[arduino] Arduino Uno R3 사용전력 고려

arduino uno에 RFID 리더기(MFRC522)와 전자석 모듈을 연결한 적이 있는데

 

배터리 -> 라즈베리파이 -> USB로 우노 연결 후 사용했을 때

부품의 동작이 원할하지 않았다.

 

계속해서 전압강하가 일어났는지 전력 부족 문제에 시달렸다.

USB-B plug --> 5V 전압 사용해서 그런 것일까?

 

일단 USB2.0 표준에 따르면 최대 500mA의 전류를 제공한다고 한다.

그러면

① DC-jack terminal에 7V~12V 외부 전원을 연결했다면?

 

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1. 전압 레귤레이터 전력 손실 계산

전압 레귤레이터에서 발생하는 전력 손실(발열)을 계산해보면

Ploss = (Vin - Vout) × I

• V_in: 8V (외부 입력 전압) 
• V_out: 5V (출력 전압)
• I: 전류

따라서 전력 손실은:

Ploss = (8V - 5V) × I = 3V × I

이 전력 손실은 전적으로 열로 발산되며, 레귤레이터의 최대 온도 상승을 고려해야 합니다.

2. 열 관리

레귤레이터의 발열은 특정 수준 이상 올라가면 자동으로 보호 모드로 전환되거나, 보드 전체가 손상될 수 있어 온도 조절을 해야 하는데 NCP1117의 열 저항이 약 62°C/W라고 가정했을 때, 레귤레이터의 최대 안전 동작 온도(보통 125°C 정도)까지 온도 상승을 허용하려면 주변 온도가 25°C일 경우 안전한 최대 전력 손실을 계산하면

ΔT = Ploss × θJA

(θ_JA는 열 저항)

만약 ΔT = 100°C까지 허용된다고 가정하면, 최대 Ploss는:

Ploss = 100°C / 62°C/W ≈ 1.61W

그러면 최대 전류는:

I = 1.61W / 3V ≈ 0.54A = 540mA

3. 결론

- 8V의 외부 전원을 연결했을 때 Arduino Uno R3 보드의 최대 출력 전류는 약 540mA 정도

- 레귤레이터의 발열 때문에 실제로는 더 낮은 전류(약 400~500mA)를 사용하는 것이 안전하다!

 

 

 

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전자석 모듈 (CT008617E) 스펙 분석

• 작동 전압 (Working Voltage): 5V DC
• 작동 전류 (Working Current): 400mA
• 대기 전류 (Standby Current): 200µA
• 하중 무게 (Load Weight): 1KG
• Dimensions(mm): 40.0(L) x 20.0(W) x 20.8(H)

RFID 모듈 RC522

• 작동 전류: 13-26mA/DC 3.3V
• 유휴 전류: 10-13mA/DC 3.3V
• 절전 전류: < 80µA
• 피크 전류: < 30mA
• 작동 주파수: 13.56MHz

전력 문제의 원인 분석

1) 전류 소모

• 전자석 모듈: 전자석 모듈이 활성화될 때 400mA의 전류를 사용
• RFID 리더기: MRFC522 RFID 리더기는 13mA~26mA 정도의 전류를 사용

두 장치를 합치면 최소 약 426mA의 전류가 필요합니다. 이 전류는 USB 전원을 사용할 경우 거의 한계에 다다릅니다. 만약 Arduino 보드 자체가 소모하는 전류(약 60mA)까지 고려하면, Arduino Uno에서 버틸 수 있는 500mA 정도에 거의 근접한다.

2) 전압 강하

전자석 모듈이 큰 전류를 소모함에 따라, Arduino 보드의 전압 레귤레이터에 과부하가 걸릴 수 있습니다. 이는 5V 핀의 출력 전압이 불안정해질 수 있음을 의미하며, RFID 리더기나 다른 장치들이 정상적으로 동작하지 않을 수도 있다.

3) 전체 시스템 불안정성

전자석 모듈이 계속해서 400mA를 소모하는 동안, RFID 리더기나 Arduino 보드 자체의 안정적인 동작에 필요한 전류가 충분히 공급되지 않으면, 시스템 전체가 불안정해질 수 있습니다. 예를 들어, RFID 리더기가 작동하지 않거나 Arduino가 리셋된다. (실제로 RFID 리더기가 작동하지 않는 문제를 경험했다.)

해결 방안

• 외부 전원 사용: Arduino가 공급할 수 있는 전류를 초과하지 않도록, 전자석 모듈에 별도의 5V 전원을 공급하는 것 
• MOSFET 또는 트랜지스터 사용: Arduino 보드로부터 전자석 모듈의 전류를 직접 공급받지 않고, 트랜지스터나 MOSFET을 사용하여 외부 전원을 제어하는 방식으로 변경할 수 있습니다. 이를 통해 전자석 모듈의 전력은 별도의 전원에서 공급받고, Arduino는 제어 신호만 제공하게 됩니다.
• 전원 공급 관리: 전자석 모듈이 항상 활성화되지 않도록 제어해, 전력 소모를 관리하는 방법도 고려할 수 있습니다. 예를 들어, 전자석이 필요할 때만 활성화되도록 프로그래밍하여, 전체적인 전류 소모를 줄일 수 있습니다.

결론

Arduino Uno R3에 전자석 모듈과 MRFC522 RFID 리더기를 동시에 사용할 때 발생한 전력 문제는 주로 전자석 모듈의 높은 전류 소모(400mA)로 인한 것입니다. 이를 해결하기 위해 외부 전원을 사용하는 것이 가장 효과적인 방법이며,

MOSFET이나 트랜지스터를 활용하여 회로설계를 통해 Arduino 보드의 전류를 관리하자!