라즈베리 파이 피코 PC817 포토커플러: 12V/24V DC 입력 신호 모니터링

준비물

PC817 옵토커플러에 대하여

PC817은 포토커플러 또는 광 절연기라고도 판매되며, 두 회로 사이에 전선 없이 한 회로에서 다른 회로로 신호를 전달하는 4핀 칩입니다. 플라스틱 몸체 안에는 절연된 틈을 사이에 두고 포토트랜지스터를 향하는 적외선 LED가 있습니다. LED에 전류가 흐르면 그 빛이 트랜지스터를 켜므로, 신호는 전기가 아닌 빛으로 건너갑니다. 바로 이것이 양쪽이 전기적으로 분리된 상태를 유지하는 이유이며, 라즈베리 파이 피코가 24V 산업용 라인에 직접 연결되지 않고도 그것을 감시할 수 있는 이유입니다.

대부분의 사람들은 칩 자체를 납땜하지 않습니다. PC817 옵토커플러 절연 모듈은 그 칩을 직렬 저항, 상태 LED와 함께 작은 보드에 올리고, 입력 쪽은 IN+와 IN-로 표시된 나사 단자로, 출력 쪽은 VCC, GND, OUT으로 표시된 헤더로 빼 둡니다. 이 가이드에서 배선하는 것이 이 버전이며, 모듈은 1, 2, 4, 8채널 버전으로 나오므로 라즈베리 파이 피코 하나로 여러 개의 절연된 라인을 동시에 감시해야 할 때 편리합니다.

어떤 옵토커플러 모듈이 필요한가요?

내부 LED에 전류를 공급하는 저항이 이미 보드에 장착되어 있으므로, 모듈 하나로 모든 입력 전압을 처리할 수는 없습니다. 모듈은 세 가지 버전으로 따로 판매되며, 각 버전의 저항은 그 버전의 전압에 맞춰 선택되어 있습니다. 감시하려는 신호에 맞는 버전을 구매하세요:

여기서 중요한 구매 결정은 이것 하나뿐입니다. 모듈을 사용하면 아무것도 계산할 필요가 없고, 올바른 버전을 골라 배선하기만 하면 됩니다. 어느 방향으로든 잘못 고르면 바로 알게 됩니다:

• 12V 모듈을 24볼트 라인에 연결하면 내부 LED에 의도한 전류의 약 두 배가 흘러 LED가 손상됩니다.
• 24V 모듈을 12볼트 라인에 연결하면 LED 구동이 부족해져 출력이 늦게 바뀌거나, 불안정하게 바뀌거나, 전혀 바뀌지 않을 수 있습니다.

전압이 낮다고 절연을 건너뛰고 점퍼선 하나로 연결할 이유는 없습니다. 두 회로가 서로 다른 전원을 사용하거나, 긴 케이블의 양 끝에 있거나, 한쪽이 전기적으로 잡음이 많을 때(모터 드라이버나 상용 전원으로 동작하는 가전 내부의 저전압 제어 보드 등)는 5볼트나 3.3볼트 로직 신호도 절연할 가치가 있습니다. 절연은 높은 전압을 견디는 것만이 아니라 접지 경로를 끊기 위한 것입니다. 3-5V 모듈은 바로 그런 용도입니다.

핀아웃

PC817에는 네 개의 핀이 있습니다. 핀 1과 2는 12V 또는 24V 회로를 향하는 입력 쪽에 속하며, 모듈에서는 IN+와 IN- 단자로 나옵니다. 핀 3과 4는 라즈베리 파이 피코를 향하는 출력 쪽에 속하며, 모듈에서는 VCC, GND, OUT 헤더로 나옵니다.

• 핀 1 - 애노드(A): 내부 LED의 양극 다리입니다. 12V 또는 24V 신호는 직렬 저항을 거쳐 이 핀에 도달하며, 모듈에는 그 저항이 이미 보드에 있습니다.
• 핀 2 - 캐소드(K): 내부 LED의 음극 다리입니다. 라즈베리 파이 피코의 접지가 아니라 12V 또는 24V 회로의 접지에 연결하세요.
• 핀 3 - 이미터(E): 출력 쪽 포토트랜지스터의 이미터입니다. 라즈베리 파이 피코의 GND 핀(0볼트)에 연결하세요.
• 핀 4 - 컬렉터(C): 출력 쪽 포토트랜지스터의 컬렉터입니다. 3.3볼트로의 내부 풀업을 켠 라즈베리 파이 피코의 GPIO 입력 핀에 연결하세요.

