라즈베리 파이 MOSFET 모듈

준비물

MOSFET 모듈에 대하여

MOSFET 모듈은 DC 부하의 음극 선에 놓이는 반도체 스위치라고 생각하면 됩니다. 라즈베리 파이가 언제 전류를 흘릴지 알려 주면, 모듈이 12V 전류를 부하로 흘려보내거나 막습니다. 내부에 움직이는 부품이 없어서 딸깍 소리가 나지 않고 시간이 지나도 닳지 않습니다. 또 PWM 신호를 따라갈 만큼 빠르게 반응합니다. PWM을 쓰면 라즈베리 파이가 LED 스트립을 더 어둡게 또는 더 밝게 하거나, 팬이나 모터를 더 느리게 또는 더 빠르게 돌릴 수 있습니다.

여기서는 한 페이지에서 세 가지 보드를 다룹니다. AOD4184(D4184라는 이름으로 판매되기도 합니다), LR7843, FR120N입니다. PCB 배치, 핀, 배선, Python 스크립트는 세 보드가 모두 같습니다. 보드에 납땜된 MOSFET 칩만 다릅니다.

모듈 내부 동작 방식

GPIO 신호는 MOSFET에 바로 닿지 않습니다. 신호는 다음 부품을 차례로 지나갑니다. 모듈의 PWM 핀, 작은 저항, PC817 포토커플러 안의 LED, (빛으로) 같은 PC817 안의 포토트랜지스터, 마지막으로 N채널 MOSFET의 게이트입니다. MOSFET은 LOAD 단자와 − 단자 사이에 있으므로 부하의 음극 선을 켜고 끕니다(로우사이드 스위치). 부하 자체는 + 단자와 LOAD 단자 사이에 연결됩니다.

로직은 액티브 HIGH입니다. 아래에서 GPIO16이 보낼 수 있는 각 신호마다 모듈 내부에서 어떤 일이 일어나는지 볼 수 있습니다.

GPIO16이 3.3V(HIGH)를 출력할 때

라즈베리 파이의 GPIO 핀은 5V가 아니라 3.3V만 냅니다. 모듈에는 이 정도면 충분합니다:

• 포토커플러 LED는 몇 mA만 있으면 되므로 3.3V 핀이 직접 구동할 수 있습니다. 작은 전류가 흐르고 칩 안에서 LED가 켜집니다(눈에는 보이지 않습니다).
• 이 빛이 포토트랜지스터를 켭니다. 이제 MOSFET 게이트는 부하 전원의 약 절반을 받습니다. 12V 어댑터라면 약 6V입니다.
• MOSFET이 완전히 켜져 닫힌 스위치가 됩니다. 저항은 매우 낮아서 AOD4184와 LR7843은 몇 mΩ, FR120N은 약 0.2Ω입니다.
• 전류는 다음 고리를 따라 흘러야 합니다: 어댑터 + → + 단자 → 부하 → LOAD 단자 → MOSFET → − 단자 → 어댑터 −.
• 부하는 거의 전체 공급 전압(약 12V)을 받아 최대 전력으로 동작합니다.

Python에서는 GPIO.output(MOSFET_PIN, GPIO.HIGH) 또는 pwm.ChangeDutyCycle(100)으로 듀티 사이클을 100%로 설정하는 것과 같습니다.

GPIO16이 0V(LOW)를 출력할 때

• 포토커플러 LED에 전류가 흐르지 않아 켜지지 않습니다.
• 빛이 없으면 포토트랜지스터는 꺼진 상태로 있습니다. 게이트의 저항이 MOSFET 게이트를 0V로 끌어내립니다.
• MOSFET이 꺼져서 LOAD와 − 사이의 열린 스위치가 됩니다.
• 부하의 음극 선이 이제 그라운드와 끊어집니다. 전류가 흐를 수 없고, 부하는 0V를 받아 꺼집니다.

Python에서는 GPIO.output(MOSFET_PIN, GPIO.LOW) 또는 pwm.ChangeDutyCycle(0)과 같습니다.

GPIO16이 PWM 신호를 출력할 때

이 튜토리얼의 스크립트는 pwm = GPIO.PWM(MOSFET_PIN, 500)으로 PWM을 만듭니다. 이는 GPIO16이 1초에 500번 0V와 3.3V 사이를 오간다는 뜻입니다. 그 결과는 다음과 같습니다:

• MOSFET은 신호가 바뀔 때마다 따라갑니다. HIGH인 동안은 켜지고 LOW인 동안은 꺼지므로 부하는 12V 펄스를 받습니다.
• 듀티 사이클은 한 주기 중 신호가 HIGH인 부분의 비율입니다. pwm.ChangeDutyCycle()로 0에서 100까지 설정합니다.
• 평균 전압과 평균 전력은 듀티 사이클에 전체 값을 곱한 값입니다.

