ESP8266 MOSFET 모듈

준비물

MOSFET 모듈에 대하여

MOSFET 모듈을 DC 전기의 수도꼭지라고 생각해 보세요. ESP8266이 꼭지를 돌리고, 12V 어댑터가 흐름을 공급합니다. 꼭지는 완전히 열 수도, 완전히 닫을 수도 있고, PWM으로 아주 빠르게 열고 닫을 수도 있습니다. 마지막 방식 덕분에 NodeMCU가 LED 스트립의 밝기나 팬의 회전 속도를 정할 수 있습니다. 이 방식으로 구동할 수 있는 다른 부하로는 DC 모터, 수중 펌프, 솔레노이드 밸브, 작은 히터가 있습니다.

같은 페이지가 세 가지 제품에 모두 적용됩니다: AOD4184(D4184로 인쇄된 경우도 있음), LR7843, FR120N. 이 보드들은 크기, 핀 배치, 배선이 같고 같은 스케치로 동작합니다. 달라지는 것은 가운데에 납땜된 MOSFET 칩 하나뿐입니다.

"최대 전류" 행은 주의해서 읽으세요. 이 수치는 완벽한 냉각이 있을 때의 칩 자체 값입니다. 작은 모듈 보드는 그보다 훨씬 전에 뜨거워지므로, "방열판 없이" 행을 기준으로 프로젝트를 계획하세요.

MOSFET 모듈 핀배열

연결 지점은 모두 다섯 개입니다. 두 개는 NodeMCU 쪽이고, 세 개는 12V 회로 쪽입니다.

신호 헤더(2핀, 2.54mm 간격, 브레드보드에 꽂을 수 있음):

• PWM 핀: NodeMCU의 GPIO에 연결해야 합니다. 이 프로젝트에서는 D5이며, 칩 내부에서는 GPIO14입니다.
• GND 핀: 신호가 되돌아갈 경로가 필요하므로 NodeMCU의 G(GND) 핀에 연결해야 합니다.

전원 나사 단자:

• +: 12V 어댑터의 플러스 선과 LED 스트립의 플러스 선에 연결해야 합니다. 두 선 모두 이 단자 하나에 들어갑니다.
• LOAD: LED 스트립의 마이너스 선에 연결해야 합니다. MOSFET의 드레인이 여기에 있으므로, 실제로 스위칭되는 선입니다.
• −: 12V 어댑터의 마이너스 선에 연결해야 합니다

3.3V NodeMCU 핀으로 구동할 수 있는 이유

많은 전력용 MOSFET은 게이트에 5V~10V가 필요한데, ESP8266은 이 전압을 낼 수 없습니다. 이 모듈은 입력부에 있는 PC817 포토커플러로 이 문제를 해결합니다. 신호는 다음 경로를 거칩니다: D5 → PWM 핀 → 작은 저항 → PC817 내부의 LED → 빛 → PC817 내부의 포토트랜지스터 → MOSFET 게이트. 게이트의 저항은 PC817이 꺼져 있을 때마다 게이트를 0V로 끌어내립니다.

PC817 안에서 신호를 빛이 전달하므로, 3.3V 쪽과 12V 쪽은 공통으로 연결된 선이 없습니다. 모듈은 신호 GND와 부하 GND를 서로 분리해 둡니다.

MOSFET은 N채널 소자이며 LOAD 단자와 − 단자 사이의 로우 사이드에 놓여 있습니다. 부하의 마이너스 선을 끊고 켜는 방식이며, 플러스 선은 항상 연결된 상태로 있습니다. 아래는 NodeMCU가 D5에 내보낼 수 있는 각 신호에서 일어나는 일입니다.

D5가 LOW(0V): 부하 꺼짐

• PC817로 전류가 들어가지 않으므로 내부 LED는 꺼진 채로 있습니다.
• 포토트랜지스터는 꺼진 상태로 있고, 게이트 저항이 MOSFET 게이트를 0V로 유지합니다.
• MOSFET이 꺼집니다. LOAD와 − 사이에서 열린 스위치처럼 동작합니다.
• LED 스트립의 마이너스 선이 어댑터 −로 가는 경로가 없으므로 전류가 흐르지 않고 스트립에는 0V가 걸립니다.
• 코드에서: analogWrite(MOSFET_PIN, 0), 즉 듀티 사이클 0%입니다.