작동 원리

출력 쪽에서 컬렉터는 라즈베리 파이 피코의 내부 풀업으로 끌어올려져 있으므로, 핀은 평소에 3.3볼트에 머뭅니다. 외부 신호가 나타나는 순간 LED가 켜지고, 포토트랜지스터가 도통하여 핀을 0볼트로 끌어내립니다.

• 외부 12V 또는 24V 신호 있음: LED가 켜지고, 트랜지스터가 도통하며, GPIO 핀은 LOW를 읽습니다.
• 외부 12V 또는 24V 신호 없음: LED가 꺼지고, 트랜지스터가 꺼지며, GPIO 핀은 HIGH를 읽습니다.

따라서 읽기값은 반전되며, 처음에는 대부분의 사람들이 이 점에 놀랍니다. LOW는 신호가 없다는 뜻이 아니라 있다는 뜻입니다. 마이크로파이썬 코드는 비교 한 번으로 이를 다시 뒤집어, 프로그램의 나머지 부분을 읽기 쉽게 유지합니다. 이미 라즈베리 파이 피코 - 버튼 튜토리얼을 해 보았다면, 그때 사용한 것과 완전히 같은 액티브 LOW 패턴입니다. 다만 이제는 금속 접점 대신 빛으로 스위칭합니다.

옵토커플러 모듈 액티브 HIGH 또는 액티브 LOW

위의 모든 내용은 그림처럼 배선한 칩 단품에 대해서는 확실한 물리 법칙입니다. 모듈은 이야기가 다릅니다: 일부 제조사는 보드에서 신호를 다시 반전시키는 트랜지스터 단을 추가하여, OUT 핀이 입력과 반대가 아니라 입력을 따라가게 만듭니다. 두 종류 모두 판매되고, 겉모습도 똑같으며, 실크스크린 어디에도 어느 쪽인지 적혀 있지 않습니다. 읽기값을 믿기 전에 확인하세요.

이 페이지에서는 이것이 다른 대부분의 페이지보다 더 중요합니다. 라즈베리 파이 피코를 캐비닛 안에서 사이클 카운터로 계속 돌릴 계획이기 때문입니다. 극성이 반대인 모듈은 요란하게 실패하지 않습니다 - 스트로크 대신 그 사이의 틈을 세므로, 매 사이클의 정확히 반대쪽 절반을 기꺼이 기록하고, 화면의 숫자는 여전히 그럴듯해 보입니다. 지금 Thonny Shell에서 2분만 투자하면, 설치한 날부터 계속 틀린 값을 세고 있던 카운터의 뚜껑을 닫아 버리는 일을 막을 수 있습니다.

모듈을 배선하고 라즈베리 파이 피코를 연결한 상태에서, Thonny의 빨간색 Stop 버튼을 클릭하여 실행 중인 스크립트가 없게 한 다음, 창 하단의 Shell에 다음 세 줄을 입력하세요:

입력 단자에 전원을 넣지 않은 상태에서 마지막 줄에서 Enter를 누르고, Shell이 출력하는 숫자를 기록하세요. 이제 IN+와 IN-에 신호를 넣고, 위쪽 화살표 키를 눌러 같은 줄을 다시 불러온 다음, 다시 Enter를 누르세요. 신호가 있는 동안 나타나는 값이 그 모듈의 액티브 레벨입니다. 모듈의 상태 LED로 교차 확인할 수 있습니다. 이 LED는 입력 쪽에 전원이 들어올 때마다 켜지기 때문입니다 - LED가 켜져 있는데 핀이 여전히 1을 읽는다면, 그 모듈은 액티브 HIGH입니다.

아래 코드에서 바꿀 줄은 하나입니다. MODULE_ACTIVE_LOW는 True로 설정되어 있으며, 이는 일반적인 모듈과 칩 단품에 맞습니다. 테스트에서 신호가 있는 동안 Shell이 1을 출력했다면, 이 값을 False로 설정하세요. 스크립트의 다른 부분은 바꿀 필요가 없습니다.

