역전압 방지 회로를 만들자

 1. 역전압 방지 회로의 필요성

 최근 보조배터리 제작을 위하여 알리에서 BMS를 하나 구매하였다. (사실 지금까지 구매한 BMS는 종류를 무시한다면 20여개 정도 구매했다.) 입력과 동시에 출력이 가능한 시스템을 만들기 위하여 BMS 선택 자체를 충전단자와 방전단자가 분리되어 있는 제품을 구매하였다. 하지만 현실은 두 단자는 연결되어 있었다. 이런 상황에서 충전쪽에 전원을 인가하지 않으면 그쪽으로 방전이 되는 현상이 발생하게 되어 역전압 방지 회로가 필요하게 되었다.

2. Diode

 가장 간단하게 떠오른 아이디어는 다이오드였다. 집에 여러 종류의 다이오드가 있고, 어려운 회로 구성이 필요없이 아주 간단하게 적용할 수 있기 때문이었다.

[ 누구나 만드는 간단한 회로 ]

이렇게 구성해서 만든후에 테스트 해보았다. 다이오드는 상당히 크기가 큰것으로 Current에 10A를 걸수 있는 다이오드 였다.  하지만 14.4V애 2.5A로 전원을 공급했더니, 빠르게 온도가 상승하여 손도 못댈정도로 다이오드가 뜨겁게 달아 올랐다.  BMS(위의 그림에서 LOAD에 해당) 자체가 14.4V 10A까지 충전이 가능한 회로이기 때문에 10A는 무리였다.  그래서 더 쉬운 방법으로 병렬 연결을 하였다. 

[ 병렬로 연결한 다이오드 ]

처음엔 3개를 병렬 연결하여 발열 테스트를 진행하였고, 역시나 발열이 심해서 총 9개를 병렬연결했다. 하지만 9개 연결을 해도 14.4V 7A정도 전기를 보내니 손은 댈 수 있었으나 걱정스러운 발열 상태였다. 다시 7개를 추가하여 총 16개의 병렬을 연결하고 14.4V 10A의 전기를 흘려 보내보았다. 안타깝게도 발열은 역시나 부담스러웠다.

3. MOSFET 

 다이오드로 10A 전류를 제어한다는 것은 포기하고, MOSFET을 다시 공부하기 시작했다. 스위칭을 위해서 MOSFET를 공부해보았기 때문에 가능할 듯 싶어서 여기 저기 찾아 보았다. N Channel MOSFET 55NF06이 집에 있던 터라 이것으로 만들어 보았다. 

[ N-MOSFET ]

데이터시트에 의거하면 55NF06는 평상시 50A 정도의 전류까지 보낸다고 써 있다. 데스트를 해보니 1개의 MOSFET으로 10A를 보냈을때  손으로 만질수 없을 정도까지 뜨거워 졌다. 인터넷에서 팔고 있는 제품들을 분석해보니 대략 1/6 정도로 계산하여 허용 전류를 표시하고 있었다. 계산해보니 2개 정도의 MOSFET이면 면 발열 없이 동작할 것 같았다. 물론 안전을 위하여 4개 병렬 처리해서 만들었다.  4개를 병렬처리 하니 10A 전류에는 미열조차 없었다.  내가 가지고 있는 것이 55NF06이어서 그렇지 사실 더 높은 허용전류를 가지고 있는 MOSFET을 사용한다면 1개 라도 커버가 가능할듯 싶다.  FDBL86062는 Current로 300A라고 써 있으니 10A 정도면 꿈쩍도 안할듯 싶다.  알리에서 검색한 가격은 FDBL86062가 55NF06보다 10배 비싸다.

- 2022.12.13 추가

 이글을 작성하고 나서 하루도 안되어서 pashiran님이 댓글로 Ideal Diode 라는 것을 알려주셨다. 알리에서 검색해보니 상당히 많은 내용이 검색되었다.  아마도 pashiran님께서 소개해주신 것이 아래의 제품이 아닐까 생각된다.

