5. 솔레노이드 밸브 — GPIO 는 코일을 못 켠다 · Dr. Yoo's mRNA Vaccine Synthesiser Firmware, First Steps

밸브는 이 기계에서 가장 단순한 장치입니다. 켜면 열리고 끄면 닫힙니다. 그런데 초보자가 가장 자주 태워 먹는 장치이기도 합니다.

GPIO 핀이 낼 수 있는 것

핀 하나에 16 mA 남짓, 전부 합쳐 50 mA 정도. 3.3 V.

솔레노이드가 먹는 것

12 V 에 200~500 mA. 열 배가 넘습니다.

GPIO 핀은 신호를 내보내는 곳이지 전기를 대는 곳이 아닙니다. 직접 연결하면 밸브가 안 열리는 데서 끝나지 않고, RP1 칩이 죽습니다 — 그리고 그것은 교체할 수 없습니다.

홀딩 듀티를 밀어 보세요. 소비 전력과 발열이 함께 줄어드는 것이 보입니다.

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홀딩 전류는 전기를 아끼는 이야기가 아닙니다. 열이 시약으로 새는 것을 막는 이야기입니다.

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# 밸브 여섯 개를 계속 열어 두면 열이 얼마나 나나 — 그리고 홀딩 전류로 얼마나 줄까.
V, I_pull = 12.0, 0.35        # 12 V, 당길 때 350 mA (가정: 제품마다 다르다)
n_valve = 6

P_one = V * I_pull
print("밸브 하나를 100%% 로 계속 열어 두면 %.1f W" % P_one)
print("여섯 개면 %.1f W — 상자 안에서 이 열은 어디로도 안 나간다." % (P_one * n_valve))
print()

print("%-10s %-12s %-12s %-10s" % ("홀딩 듀티", "밸브 하나", "여섯 개", "줄어든 양"))
for duty in (100, 70, 50, 40, 30):
    # 전력은 듀티에 비례 (코일 저항이 일정하다고 보면)
    p1 = P_one * duty / 100
    print("%7d %% %10.2f W %10.1f W %10.0f %%"
          % (duty, p1, p1 * n_valve, (1 - duty / 100) * 100))
print()
print("당길 때는 100% 가 필요하지만, 붙잡고 있는 데는 훨씬 적게 든다.")
print("→ 100% 로 100 ms 당긴 뒤 30~50% PWM 으로 떨어뜨린다.")
print()
print("이 기계에서 이것이 중요한 까닭: 밸브 블록이 뜨거워지면")
print("그 열이 시약 배관과 PT-1000 읽기로 새어 들어간다.")

여섯 개를 한꺼번에 — ULN2803A

MOSFET 을 여섯 개 만드는 대신 ULN2803A 한 칩이면 여덟 채널이 됩니다. 환류 다이오드도 안에 들어 있습니다.

다만 함정이 하나 있습니다 — COM 핀을 코일 전원(+12 V)에 반드시 이어야 그 다이오드가 일을 합니다. 학생들이 거의 반드시 빠뜨리는 배선입니다.

from gpiozero import OutputDevice, PWMOutputDevice
import time

class Valve:
    """당길 때는 100%, 붙잡을 때는 절약 — 드라이버 계층"""
    def __init__(self, pin, hold=0.4, pull_ms=100):
        self._out = PWMOutputDevice(pin, initial_value=0)
        self._hold, self._pull_ms = hold, pull_ms

    def open(self):
        self._out.value = 1.0                 # 당긴다
        time.sleep(self._pull_ms / 1000)
        self._out.value = self._hold          # 붙잡는다

    def close(self):
        self._out.value = 0.0

밸브는 코일이라 소프트웨어 PWM 으로 충분합니다 — 코일 자체가 큰 저역통과 필터라 지터를 느끼지 못합니다. (TEC 는 다릅니다. 11강에서 봅니다.)

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