두 접지는 분리된 상태로 유지

이 부분이 보드를 보호하므로 두 번 읽으세요. 12V 또는 24V 회로의 접지를 라즈베리 파이 피코의 GND에 연결하지 마세요. 12V/24V 접지는 모듈의 IN- 단자(칩 단품에서는 핀 2)에 연결되고 거기서 끝납니다. 라즈베리 파이 피코의 접지는 출력 헤더의 GND 핀(칩 단품에서는 핀 3)에 연결되고 거기서 끝납니다. 이 두 접지를 분리하는 것이 칩을 사용하는 이유의 전부입니다. 둘을 연결해도 PC817은 여전히 스위칭되고 코드도 여전히 올바르게 출력하지만, 절연은 사라지고 기계 쪽의 고장이 이제 라즈베리 파이 피코로 곧장 들어오는 경로를 갖게 됩니다. 절연이 아니라 전압을 낮추기만 하고 싶다면, 라즈베리 파이 피코 - 전압 측정 튜토리얼에 있는 것과 같은 분배기가 알맞은 도구입니다.

출력 쪽을 3.3볼트로 유지하기

라즈베리 파이 피코는 3.3V 보드이며 GPIO 핀은 5V를 견디지 못합니다. GPIO 핀에 들어가는 모든 것은 3.3볼트 이하로 유지되어야 합니다. 여기서는 이를 지키기 쉽습니다. 포토트랜지스터는 핀을 0볼트 쪽으로 끌어내리기만 하고 핀에 아무것도 밀어 넣지 않기 때문입니다. 모듈의 VCC는 라즈베리 파이 피코의 3V3(OUT) 핀, 즉 물리 핀 36에서 가져오세요. VBUS나 VSYS에서 가져오지 마세요. 이 핀들은 5볼트 가까이 되므로 모듈이 OUT 핀을 5볼트로 구동하게 됩니다. 이는 보드에서 반전하는 모듈에도 적용되며, 바로 그런 모듈이 OUT 핀을 능동적으로 HIGH로 구동하므로, 공급하는 레일 전압이 그대로 GP0에 걸리게 됩니다.

배선도

감시하는 라인에 맞는 모듈 버전으로 아래와 같이 부품을 배선하세요.

라즈베리 파이 피코 - PC817 옵토커플러 모듈 배선

출력 헤더는 라즈베리 파이 피코에 연결합니다: VCC는 물리 핀 36의 3V3(OUT)에, GND는 아무 GND 핀에, OUT은 물리 핀 1인 GP0에 연결합니다. 나사 단자는 절연된 회로에 연결합니다: IN+는 신호의 양극 쪽에, IN-는 그 복귀 쪽에 연결합니다. 모듈에 이미 그 버전에 맞는 저항이 있으므로 장착할 저항은 없습니다.

이 이미지는 Fritzing을 사용하여 만들어졌습니다. 이미지를 확대하려면 클릭하세요.

장치가 작동 중인지 알기 위해 모듈을 장치와 병렬로 배선하기

지금까지 이 가이드는 신호에 대해 이야기했지만, 보통 눈앞에 있는 것은 장치이며, 진짜 질문은 그 장치가 작동 중이냐는 것입니다. 페이지 시작 부분의 12V 게이트 또는 차단기 컨트롤러를 예로 들어 봅시다. 그 위치 출력은 차단기가 올라가 있을 때마다 켜지는 12V 표시 램프에 전원을 공급합니다. 그 램프는 설치자가 배선한 그대로 두고, 그 양단에 12V 모듈을 연결합니다:

• 램프의 양극(스위칭되는) 단자는 모듈의 IN+ 단자에 연결합니다.
• 램프의 음극(복귀) 단자는 모듈의 IN- 단자에 연결합니다.

컨트롤러의 어떤 부분도 끊거나 경로를 바꾸지 않으며, 램프와 그 전원 사이에 아무것도 넣지 않습니다. 모듈은 장치와 병렬로 연결되며, 절대 직렬로 연결하지 않습니다. 직렬로 배선하면 램프, 코일, 모터의 부하 전류 전체가 20 mA 정격의 내부 LED로 흐르게 되어, 장치가 켜지는 순간 칩이 망가집니다. 병렬 연결은 약 10 mA만 소비하며, 이는 램프, 릴레이 코일, 밸브, 모터가 이미 소비하는 전류에 비하면 아무것도 아니므로, 차단기 컨트롤러는 이전과 똑같이 동작합니다. 이것은 읽기 전용 측정입니다.

