GPIO 핀으로 모터를 직접 구동하면 안 되는 이유는 무엇인가요?
[다음 학습]
001번 순환을 마쳤습니다. 다음 수업은 CORE-002 ‘0과 1, 비트·바이트·진법’입니다. IoT 트랙에서는 IOT-002 ‘마이크로컨트롤러와 싱글보드 컴퓨터’로 이어집니다.
[공식 참고 자료]
BIPM SI Brochure
https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure
NIST SI Units: Electric Current
https://www.nist.gov/pml/owm/si-units-electric-current
Arduino Digital Pins
https://docs.arduino.cc/learn/microcontrollers/digital-pins/
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