스크립트는 10%에서 100%까지 10%씩 올라가므로 각 단계를 확인할 수 있습니다. 듀티 사이클이 낮으면 LED 스트립이 더 어둡게 보입니다. 눈이 알아차리기에는 깜빡임이 너무 빠르기 때문입니다. 팬이나 모터는 더 느리게 돕니다. 회전하는 질량이 펄스를 부드럽게 만들어 주기 때문입니다.

PC817은 느린 부품이므로 PWM 주파수는 500 Hz에서 1 kHz 정도로 낮게 유지해야 합니다. 주파수가 너무 높으면 MOSFET이 완전히 켜지고 꺼지지 못합니다. 부하가 깨끗한 펄스를 받지 못하고 MOSFET이 뜨거워집니다.

이 설계의 다른 특징

• 라즈베리 파이 쪽과 12V 쪽은 전기적으로 절연되어 있습니다. 신호 그라운드와 부하 그라운드는 모듈에서 서로 연결되어 있지 않습니다.
• 게이트 전압은 라즈베리 파이가 아니라 부하 전원에서 가져옵니다. 이 때문에 부하 전원은 최소 약 6V여야 합니다. 부하가 몇 A 이상 흐르면 9V 이상을 사용하세요. 5V 부하 전원은 잘 동작하지 않습니다.

MOSFET 모듈 핀 배열

제어 쪽은 2핀 헤더(2.54mm 피치)라서 브레드보드에 꽂을 수 있습니다:

• PWM: 이 핀은 라즈베리 파이 GPIO 핀에서 제어 신호를 받습니다
• GND: 이 핀은 라즈베리 파이의 그라운드(0V)에 연결해야 합니다

전원 쪽에는 나사 단자 세 개가 있습니다:

• +: 이 단자는 부하 전원 공급 장치의 양극(예: 12V)과 부하의 양극 선에 연결해야 합니다. 두 선이 이 단자 하나를 함께 사용합니다
• LOAD: 이 단자는 부하의 음극 선으로 갑니다. 켜고 끄는 쪽이며 MOSFET 드레인으로 이어집니다
• −: 이 단자는 부하 전원 공급 장치의 음극(그라운드)에 연결해야 합니다

선연결

아래 첫 번째 예제는 12V LED 스트립을 사용합니다. 팬, DC 모터, 펌프, 솔레노이드 같은 다른 장치는 더 아래에 나옵니다.

이 이미지는 Fritzing을 사용하여 만들어졌습니다. 이미지를 확대하려면 클릭하세요.

• MOSFET 모듈 PWM 핀을 라즈베리 파이 GPIO16(핀 36)에 연결
• MOSFET 모듈 GND 핀을 라즈베리 파이 GND(핀 36 바로 옆의 핀 34, 또는 다른 GND 핀)에 연결
• 12V 전원 어댑터 양극(DC 전원 잭 경유)을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 12V 전원 어댑터 음극(DC 전원 잭 경유)을 MOSFET 모듈 −에 연결
• LED 스트립 양극 선을 MOSFET 모듈 +에 연결(어댑터 양극과 같은 단자)
• LED 스트립 음극 선을 MOSFET 모듈 LOAD에 연결

다른 DC 장치를 MOSFET 모듈에 연결하기

라즈베리 파이 쪽은 모든 장치가 같습니다. GPIO16(핀 36)은 PWM에, GND 핀은 GND에 연결합니다. 달라지는 것은 나사 단자 쪽입니다. 각 그림 아래의 목록은 그 쪽만 다룹니다.

새 장치를 연결하기 전에 다음을 확인하세요:

• 어댑터 전압은 장치 전압과 같아야 합니다. 12V 장치에는 12V 어댑터를 사용하세요. 앞에서 설명했듯이 전원은 6V 이상이어야 합니다.
• 모듈이 장치의 전류를 감당해야 합니다. FR120N은 작은 장치용이며 방열판 없이 약 2A입니다. AOD4184와 LR7843은 더 큰 장치용입니다.
• 코일이 있는 장치(모터, 팬, 펌프, 솔레노이드)는 유도성 부하입니다. 모듈에는 플라이백 다이오드가 없으므로 직접 추가해야 합니다(1N5819 또는 1N4007). 장치에 병렬로 놓으세요. 캐소드(줄무늬가 있는 쪽)는 장치 양극 선에, 애노드는 장치 음극 선에 연결합니다.