연결이 장치에 명령을 내린 버튼이나 컨트롤러 출력이 아니라 장치 자체를 따라가므로, 라즈베리 파이 피코는 실제 상태를 봅니다: 차가 루프를 작동시켜 차단기가 올라가는 것, 밤에 누군가 손으로 올리는 것, 또는 움직여야 할 때 차단기가 전혀 움직이지 않는 것까지. 그래서 이 읽기값은 기록할 가치가 있는 것이 됩니다 - 가동 시간, 사이클 수, 유휴 시간, 실제로 시작했는지에 대한 알림이 모두 같은 단 하나의 비트에서 나옵니다. 한 가지 솔직한 한계: 이것은 장치에 전원이 들어왔다는 것을 알려줄 뿐 제대로 작동한다는 것을 알려주지는 않으므로, 멈춰 버린 게이트 모터나 타버린 램프도 여전히 전력을 소비하고 여전히 작동 중으로 읽힙니다.

연결에 전원을 넣기 전에 정리해야 할 몇 가지:

• 극성이 중요합니다: 모듈의 입력 쪽은 LED이며 한 방향으로만 도통합니다. IN+와 IN-를 바꾸면 절대 켜지지 않으므로, 먼저 연결 지점의 어느 쪽이 양극인지 알아내세요.
• 유도성 부하에는 클램프 다이오드가 필요합니다: 릴레이 코일, 솔레노이드, 접촉기, 밸브, 모터는 꺼질 때 큰 역전압 스파이크를 내보내며, PC817 입력 LED는 역방향으로 6볼트까지만 견딥니다. 두 입력 단자 양단에 일반 다이오드를 역병렬로 직접 장착하세요. 캐소드는 IN+에, 애노드는 IN-에 연결합니다. 정상 동작 중에는 역바이어스되어 아무 일도 하지 않고, 스파이크가 오면 도통하여 역전압을 1볼트 훨씬 아래로 제한합니다. 작은 연결에는 1N4148이, 더 큰 연결에는 1N4007이 적합합니다.
• 누설이 있는 반도체 출력은 잘못된 읽기값을 만듭니다: PLC 트랜지스터 출력, 트라이액 출력, LED 램프 드라이버는 꺼져 있을 때도 약간의 전류를 흘리는 경우가 많으며, 누설이 충분하면 PC817 LED가 부분적으로 켜져서 라즈베리 파이 피코가 작동하지 않는 장치를 작동 중으로 보고합니다. 증상은 읽기값이 유휴 상태로 절대 돌아오지 않는 것입니다. 입력 단자 양단에 약 4.7 kohm ~ 10 kohm의 블리더 저항을 장착하면 누설 전류가 LED 대신 그 저항으로 흐릅니다.
• DC 전용: 입력은 LED 하나이므로 한 극성에만 반응하며, AC 라인 감지에는 맞지 않는 부품입니다. AC에는 입력단에 LED 두 개가 역병렬로 들어 있는 옵토커플러가 필요합니다.

칩 단품으로 만들고 싶다면

PC817 단품은 몇 센트에 불과하고 브레드보드에서 같은 일을 하지만, 그러면 핀 1의 직렬 저항값은 위의 핀아웃을 참고하여 직접 정해야 합니다. 규칙은 R = (Vin - 1.2) / 0.01이며, LED 전압 강하를 1.2볼트, 목표 전류를 10 mA로 잡으면 다음과 같습니다:

• 3.3볼트 입력: 220 ohm
• 5볼트 입력: 390 ohm
• 12볼트 입력: 1 kohm
• 24볼트 입력: 2.2 kohm, 약 0.24 W를 소모하므로 여기서는 1/2 W 부품을 사용하세요

핀 3은 라즈베리 파이 피코의 GND 핀에, 핀 4는 GP0에 연결합니다. 모듈의 GND와 OUT을 연결하는 것과 똑같습니다. 감시하는 전압을 바꿀 때마다 저항도 바꾸세요: 12V 회로에서 24V 회로로 옮기면서 1 kohm 저항을 그대로 두면 20 mA 정격 LED에 약 22.8 mA가 흐릅니다. 이렇게 배선한 칩은 항상 액티브 LOW이므로 아래 코드를 바꿀 필요가 없습니다.