[ 제품 1 : 65V 50A ]

[ 제품 2 : 60V 15A ]

제품1은 이미지만으로 어떤 구조인지 알 수 없었는데, 제품2를 보니 대략 감이 잡혔다. 제품2를 보니 MOSFET 2개와 방열판으로 구성되어 있는것으로 보인다.  또한 보통의 MOSFET은 20V 이하의 전압으로 동작하기 때문에 60V에 대비하여, 전압 강하를 위한 제노다이오드가 하나 들어간 것이 보인다.  

이와 관련하여 몇개의 제품들을 검색해 보았고, P-MOSFET 을 이용하였으며, 역전압 뿐만아니라 입력 역극성도 방지하는 회로를 포함하는 것 같다. 구글링을 검색하여 이에 관련된 회로도를 찾아보았다.  제품을 구매한 것이 아니라서 대략 아래 정도이지 않을까 생각한다.

위의 이미지는 아래의 링크에서 가져 왔다. 

https://www.microfarad.de/blog/the-ideal-diode/

위의 회로와 거의 동일하게 생겼는데, 살짝 다른 회로도도 있다.  이 회로는 TR이 2개 포함된 DMMT3094W의 제품을 만든회사에서 공개한 회로 같다.

- 2022.12.26 추가

 역전압 방지 회로는 자동자 블랙박스 보조배터리를 만드는 과정에서 필요하게 되었는데, 이미 케이스를 만든 상태에서 내가 만들다 보니 크기가 너무 커서 집어 넣을 수가 없었다. 아래의 이미지에서 아래부분 ( MOSFET 4개 및 방열판을 가지고 있음)

[ 제품은 참 작게 만드네. ㅠㅠ ]

어쩔수 없이 알리에서 필요한 용량의 역전압 방지 회로를 구매해서 보조배터리 내부에 넣었다. 제품은 대략 위에 표시한 회로도 정도로 만든것 같다.  제품의 경우 14.4V & 10A로 부하를 주었는데 미열도 발생하지 않았다.

5핀 LED 스위치를 사용해보자

1. 스위치 찬가

 전기를 사용하는 제품에 있어서 스위치는 정말 편리한 부분이다.  스위치가 없다면 플러그를 매번 꼽았다가 빼는 불편함을 느껴야 하기 때문이다. 아침에 일어나서 잠을 자기 전까지 얼마나 많은 스위치를 사용하는지 생각해보면, 스위치 없는 인생은 게임 없는 스마트폰이요, 휘발유 없는 자동차 이며, 반찬 없는 밥상이다.

2. 5핀 LED 스위치

 2핀, 3핀 스위치는 그동안 만들었던 것들에서 사용했지만 5핀은 처음 사용하였다.  핀이 많은 관계로 다소 복잡해 보이기는 하지만 원리를 이해하면 어렵지 않다. 또한 4핀 스위치와 비교하여 좀 더 다양한 케이스에서 사용할 수 있다.  이 스위치는 누르면 켜지고, 다시 누르면 꺼지는 형태의 스위치이다.

[ 5핀 LED 스위치 ]

 연결이 껄끄럽더라도 스위치가 켜지면 정말 미려한 외관을 볼 수 있다.

[ 무지개가 아닌 스위치 ]

LED가 켜지는 모양도 위의 이미지에서 보이는 2종류 이외에도 아주 다양하게 존재한다. 다 좋은데... 다만 아쉬운 것은 가격이 1개에 1$가 넘다는 점이다. 알리에서 택배비를 포함하여 개당 1.1$에 구매 하였다. (다시 검색해 보니 2$에 근접하는 정도로 가격이 올랐다.)