이 모든 장치에 같은 Python 스크립트를 그대로 사용할 수 있습니다. 한 가지 예외는 솔레노이드입니다. 솔레노이드는 완전히 켜기와 완전히 끄기(100% 또는 0%)만 사용하고 페이드 부분은 빼세요.

라즈베리 파이, MOSFET 모듈, 12V DC 모터

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• 12V 어댑터 양극을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 12V 어댑터 음극을 MOSFET 모듈 −에 연결
• 모터 양극 선을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 모터 음극 선을 MOSFET 모듈 LOAD에 연결
• 모터에 병렬로 플라이백 다이오드 연결: 캐소드(줄무늬)는 모터 양극에, 애노드는 모터 음극에

PWM 듀티 사이클이 모터가 도는 속도를 조절합니다. 이 모듈은 모터를 한 방향으로만 구동할 수 있습니다. 방향을 바꿔야 한다면 라즈베리 파이 - DC 모터 튜토리얼에 나온 것처럼 L298N 같은 모터 드라이버를 사용하세요.

라즈베리 파이, MOSFET 모듈, 12V 워터 펌프

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• 12V 어댑터 양극을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 12V 어댑터 음극을 MOSFET 모듈 −에 연결
• 펌프 양극 선을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 펌프 음극 선을 MOSFET 모듈 LOAD에 연결
• 펌프에 병렬로 플라이백 다이오드 연결, 모터와 같은 방식으로 배치

듀티 사이클이 물의 흐름을 조절합니다. 펌프에 항상 물이 있는지 확인하세요. 물 없이 돌리면 펌프가 손상될 수 있습니다.

라즈베리 파이, MOSFET 모듈, 12V LED 스트립

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• 12V 어댑터 양극을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 12V 어댑터 음극을 MOSFET 모듈 −에 연결
• LED 스트립 양극 선(보통 12V로 표시됨)을 MOSFET 모듈 +에 연결
• LED 스트립 음극 선을 MOSFET 모듈 LOAD에 연결
• LED 스트립에는 코일이 없으므로 플라이백 다이오드는 필요 없음

듀티 사이클이 밝기를 조절합니다. 긴 스트립은 더 많은 전류를 쓰므로, 모듈을 고르기 전에 스트립의 전류를 확인하세요. 이 배선은 단색 스트립용입니다. RGB 스트립과 어드레서블 스트립은 동작 방식이 다릅니다.

라즈베리 파이, MOSFET 모듈, 12V 쿨링 팬

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• 12V 어댑터 양극을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 12V 어댑터 음극을 MOSFET 모듈 −에 연결
• 팬 빨간 선을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 팬 검은 선을 MOSFET 모듈 LOAD에 연결
• 팬 노란 선(속도 신호), 팬에 있다면: 연결하지 않고 그대로 둠
• 팬에 병렬로 플라이백 다이오드 연결, 위와 같은 방식(저렴하고 추가해도 안전함)

듀티 사이클이 팬 속도를 조절합니다. 듀티 사이클이 아주 낮으면 시작하지 않는 팬도 있으므로 약 30% 이상에서 시작하세요.

라즈베리 파이, MOSFET 모듈, 12V 솔레노이드 밸브

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• 12V 어댑터 양극을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 12V 어댑터 음극을 MOSFET 모듈 −에 연결
• 밸브 양극 선을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 밸브 음극 선을 MOSFET 모듈 LOAD에 연결
• 밸브 코일에 병렬로 플라이백 다이오드 연결

이것은 상시 닫힘 밸브입니다. 모듈이 완전히 켜지면 밸브가 열리고, 꺼지면 밸브가 닫힙니다. PWM은 사용하지 말고 ON과 OFF만 사용하세요.

라즈베리 파이, MOSFET 모듈, 12V 솔레노이드 락

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배선 구성을 간단하고 체계적으로 만들기 위해, Raspberry Pi용 스크루 터미널 블록 실드 사용을 권장합니다. 이 실드는 아래와 같이 더욱 안정적이고 관리하기 쉬운 연결을 제공합니다:

• 12V 어댑터 양극을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 12V 어댑터 음극을 MOSFET 모듈 −에 연결
• 락 양극 선을 MOSFET 모듈 +에 연결
• 락 음극 선을 MOSFET 모듈 LOAD에 연결
• 락 코일에 병렬로 플라이백 다이오드 연결

락은 PWM 페이드 없이 완전히 켜거나 완전히 끄세요. 코일이 오래 켜져 있으면 뜨거워지므로, 잠금을 풀 때만 잠깐 켜고 다시 끄세요.