D5가 HIGH(3.3V): 부하 완전히 켜짐

• 3.3V 핀이 PC817 LED에 몇 밀리암페어를 흘려 보냅니다. LED는 눈에 보이지 않는 칩 안에서 켜집니다. 3.3V GPIO는 이 정도 전류를 쉽게 감당합니다.
• 포토트랜지스터가 켜지고 부하 전원의 약 절반을 MOSFET 게이트로 전달합니다. 12V 어댑터를 쓰면 게이트에는 보드의 3.3V가 아니라 약 6V가 걸립니다.
• MOSFET이 완전히 켜집니다. 저항이 아주 낮은 닫힌 스위치처럼 동작합니다. AOD4184와 LR7843은 몇 mΩ, FR120N은 약 0.2Ω입니다.
• 이제 전류가 하나의 고리를 따라 흐릅니다: 어댑터 + → + 단자 → LED 스트립 → LOAD 단자 → MOSFET → − 단자 → 어댑터 −.
• 스트립은 거의 12V 전체를 받아 최대 전력으로 동작합니다.
• 코드에서: analogWrite(MOSFET_PIN, 255), 즉 듀티 사이클 100%입니다.

D5가 PWM 출력: 부하가 전력의 일부를 받음

• AnalogWrite(MOSFET_PIN, value)를 쓰면 D5는 초당 약 1000번 LOW와 HIGH를 오갑니다. value는 0에서 255까지이며, 듀티 사이클은 value / 255입니다.
• MOSFET은 신호를 그대로 따라합니다. HIGH인 구간에서는 켜지고 LOW인 구간에서는 꺼지므로, 부하는 짧은 12V 펄스를 받습니다.
• 듀티 사이클은 신호가 HIGH인 시간의 비율입니다. 평균 전압과 평균 전력은 듀티 사이클에 전체 값을 곱한 값입니다.

• LED 스트립은 더 어둡게 보입니다. 실제로는 깜박이지만 눈이 알아채기에는 너무 빠릅니다. 팬, 모터, 펌프는 회전하는 부분의 관성이 펄스를 부드럽게 만들기 때문에 더 느리게 돕니다. 팬은 낮은 듀티 사이클에서는 시작되지 않을 수도 있습니다.
• PC817은 느린 부품입니다. PWM 주파수가 너무 높으면 MOSFET이 완전히 스위칭되지 않고, 부하가 깨끗한 펄스를 받지 못하며, MOSFET이 뜨거워집니다. 그래서 약 500Hz~1kHz가 알맞은 범위입니다.
• 솔레노이드 락이나 밸브에는 LOW 또는 HIGH만 보내야 하며, PWM은 절대 안 됩니다.

이 설계에서 나오는 규칙이 하나 더 있습니다. 게이트가 부하 전압의 절반만 받으므로, 부하 전원은 최소 약 6V가 필요합니다. 부하가 몇 암페어 이상 끌어 쓰면 9V 이상을 사용하세요. 5V 전원은 너무 약하므로, NodeMCU 자체의 5V나 3.3V 핀으로는 부하에 전원을 공급할 수 없습니다.

배선도

NodeMCU는 D5에서 신호만 보내고 GND를 모듈 헤더와 공유합니다. 12V 전류는 모두 어댑터, 나사 단자, LED 스트립 사이로만 흐릅니다.

이 이미지는 Fritzing을 사용하여 만들어졌습니다. 이미지를 확대하려면 클릭하세요.

ESP8266 핀배열 및 ESP8266 전원을 켜는 방법에 대해 더 많이 보십시오.

다른 NodeMCU 핀 선택하기

NodeMCU에 인쇄된 라벨(D0, D1, D2 ...)은 칩의 GPIO 번호와 같지 않습니다. 예를 들어 D5는 GPIO14, D6은 GPIO12, D7은 GPIO13입니다. 코드에서는 D 라벨(예: D5)을 쓰면 ESP8266 코어가 알맞은 GPIO를 찾아 줍니다.

D5를 이미 사용 중이라면 D1, D2, D6, D7도 좋은 선택입니다. D3(GPIO0), D4(GPIO2), D8(GPIO15)은 칩이 부팅할 때 이 핀들을 확인하므로, 부하가 깜박이거나 보드가 시작되지 않을 수 있어 피하세요. D0(GPIO16)도 PWM을 출력할 수 없으므로 사용하지 마세요.

