[스마트팜] 3핀 DC 팬의 PWM 제어와 옵토커플러 절연 회로 설계

 

3핀 DC 팬의 PWM 제어와 옵토커플러 절연 회로 설계 – 스마트팜 응용

스마트팜에서 자동 환기 시스템을 구축할 때, DC 팬을 제어하는 방법은 핵심 기술 중 하나입니다. 팬의 속도를 정밀하게 조절하기 위해 PWM(Pulse Width Modulation) 제어가 널리 쓰이며, 전기적 안정성과 보호를 위해 **옵토커플러(optocoupler)**를 사용한 절연 회로 구성이 자주 사용됩니다.

이번 글에서는 3핀 DC 팬을 PWM으로 제어하면서 옵토커플러를 이용해 마이크로컨트롤러(MCU)를 보호하고, 안전하고 효율적인 하드웨어 시스템을 구성하는 방법을 소개합니다.

✅ 1. 3핀 팬 구조 요약

3핀 팬은 다음과 같은 구성으로 되어 있습니다.

선 색상기능
빨강+12V 전원 입력
검정GND (접지)
노랑회전수(RPM) 출력 신호

  • 팬의 속도는 공급 전압 또는 PWM 신호에 따라 제어됩니다.

  • RPM 신호는 팬 내부의 홀 센서에서 출력되며, 팬의 실제 회전 속도를 측정하는 데 활용됩니다.

✅ 2. PWM 제어 기본 개념

PWM(Pulse Width Modulation)은 **디지털 신호의 ON/OFF 비율(듀티비)**을 이용해 아날로그적인 전력 제어를 구현하는 기법입니다.

  • 듀티비 100% → 팬은 최고 속도로 회전

  • 듀티비 0% → 팬 정지

  • 듀티비 50% → 팬은 절반 속도로 회전 (전압 평균 6V처럼 작동)

하지만 MCU의 PWM 핀은 일반적으로 3.3V 또는 5V 출력이기 때문에 직접 팬을 구동할 수 없고, MOSFET 등의 스위칭 소자를 통해 팬 전원을 간접 제어해야 합니다.

✅ 3. 역기전력(Back EMF)과 플라이백 다이오드

팬은 회전하는 코일이 포함된 전기 모터이므로, 전원이 꺼질 때 **역기전력(Back EMF)**이 발생할 수 있습니다.
이 역전압은 스위칭 소자나 MCU를 손상시킬 수 있으므로 반드시 **플라이백 다이오드(flyback diode)**를 팬 단자에 병렬로 연결해주어야 합니다.

  • 일반적인 정류용 다이오드: 1N4007

  • 속도가 더 빠른 쇼트키 다이오드: 1N5819


연결 방법:
팬 +와 팬 –에 병렬 연결 (다이오드 방향은 역방향)

✅ 4. 옵토커플러로 전기적 절연 구현

📌 왜 옵토커플러가 필요한가?

  • 팬이나 모터는 노이즈와 서지를 발생시키는 전기적 부하입니다.

  • MCU가 직접 연결되어 있으면 잡음, 역기전력, 서지에 취약

  • 옵토커플러를 사용하면 MCU와 팬 구동 회로 사이를 완전히 절연하여 MCU를 보호할 수 있습니다.

📌 옵토커플러 작동 원리

  • MCU가 LED를 켜면, 내부에서 포토트랜지스터가 열려 팬 제어 회로를 작동시킴

  • 전기적 연결 없이 빛으로 신호를 전달함

✅ 5. 전체 회로 구성

📦 필요한 부품

부품용도
PC817 또는 4N35옵토커플러 (절연)
IRF540N 또는 IRLZ44NN채널 MOSFET (팬 스위칭용)
1N4007 또는 1N5819플라이백 다이오드
220Ω, 10kΩ저항 (게이트 보호 및 풀다운)
12V 팬제어 대상
12V DC 전원팬 공급 전원

🔌 회로 구성 요약

[MCU 측: PWM 신호 → 옵토커플러]


MCU PWM ---- 220Ω ----|→| (옵토커플러 내부 LED)
                               |
                             GND (MCU)

[옵토커플러 출력 → 팬 회로 제어]


(옵토커플러 포토트랜지스터 측)
컬렉터 ---+--- 10kΩ 풀업 → +12V
          |
          +--- MOSFET 게이트

MOSFET:
- 드레인 → 팬 GND 단자
- 소스 → GND (팬 전원 GND)

팬 전원: +12V → 팬 빨강선  
팬 검정선 → MOSFET 드레인

플라이백 다이오드: 팬 + ↔ 팬 – (역방향 연결)

✅ 6. 소프트웨어 (Arduino 예시)


int pwmPin = 9;  // PWM 출력 핀

void setup() {
  pinMode(pwmPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // 예시: 점점 팬 속도 증가
  for (int speed = 0; speed <= 255; speed += 10) {
    analogWrite(pwmPin, speed);
    delay(500);
  }
}

✅ 7. 주의사항 요약

항목주의점
PWM 주파수너무 낮으면 팬 소음 발생. 10~25kHz 권장
옵토커플러 응답속도일반 옵토커플러(PC817)는 10kHz 이상 PWM에 반응이 느릴 수 있음
플라이백 다이오드반드시 팬 + ↔ – 단자에 병렬 연결 (역방향)
GND 분리MCU와 팬 회로 GND는 연결하지 않음 (절연 유지)

✅ 결론

3핀 DC 팬을 PWM으로 제어하고자 할 때, MOSFET을 통한 고전압 스위칭과 역기전력 보호용 다이오드, 그리고 옵토커플러 절연은 필수 요소입니다. 이 구조를 통해 스마트팜과 같은 환경에서 MCU를 보호하면서 안전하고 정밀한 팬 제어 시스템을 구성할 수 있습니다.

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