MOSFET 모듈로 DC 부하를 제어하는 라즈베리 파이 프로그래밍 방법

추가 라이브러리는 필요 없습니다. 스크립트는 GPIO16에서 RPi.GPIO의 PWM 기능을 사용하며 다음 주기를 계속 반복합니다:

• 부하를 2초 동안 완전히 켜고, 그다음 2초 동안 완전히 끕니다.
• 전력을 10%에서 100%까지 10%씩 올리며, 단계마다 0.5초씩 머뭅니다.
• 전력을 90%에서 0%까지 같은 방식으로 내립니다.
• 스크립트는 1초 기다린 뒤 처음부터 다시 시작합니다.

Ctrl + C를 누르면 스크립트가 PWM을 멈추고 GPIO 핀을 해제합니다.

빠른 단계

1. 라즈베리 파이에 Raspbian 또는 다른 라즈베리 파이 호환 운영 체제가 설치되어 있는지 확인합니다.
2. 라즈베리 파이가 PC와 같은 로컬 네트워크에 연결되어 있는지 확인합니다.
3. 라이브러리를 설치해야 하면 라즈베리 파이가 인터넷에 연결되어 있는지 확인합니다.
4. 라즈베리 파이를 처음 사용한다면 라즈베리 파이 - 소프트웨어 설치을 참조하세요.
5. Linux와 macOS의 내장 SSH 클라이언트 또는 Windows의 PuTTY를 사용하여 PC를 SSH로 라즈베리 파이에 연결합니다.
6. RPi.GPIO 라이브러리가 설치되어 있는지 확인합니다. 없다면 다음 명령으로 설치합니다:

1. 위의 배선도와 같이 라즈베리 파이, MOSFET 모듈, 12V 전원 어댑터, LED 스트립을 연결합니다. 12V 어댑터는 아직 꽂지 마세요.
2. Python 스크립트 파일 MosfetModule.py를 만들고 다음 코드를 추가합니다:

1. 12V 전원 어댑터를 꽂습니다.
2. 다음 명령으로 스크립트를 실행합니다:

1. LED 스트립을 지켜보세요. 2초 동안 최대 밝기로 켜지고 2초 동안 꺼집니다. 그다음 천천히 밝아지고, 이어서 천천히 어두워집니다.
2. 터미널에서 결과를 확인합니다.

스크립트는 이 주기를 영원히 반복합니다. ON과 OFF 부분에서는 2초마다 새 줄이 나타납니다(time.sleep(2) 줄 때문입니다). 페이드 업과 페이드 다운 부분에서는 0.5초마다 새 줄이 나타납니다(time.sleep(0.5) 줄 때문입니다). 출력은 터미널에서 Ctrl + C 키를 눌러 스크립트를 멈출 때까지 계속됩니다. 그러면 스크립트는 부하를 끄고 GPIO 핀을 정리합니다.

LED 스트립 대신 12V 팬이나 모터를 사용한다면, 같은 출력은 팬이 최고 속도로 돌다가 멈추고, 그다음 빨라졌다가 느려진다는 뜻입니다.

추가 지식

AOD4184 vs LR7843 vs FR120N

세 모듈을 비교하여 내 프로젝트에 어떤 것이 맞는지 알아봅시다:

• LR7843은 저항이 가장 낮아서 큰 전류에서도 가장 시원하게 유지됩니다. 12V 또는 24V의 고출력 LED 스트립이나 큰 모터에 선택하세요. 30V를 넘기지 마세요.
• AOD4184는 만능형으로 좋습니다. 최대 40V까지 다루면서도 강한 전류를 흘릴 수 있습니다.
• FR120N은 가장 높은 전압(최대 100V)을 받지만 저항이 훨씬 높습니다. 작은 전류, 즉 방열판 없이 약 2A에만 적합합니다.

50A와 161A는 MOSFET 칩 자체의 한계라는 점을 기억하세요. 작은 모듈은 그만큼의 전류를 감당할 수 없습니다. 실제 한계는 열입니다. 몇 분 동작한 뒤 MOSFET을 조심스럽게 만져 보세요. 만질 수 없을 만큼 뜨겁다면 전류를 낮추거나 방열판을 추가하세요.

MOSFET 모듈 vs 릴레이

부하를 켜고 끄는 데 쓰는 MOSFET 모듈과 릴레이 모듈을 비교해 봅시다:

분명히 MOSFET 모듈은 DC 부하, 특히 밝기나 속도를 제어하고 싶을 때 더 좋은 선택입니다. AC 교류 전원 장치에는 여전히 릴레이가 알맞은 도구입니다.

동영상

비디오 제작은 시간이 많이 걸리는 작업입니다. 비디오 튜토리얼이 학습에 도움이 되었다면, YouTube 채널 을 구독하여 알려 주시기 바랍니다. 비디오에 대한 높은 수요가 있다면, 비디오를 만들기 위해 노력하겠습니다.

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