아두이노 나노 PC817 옵토커플러: 12V/24V DC 입력 신호 모니터링

준비물

위의 모듈 항목들은 구매 목록이 아니라 선택지입니다. 감시하려는 신호의 전압에 맞는 모듈 하나만 구매하세요.

PC817 옵토커플러 모듈에 대하여

PC817은 4핀 옵토커플러로, 포토커플러 또는 광절연기라고도 불립니다. 플라스틱 몸체 안에는 적외선 LED가 절연 간극을 사이에 두고 포토트랜지스터와 마주 보고 있습니다. LED에 전류가 흐르면 그 빛이 트랜지스터를 켜므로, 신호가 전기가 아닌 빛으로 건너갑니다. 바로 이것이 양쪽이 전기적으로 분리된 상태를 유지하는 이유입니다. 한쪽에서 다른 쪽으로 전기가 통하는 것은 아무것도 없습니다.

PC817 옵토커플러 모듈은 이 칩을 LED에 필요한 직렬 저항, 상태 LED, 현장 배선용 나사 단자, 보드용 헤더와 함께 작은 PCB에 올린 것입니다. 아두이노 나노의 입장에서는 12V나 24V 라인을 일반 디지털 입력처럼 감지할 수 있으면서도, 나노 자신의 5V 영역은 그대로 유지되고, 납땜하거나 계산할 것도 전혀 없다는 뜻입니다.

어떤 PC817 옵토커플러 모듈이 필요할까요?

주문하기 전에 반드시 내려야 하는 단 한 가지 결정입니다. 모듈의 직렬 저항은 이미 장착되어 있고 하나의 입력 전압에 맞게 정해져 있기 때문입니다. 그래서 모듈은 세 가지 종류로 따로 판매되며, 서로 바꿔 쓸 수 없습니다:

• 12V 옵토커플러 모듈 - 이 튜토리얼 전체에서 사용하는 모듈입니다. 점화 전원, 헤드라이트 회로, 도어 스위치 라인, 12V 릴레이 코일, 그리고 자동차나 오토바이 배터리로 동작하는 모든 것에 적합합니다.
• 24V 옵토커플러 모듈 - 24V DC 신호용입니다. 기계 캐비닛 안의 접촉기나 솔레노이드 코일, PLC 출력, 트럭이나 버스의 전기 시스템에 사용합니다.
• 3-5V 옵토커플러 모듈 - 3.3V와 5V 모두를 포함한 로직 레벨 신호용입니다. 높은 전압을 견디는 것이 아니라 두 보드 사이의 접지 루프를 끊는 것이 목적일 때 구매하는 모듈입니다.

각 종류는 1, 2, 4, 8채널 버전으로도 판매되므로, 대시보드 뒤에 숨긴 나노 하나가 작은 PCB 한 장으로 여러 라인을 감시할 수 있습니다. 단, 그 PCB의 모든 라인이 모듈의 전압으로 동작해야 합니다.

사양

세 가지 모듈 모두의 핵심인 PC817 칩의 수치는 다음과 같습니다:

PC817 옵토커플러 모듈 핀아웃

단일 채널 모듈에는 절연된 입력 쪽에 나사 단자 두 개가 있고, 아두이노 나노 쪽에 3핀 헤더가 있습니다.

• IN+ (또는 +) 단자: 입력 쪽의 양극입니다. 12V 또는 24V 신호를 이 단자에 연결해야 합니다. 여기에는 직렬 저항을 추가하지 않습니다. 모듈에 이미 해당 종류에 맞는 저항이 들어 있습니다.
• IN- (또는 -) 단자: 입력 쪽의 음극입니다. 12V/24V 회로의 접지에 연결해야 하며, 아두이노 나노 GND에 연결하면 안 됩니다.
• VCC 핀: 아두이노 나노의 5V 핀에 연결해야 합니다.
• GND 핀: 아두이노 나노의 GND 핀에 연결해야 합니다.
• OUT 핀: 절연된 출력으로, 다채널 보드에서는 DO 또는 OUT1..OUTn이라고 표시됩니다. 아두이노 나노의 디지털 입력 핀에 연결해야 합니다.

아두이노 나노가 절연된 신호를 읽는 방법

모듈의 OUT 핀은 내부 풀업으로 설정된 아두이노 나노의 디지털 입력 핀에 연결됩니다. 5V에 외부 10 kΩ 저항을 연결해도 같은 역할을 하지만, 내부 풀업이 더 간단하고 비용도 들지 않습니다. 아두이노 나노 - 버튼 튜토리얼에서 사용한 것과 같은 방법입니다.