다른 12V 장치를 나사 단자에 연결하기

아래의 모든 장치에서 NodeMCU의 D5와 G 선은 위에 보인 그대로 둡니다. 나사 단자 쪽만 달라집니다. 각 장치는 같은 규칙을 따릅니다:

모든 장치에 적용되는 두 가지가 있습니다:

• 어댑터는 장치가 요구하는 전압을 내야 하며(12V 장치에는 12V 어댑터), 모듈이 받는 최저 전압인 6V보다 낮으면 안 됩니다.
• 장치가 얼마나 많은 전류를 쓰는지 확인하세요. FR120N은 방열판 없이 약 2A 정도의 작은 부하에만 적합합니다. 더 큰 부하에는 AOD4184나 LR7843을 선택하세요.

ESP8266 스케치는 장치가 바뀌어도 달라지지 않습니다. 유일한 예외는 솔레노이드입니다. 솔레노이드에는 HIGH 또는 LOW(100% 또는 0%)만 쓰고, 페이드 부분은 지우세요.

12V LED 스트립(단색)

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• 스트립의 + 선(보통 12V로 인쇄됨)은 +에, 스트립의 − 선은 LOAD에 연결합니다.
• LED 스트립은 코일이 아니므로 다이오드가 필요 없습니다.
• PWM이 밝기를 정합니다. 스트립이 길수록 더 많은 전류를 끌어 쓰므로, 모듈을 고르기 전에 전류 정격을 확인하세요.
• 이 배선은 단색 스트립 전용입니다. RGB 스트립과 주소 지정형 스트립은 배선 방법이 다릅니다.

코일 장치용 플라이백 다이오드

아래의 팬, 모터, 펌프, 솔레노이드 예제는 모두 코일이 들어 있는 장치입니다. 이 모듈에는 플라이백 다이오드가 없으므로, 코일 장치에는 따로 다이오드를 달아야 합니다. 1N5819 또는 1N4007이면 충분합니다. 장치의 두 선에 걸쳐 달되, 줄무늬가 있는 쪽(캐소드)은 장치 +에, 반대쪽(애노드)은 장치 −에 연결합니다. 아래에서는 이것을 간단히 "다이오드"라고 부릅니다.

12V 쿨링 팬

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• 빨간 선이 +, 검은 선이 −입니다.
• 세 번째 선(노란색)은 속도 신호를 내보냅니다. 연결하지 않고 그대로 둡니다.
• 여기에도 다이오드를 달아 주세요. 비용이 거의 들지 않고 해가 되지 않습니다.
• PWM이 속도를 정합니다. 일부 팬은 아주 낮은 듀티 사이클에서 시작되지 않으므로 약 30% 이상에서 시작하세요.

12V DC 모터

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• 모터 +는 +에, 모터 −는 LOAD에 연결하고, 모터 두 선에 걸쳐 다이오드를 답니다.
• PWM이 속도를 정합니다.
• 모터는 한 방향으로만 돕니다. 양방향으로 돌리려면 모터 드라이버가 필요합니다. L298N을 사용하는 ESP8266 - DC 모터를 참고하세요.

12V 수중 펌프

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• 펌프는 코일 장치이므로 다이오드가 필요합니다.
• PWM이 유량을 정합니다.
• 펌프를 절대 물 없이 작동시키지 마세요.

12V 솔레노이드 밸브(상시 닫힘)

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• 밸브의 두 선에 걸쳐 다이오드를 추가합니다.
• 완전히 켜면 밸브가 열리고, 끄면 닫힙니다.
• 켜기와 끄기로만 구동하세요. PWM은 사용하지 않습니다.

12V 솔레노이드 락

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• 락은 코일이므로 다이오드가 반드시 있어야 합니다.
• 완전히 켜기(100%) 또는 완전히 끄기(0%)만 사용하세요. PWM으로 세기를 조절하지 마세요.
• 오래 켜 두면 뜨거워집니다. 잠금을 풀 때 짧게 켰다가 곧바로 끄세요.

MOSFET 모듈을 위한 프로그래밍 방법

설치할 것은 없습니다. Arduino IDE용 ESP8266 코어에 스케치가 필요로 하는 모든 함수가 이미 들어 있습니다.