설치를 위해서는 16mm(제품에 따라서 12mm, 21mm등이 존재한다)의 구멍을 타공해야 하는데, 내 경우 포스너로 작업했다.  LED가 포함되어 있기 때문에 최대 허용 전압은 정해져 있다.  9V 미만, 12V용, 24V용, 110V, 220V용으로 다양하다. 물론 그 이상의 전압을 사용하려 한다면 저항 하나는 걸어 주는 것이 쎈쓰이다.

3. 기본 지식

 총 5핀이 존재하는데  아래의 그림과 같다. 전체 핀은 5개 이긴 한데 제품에 따라서 표기된 글자가 살짝 다르기도 하다. 내가 구매한 제품은 1, 2 라는 글자가 보이지만 핀이 노출되어 있지는 않다.

[ 5핀 스위치의 뒷면 ]

스위치의 뒷면에 표기된 글자들은 아래와 같다.

* Normal 상태라는 것은 스위치의 기본 상태이며, 결국 Off 상태를 말하는 것이다.

NC : Normal Close 

   Normal 상태에 연결되어 있다.

NO : Normal Open

  Normal 상태에 끊어져 있다.   

C : Common

  공통.   +로 제어할 때는 +를 연결, -로 제어할 때는 -를 연결한다.

3 : Positive ( 제품에 따라서 + 로 표기 )

  LED의 + 전원을 연결

4 : Negative (  제품에 따라서 - 로 표기 )

  LED의 - 전원을 연결

4. 본격적으로

 원리를 한번만 이해하면 다음부터는 연결이 쉬워진다. 그 원리를 아래의 예제들을 살펴보면서 이해하면 된다.

4.1 가장 흔하게 사용하는 케이스

   스위치 OFF : LED OFF, Device OFF   (기본 상태)

   스위치 ON : LED ON, Device ON

 제일 무난한 연결 방법이다.  전원 공급하는 쪽의 +가 C에 연결되어 있다. 이러면 NO, NC가 + 특성을 가진다는 것을 이해하면 된다. 그 외에 -쪽은 전원 공급하는 쪽과 사용하는 쪽이 항상 연결되어 있다. 즉 +로 On/Off를 제어한다는 이야기이다.  스위치를 ON 하면 C 핀과 NO 핀이 연결되면서 전기가 흐른다.  3번 핀은 LED의 +측에 연결하는 것인데, 이 핀이 NO에 연결되어 있는지 NC에 연결되어 있는지가 포인트 이다.  지금은 3번핀이 NO에 연결되어 있기 때문에 기본이 꺼짐이다. 만약 NC에 연결되어 있다면 LED는 기본 켜짐 & 스위치 ON시 꺼짐이 된다.  

4.2 꺼짐 / 켜짐이 반대인 케이스 

   스위치 OFF : LED ON, Device ON   (기본 상태)

   스위치 ON : LED OFF, Device OFF

 첫번째 케이스와는 동작이 반대인 경우이다. 평상시에는 전기가 흐르고 있다가 스위치를 누르면 디바이스가 꺼지는 형태이다. 스위치에 포함된 LED는 전기가 흐를때 켜지고, 전기가 흐르지 않을때 꺼지는 형태 이다.  전원 공급하는 쪽이 C에 연결되어 있고 디바이스는 NC쪽에 연결되어 있음을 확인하면 된다. 

4.3 LED와 Device의 ON , OFF가 반대인 케이스

   스위치 OFF : LED ON, Device OFF   (기본 상태)

   스위치 ON : LED OFF, Device ON

 위의 연결을 보면 C쪽에 +가 있고, NO에는 디바이스가, NC에는 3번이 연결되어 있다. 스위치가 꺼진 상태에서는 NC와 연결되고, 스위치를 켠 상태에서는 NC가 연괼된다. 디바이스가 켜지면 스위치 내부의 LED가 꺼지는 사용 방법이다.  주로 조명과 관련된 부분이라면 이렇게 사용하는 것을 추천한다. 어두운 곳에서는 스위치가 밝게 빛나고 있고, 스위치를 켜서 조명 기기가 켜진다면,  스위치 내부의 LED가 꺼지는 것이다.