모듈 내부에서 포토트랜지스터는 그 핀과 접지 사이에 있습니다. 외부 신호가 입력 LED를 켜면, 트랜지스터가 도통하여 풀업에 맞서 핀을 LOW로 끌어내립니다:

따라서 핀이 LOW이면 외부 신호가 있다는 뜻입니다. 이는 대부분의 초보자가 예상하는 것과 반대이므로, 코드에서 반전해야 합니다. 포토트랜지스터를 핀에 직접 연결한 경우에는 이것이 물리적으로 정해져 있으며, 단품 칩이 바로 이렇게 동작합니다. 하지만 모듈에는 변형이 있을 수 있어서, 다음 섹션으로 이어집니다.

PC817 옵토커플러 모듈: 액티브 HIGH일까요, 액티브 LOW일까요?

위의 표는 포토트랜지스터 자체의 동작을 설명합니다. 많은 모듈이 그대로 두지만, 일부 제조사는 보드에 반전 단을 추가하여 OUT 핀이 입력을 그대로 따라가게, 즉 신호가 있을 때 HIGH를 읽도록 만듭니다. 두 종류 모두 같은 제품 사진으로 판매되며, 판매 페이지를 아무리 읽어도 알 수 없습니다. 확실한 방법은 1분만 투자해서 직접 모듈을 측정해 보는 것입니다:

• 아래와 같이 모듈을 아두이노 나노에 배선하고, 이 튜토리얼의 스케치를 업로드한 다음, 시리얼 모니터를 엽니다.
• IN+와 IN- 단자에 아무것도 연결하지 않은 상태에서 출력 내용을 기록합니다.
• 이제 그 단자에 12V 또는 24V 신호를 가하고 무엇이 바뀌는지 기록합니다.
• 신호가 있을 때 나타나는 값이 모듈의 액티브 레벨입니다. 그 값이 LOW이면 액티브 LOW 모듈이고, HIGH이면 액티브 HIGH 모듈입니다.
• 모듈의 상태 LED로 한 번 더 확인하세요. 이 LED는 입력 쪽에서 구동되므로, 입력 단자에 전원이 공급될 때마다 켜집니다. LED가 켜져 있는데 시리얼 모니터에 여전히 OFF가 표시된다면, 배선이 아니라 극성 설정이 반대로 된 것입니다.

고치는 방법은 한 곳만 수정하면 됩니다. 스케치는 코드 윗부분의 상수 하나로 극성을 관리합니다:

더 흔한 종류이자 여기서의 기본값인 액티브 LOW 모듈이라면 true로 두고, 액티브 HIGH 모듈이라면 false로 바꾸세요. 코드의 다른 부분은 건드릴 필요가 없습니다.

대신 PC817 단품 칩으로 만들기

4핀 칩을 직접 만능 기판에 납땜하고 싶다면, 위의 내용이 모두 그대로 적용됩니다. 다만 이번에는 직렬 저항을 직접 달아야 합니다.

1번 핀은 점이나 홈에 가장 가까운 핀입니다. 1번 핀 - 애노드(A)와 2번 핀 - 캐소드(K)가 입력 쪽을 이룹니다. 신호는 직렬 저항을 거쳐 1번 핀에 연결하고, 2번 핀은 그 회로의 접지에 연결해야 합니다. 4번 핀 - 컬렉터(C)는 아두이노 나노 입력 핀에, 3번 핀 - 이미터(E)는 아두이노 나노 GND에 연결해야 합니다. 여기서도 같은 규칙이 적용됩니다. 2번 핀과 3번 핀은 절대 연결하면 안 됩니다.

저항 값은 순방향 전압이 약 1.2V인 내부 LED에 10mA가 흐르도록 R = (Vin - 1.2) / 0.01 식으로 구합니다:

24V 라인에 1 kΩ 저항을 그대로 두면 LED에 약 22.8mA가 흘러 PC817의 20mA 한계를 넘습니다. LED 혼자서 1.2V를 사용하므로 실질적인 하한은 3.3V입니다. 단품 칩은 항상 액티브 LOW이므로 MODULE_ACTIVE_LOW는 true로 둡니다.

선연결

PC817 옵토커플러 모듈을 아두이노 나노에 배선하기

12V 또는 24V 신호와 그 접지는 IN+와 IN- 나사 단자에 연결하고, VCC, GND, OUT 헤더 핀은 아두이노 나노의 5V, GND, 2번 핀에 연결합니다.

이 이미지는 Fritzing을 사용하여 만들어졌습니다. 이미지를 확대하려면 클릭하세요.

Arduino Nano와 기타 부품에 전원을 공급하는 가장 효과적인 방법은 다음 링크를 참조하세요: 아두이노 나노 전원 공급 방법.