• 첫 단계는 모듈의 PWM 핀에 연결된 NodeMCU 핀에 이름을 붙이는 것입니다. D 라벨을 쓰면 코드가 보드에 인쇄된 내용과 일치합니다:

• 다음으로 핀을 출력으로 설정하고 듀티 0을 써서 부하가 꺼진 상태로 시작하게 합니다:

• 퍼센트가 원시 숫자보다 읽기 쉬우므로, 코드는 map()으로 0–100%를 0–255의 듀티 값으로 바꾼 다음 analogWrite()에 넘깁니다:

• 켜기와 끄기만 필요하다면 digitalWrite(MOSFET_PIN, HIGH)와 digitalWrite(MOSFET_PIN, LOW)도 사용할 수 있습니다.

ESP8266에서 analogWrite()는 기본적으로 1kHz로 동작하는 소프트웨어 PWM입니다. 이 값은 느린 PC817에 잘 맞으므로 analogWriteFreq()를 호출할 필요가 없습니다. ESP8266 코어 3.x는 기본적으로 0–255 범위를 사용합니다. 아주 오래된 코어(2.x)는 0–1023을 사용했으므로, 부하가 최대 전력에 이르지 못하면 ESP8266 코어를 업데이트하세요.

MOSFET 모듈용 ESP8266 NodeMCU 코드

이 스케치는 한 가지 패턴을 계속 반복합니다. 먼저 부하를 2초 동안 완전히 켰다가 2초 동안 완전히 끕니다. 다음으로 0.5초마다 10%씩 더해 10%에서 100%까지 전력을 올립니다. 그런 다음 같은 속도로 90%에서 0%까지 내립니다. 마지막으로 보드가 1초를 기다린 뒤 다시 시작합니다.

빠른 단계

• ESP8266을 처음 사용한다면 ESP8266 - 소프트웨어 설치을 참고하세요.
• 다이어그램과 같이 부품을 배선하되, 12V 어댑터는 아직 콘센트에 꽂지 마세요.
• USB 케이블로 ESP8266 NodeMCU 보드를 컴퓨터에 연결합니다.
• 컴퓨터에서 Arduino IDE를 엽니다.
• 보드 NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)와 NodeMCU의 COM 포트를 선택합니다.
• 위 코드를 복사하여 Arduino IDE의 새 스케치에 붙여넣습니다.
• Upload 버튼을 누르고 업로드가 끝날 때까지 기다립니다.
• 이제 12V 어댑터를 콘센트에 꽂습니다.
• 시리얼 모니터를 열고 9600 보레이트를 선택합니다.
• LED 스트립을 보세요. 2초 동안 최대 전력으로 빛나고, 2초 동안 꺼지고, 천천히 밝아졌다가, 천천히 어두워집니다.
• 시리얼 모니터에는 다음과 같은 줄이 출력됩니다:

단자에 12V 팬을 연결하면 소리로도 같은 흐름을 들을 수 있습니다: 최고 속도, 정적, 그다음 천천히 빨라졌다가 천천히 느려집니다. 팬에는 플라이백 다이오드를 잊지 마세요.

추가 지식

AOD4184 vs LR7843 vs FR120N: 부하에 따라 고르기

모든 모듈은 NodeMCU에 똑같은 방법으로 배선되므로, 부하의 전압과 전류에서부터 시작하세요:

전류가 크고 전압이 낮을 때는 LR7843이 가장 낫고, 40V를 넘으면 FR120N만 선택할 수 있으며, 그 사이의 대부분의 작업은 AOD4184가 맡는다는 것을 알 수 있습니다.

세 보드 모두에서 실제 한계는 열입니다. 부하를 몇 분 동안 작동시킨 다음 MOSFET을 조심스럽게 만져 보세요. 손가락을 올려 둘 수 없을 정도라면 부하를 줄이거나 방열판을 다세요.

MOSFET 모듈 또는 릴레이?

릴레이는 자석으로 금속 접점을 닫습니다. MOSFET 모듈은 칩으로 스위칭합니다. 여기서 뚜렷한 차이가 생깁니다:

ESP8266 프로젝트에서 DC 부하에는, 특히 페이드나 속도 제어가 필요할 때는 MOSFET 모듈이 알맞은 도구임을 알 수 있습니다. 전등이나 교류(AC) 전원 장치에는 대신 ESP8266 - 릴레이를 사용하세요.

동영상

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