라즈베리 파이 피코 코드 - PC817 옵토커플러

라이브러리는 필요하지 않습니다. PC817을 읽는 것은 단순한 디지털 입력 읽기이므로, 프로그램 전체는 풀업, 비교, 출력이 전부입니다.

빠른 단계

다음 안내를 단계별로 따라 하세요:

• 컴퓨터에 Thonny IDE가 설치되어 있는지 확인하세요.
• 라즈베리 파이 피코에 마이크로파이썬 펌웨어가 설치되어 있는지 확인하세요.
• 라즈베리 파이 피코를 처음 사용한다면 자세한 안내는 라즈베리 파이 피코 - 시작하기 튜토리얼을 참고하세요.
• 신호에 맞는 모듈 버전을 사용하세요: 3.3V 또는 5V 로직 신호에는 3-5V 모듈, 12V 신호에는 12V 모듈, 24V 신호에는 24V 모듈.
• 제공된 배선도에 따라 부품을 배선하되, 12V/24V 접지는 라즈베리 파이 피코 GND와 떨어뜨려 두세요.
• USB 케이블로 라즈베리 파이 피코를 컴퓨터에 연결하세요.
• 컴퓨터에서 Thonny IDE를 실행하세요.
• Thonny IDE에서 Tools Options로 이동하여 MicroPython (Raspberry Pi Pico) 인터프리터를 선택하세요.
• Interpreter 탭의 드롭다운 메뉴에서 MicroPython (Raspberry Pi Pico)를 선택하세요.
• 올바른 포트가 선택되었는지 확인하세요. Thonny IDE가 포트를 자동으로 감지하지만, 직접 선택해야 할 수도 있습니다(예: Windows에서는 COM3, Linux에서는 /dev/ttyACM0).
• 위 코드를 복사하여 Thonny IDE의 편집기에 붙여넣으세요.
• 극성 테스트에서 신호가 있는 동안 Shell이 1을 출력했다면, 저장하기 전에 MODULE_ACTIVE_LOW를 False로 설정하세요.
• 다음과 같이 스크립트를 라즈베리 파이 피코에 저장하세요:
• Save 버튼을 클릭하거나 Ctrl+S 키를 누르세요.
• 저장 대화 상자에 This computer와 Raspberry Pi Pico 두 섹션이 표시됩니다. Raspberry Pi Pico를 선택하세요
• 파일 이름을 main.py로 저장하세요
• 초록색 Run 버튼을 클릭(또는 F5 키를 누름)하여 스크립트를 실행하세요. 스크립트가 실행됩니다.
• 12V 또는 24V 신호를 켜고, 몇 초 동안 켜 둔 다음, 다시 끄세요.
• Thonny 하단의 Shell에서 메시지를 확인하세요.

신호가 꺼져 있을 때 SIGNAL PRESENT 줄이, 켜져 있을 때 IDLE 줄이 나타난다면 액티브 HIGH 모듈이며, 해결책은 코드를 다시 쓰는 것이 아니라 위의 한 줄을 바꾸는 것입니다.

스크립트 이름을 main.py로 지정하고 라즈베리 파이 피코의 루트 디렉터리에 저장하면, 피코의 전원이 켜지거나 리셋될 때마다 자동으로 실행됩니다. 장치 감시 장치는 USB 충전기 하나만 전원으로 기계 옆 캐비닛에 두는 것이므로, 이 프로젝트에서는 이 점이 다른 대부분의 프로젝트보다 더 중요합니다. 그렇게 두고 코드에 카운터를 추가하면, 라즈베리 파이 피코는 누군가 노트북을 연결하지 않아도 오늘 기계가 작동했는지, 몇 번 작동했는지 알려주는 영구적인 사이클 카운터가 됩니다. 캐비닛을 닫기 전에 극성을 확인하세요. 매 사이클의 반대쪽 절반을 세고 있는 카운터는 겉으로 보기에 제대로 동작하는 카운터와 똑같아 보이기 때문입니다. 스크립트 이름을 main.py가 아닌 다른 이름으로 지정하면 매번 Thonny의 Shell에서 직접 시작해야 합니다.

여기서부터는 같은 입력으로 출력 대신 동작을 구동할 수 있습니다. 절연된 읽기값을 라즈베리파이 피코 - 릴레이 튜토리얼에 연결하면, 감시 장치는 24V 라인에 스스로 반응하는 작은 컨트롤러가 됩니다.

동영상

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