PC817 단품 칩을 아두이노 나노에 배선하기

선택 사항인 단품 칩 회로에서는, 신호가 직렬 저항을 거쳐 1번 핀에 들어가고, 그 회로의 접지는 2번 핀으로 돌아옵니다. 반대쪽에서는 칩의 4번 핀이 아두이노 나노 2번 핀에, 칩의 3번 핀이 아두이노 나노 GND에 연결됩니다.

장치의 켜짐/꺼짐을 감시하기 위해 PC817을 장치와 병렬로 배선하기

위의 두 배선도는 신호가 편리한 한 쌍의 전선으로 주어진다고 가정합니다. 차량 안에서는 절대 그렇지 않습니다. 헤드라이트, 점화 전원, 도어 스위치 라인, 24V 접촉기 코일에는 읽을 수 있는 여분의 출력이 없으므로, 아두이노 나노가 장치 자체에서 신호를 따와야 합니다.

모듈 입력은 장치 양단에, 즉 장치와 병렬로 연결해야 합니다. 절대로 장치와 직렬로 연결하면 안 됩니다. 직렬로 연결하면 장치의 전체 동작 전류, 예를 들어 헤드라이트의 경우 4~5암페어가 PC817 내부의 작은 LED를 강제로 통과하게 되어, 회로를 켜는 순간 부품이 파손됩니다. 병렬로 연결하면 기존 배선에서 자르거나, 끊거나, 경로를 바꾸는 것이 전혀 없습니다. 이미 있는 단자에 전선 두 개만 추가하면 됩니다.

12V 모듈로 12V 헤드라이트 전원을 예로 들면:

• 램프의 스위칭되는 양극 단자를 모듈의 IN+ 나사 단자에 연결해야 합니다.
• 같은 램프의 음극(귀환) 단자를 IN- 나사 단자에 연결해야 합니다.
• 절연된 쪽은 바뀌는 것이 없습니다. OUT은 아두이노 나노 2번 핀에, VCC는 아두이노 나노 5V에, GND는 아두이노 나노 GND에 연결해야 합니다.

이 두 전선 어디에도 직렬 저항을 달지 않습니다. 라인에 맞는 종류를 구매하는 이유가 바로 그것입니다. 이 연결은 약 10mA를 소모합니다. 헤드라이트의 4~5A나 솔레노이드 코일의 수백 밀리암페어에 비하면 아무것도 아닙니다. 램프는 이전과 똑같이 동작하고, 측정은 읽기 전용으로 유지됩니다. 연결이 장치 양단에 직접 있기 때문에, 측정값은 장치에 보낸 명령이 아니라 장치의 실제 상태를 따라갑니다. 운전자가 스위치를 조작할 때나 바디 제어 릴레이가 스스로 닫힐 때 활성 상태가 되고, 램프를 켜라고 했는데 켜지지 않았을 때는 비활성 상태로 남습니다. 이렇게 작은 보드로 가동 시간 카운터, 유휴 시간 기록, "실제로 시작되었나?" 알림을 만들 수 있는 것은 이 덕분입니다.

솔직한 한계가 하나 있습니다. 이 방법은 장치에 전원이 공급되고 있다는 것을 알려 줄 뿐, 장치가 제 역할을 하고 있다는 것은 알려 주지 않습니다. 걸린 송풍기 모터나 권선이 끊어진 히터 소자도 단자 양단에는 전체 전압이 걸려 있으므로 여전히 ON으로 보고됩니다.

연결이 처음부터 제대로 동작할지는 다음 세 가지에 달려 있습니다:

• 극성. PC817의 입력 쪽은 LED이므로 한 방향으로만 전류가 흐릅니다. IN+와 IN-를 바꾸면 아무 일도 일어나지 않습니다. LED는 절대 켜지지 않고, 모듈의 상태 LED도 꺼진 채로 있으며, 아두이노 나노 핀도 바뀌지 않습니다. 차량에는 음극 스위칭 회로가 많으므로, 고정하기 전에 두 단자 중 어느 쪽이 양극인지 확인하세요.
• 유도성 부하에는 클램프 다이오드가 필요합니다. 릴레이 코일, 솔레노이드, 접촉기, 밸브, 소형 모터는 꺼지는 순간 자신의 단자에 큰 역전압 스파이크를 되돌려 보냅니다. PC817 입력 LED는 역방향으로 6V까지만 견디므로, 그 스파이크만으로도 망가질 수 있습니다. 두 입력 단자 사이에 일반 다이오드를 역병렬로 직접 연결하세요. 다이오드의 캐소드는 IN+에, 애노드는 IN-에 연결합니다. 정상 동작 중에는 역바이어스 상태여서 아무 일도 하지 않고, 스파이크가 오면 도통하여 역전압을 1볼트보다 훨씬 낮게 유지합니다. 작은 연결에는 1N4148, 더 큰 부하에는 1N4007을 사용합니다.
• 누설이 있는 드라이버는 잘못된 ON을 보고합니다. 요즘 차량에서는 단순한 기계식 접점으로 스위칭하는 것이 거의 없고, 대신 반도체 드라이버가 그 일을 하는데, 그중 많은 수가 꺼져 있을 때도 작은 전류를 흘려보냅니다. PLC 트랜지스터 출력, 트라이액 출력, LED 램프 드라이버도 마찬가지입니다. 누설이 충분하면 PC817 LED가 약하게 켜지고, 아두이노 나노는 꺼져 있는 장치를 ON으로 보고합니다. 증상은 분명합니다. 측정값이 절대 비활성으로 돌아가지 않습니다. 해결 방법은 모듈 입력과 병렬로 약 4.7 kΩ ~ 10 kΩ의 블리더 저항을 달아서, 누설 전류가 LED 대신 저항으로 흐르게 하는 것입니다.

PC817 옵토커플러 프로그래밍 방법

첫 번째 단계는 PC817 옵토커플러 모듈의 OUT 핀에 연결된 아두이노 나노 핀을 지정하는 것입니다. 이 튜토리얼에서는 2번 핀을 사용합니다:

다음 단계는 모듈이 어느 방향으로 스위칭하는지 정하는 것입니다. 대부분의 모듈은 입력 신호가 있는 동안 출력을 LOW로 끌어내리므로, 위에서 설명한 테스트 결과가 다르지 않다면 true로 둡니다:

그런 다음 pinMode() 함수를 사용하여 그 핀을 내부 풀업 입력으로 설정합니다:

digitalRead() 함수를 사용하여 핀 상태를 읽습니다:

마지막 단계는 상수를 사용하여 그 원시 측정값을 예/아니오 답으로 바꾸는 것입니다. 이렇게 하면 어느 극성의 모듈이든 같은 한 줄로 처리할 수 있습니다:

이 프로젝트에는 라이브러리가 필요하지 않습니다.

PC817 옵토커플러를 위한 아두이노 나노 코드

빠른 단계

• 배선도와 같이 부품을 연결합니다.
• USB 케이블로 아두이노 나노 보드를 컴퓨터에 연결합니다.
• 컴퓨터에서 Arduino IDE를 엽니다.
• 올바른 보드와 포트를 선택합니다.
• 위 코드를 복사하여 Arduino IDE에 붙여넣습니다.
• Arduino IDE에서 Upload 버튼을 클릭하여 코드를 컴파일하고 아두이노 나노에 업로드합니다.
• 시리얼 모니터를 엽니다.
• 입력 단자에 12V 또는 24V 신호를 가했다가 다시 제거합니다.
• 시리얼 모니터에서 결과를 확인합니다.

아무것도 가하지 않았는데 시리얼 모니터에 ENERGIZED가 표시되고, 신호를 가했는데 OFF가 표시된다면, 모듈이 액티브 HIGH 종류입니다. 위 코드에서 MODULE_ACTIVE_LOW를 false로 설정하고 다시 업로드하세요.

동영상

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추가 지식

단품 칩 대신 모듈을 쓰기로 했다면, 주문하기 전에 답해야 할 질문이 하나 남습니다. 이 설치에는 세 가지 종류 중 어느 것이 맞을까요? 대부분은 신호 전압으로 결정되지만, 전부는 아닙니다. 잘못된 모듈이 도착했을 때 어떤 일이 생기는지, 감시해야 할 라인이 몇 개인지도 중요합니다.

이 튜토리얼의 중심인 차량 설치에는 12V 종류를 선택해야 하고, 24V 종류는 코일이 있는 기계 캐비닛에 맞으며, 3-5V 종류는 전혀 다른 이유, 즉 전압이 위험해서가 아니라 접지가 위험해서 구매한다는 것을 알 수 있습니다. 숨겨진 나노 하나로 여러 라인을 감시해야 한다면, 올바른 종류의 다채널 보드가 단일 채널 보드 여러 개보다 저렴하고 깔끔합니다. 단, 그 보드의 모든 라인이 같은 전압으로 동작해야 합니다. 12V 도어 스위치와 24V 코일을 함께 감시하는 나노에는 모듈이 하나가 아니라 두 개 필요합니다.

함수 참조

• pinMode()
• digitalRead()
• Serial.begin()
• Serial.println()

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관련 튜토리얼

• 아두이노 나노 - 전압 측정