4. 4 LED가 항상 켜지는 케이스

   스위치 OFF : LED ON, Device OFF   (기본 상태)

   스위치 ON : LED ON, Device ON

3번 핀이 전원 공급의 +에 직접 연결되어 있고, 4번 핀이 전원 공급의 -에 직접 연결되어 있다. 즉 LED의 전원인 3, 4번 핀에 상시 전원이 공급되는 형태이니 LED가 스위치의 상황에 관계없이 LED는 ON 상태를 유지하는 방식이다. 디바이스는 스위치의 ON/OFF와 동일하게 동작한다. 

4.5 LED가 항상 꺼져 있는 케이스

 굳이 이러한 케이스가 필요한지 모르겠다.  필요하다면 위의 그림들 중에서 3번 및 4번핀 연결을 하지 않으면 된다. 

5. 사용에 대하여

 내가 구매한 스위치의 허용 전류를 아직 확인하지 못했다. 대략 24V 10A 정보를 버텨줄 정도의 구조이긴 하다. (연결하는 핀 자체의 두께나 너비로 추정)   만약 높은 전류를 흘려 보내야 한다면 단순하게 스위치만을 사용하는 것이 아니라 릴레이를 하나 달아서 전기의 흐름을 제어 해야 한다.  특히 파워뱅크등을 제작하여 20A 이상의 전기를 흘려 보내야 한다면 릴레이를 사용하는 방법을 추천한다. 물론 BMS에 온도센서가 달려 있다면 이를 이용해서 ON/OFF 제어가 가능하다.

 최대 전압이 정해져 있는 만큼 그 이상의 전압을 연결하면 LED가 고장 나는 것은 당연하니, 혹 행여 제품의 최대 전압보다 그 이상의 전압을 연결해야 하는 경우 저항 연결이 필수이다. 5V 정도의 스위치를 구매하였는데, 24V 정도를 연결해야 한다면  300K 정도의 저항을 하나 붙여서 LED의 전원부에 연결하여야 한다.

 이 제품은 3 ~ 9V, 9 ~ 30V 그 이상의 전압으로 판매하고 있다. 즉 5V용을 구매하여 24V의 전원을 연결하면 LED는 고장나게 될 것이다. 또한 24V 제품을 구매해서 5V에 연결하면 불빛이 아주 흐리거나, 켜지지 않을 수도 있다.

 내 기준으로 24V 제품을 구매해서 연결하니 LED가 너무 밝아서 눈에 거슬렸다. 쳐다보고 있으면 눈이 아픈 정도라서 LED의 + 입력 부근에 100k 저항하나 걸었더니 너무 편안해졌다.

18650 사용하기 - 파트 1 (스폿 / 납땜용 바이스 만들기)

 1. 18650 이야기

 2차전지(재충전이 가능한 전지) 중에서 Li-Io (이하 리튬이온)배터리는 가장 싼 배터리도 아니고, 가장 안전한 배터리도 아니다. 하지만 안전성, 무게 대비 용량 등에서 뛰어나서 요즘 많이 사용된다. 과거 Ni-MH (이하 니켈 수소) 배터리 시대에서 리튬이온 배터리 시대가 도래 한다고 해도 과언이 아니라 할 수 있겠다.  그 리튬이온 배터리 중에서 가장 대중화가 된 것이 18650 배터리 이다.  18650의 기본적인 내용은 아래의 링크를 확인하면 된다.

18650 이란?

[ 요즘 내가 사용하는 18650 ]

 이 배터리는 거의다 사용해보았지만, 인식하지 못하는 경우가 많다. 전자담배 흡연자라면 거의 대부분의 기계가 내부에 18650을 포함하고 있다.  고용량 보조 배터리에도 많이 들어가고, 심지어 휴대용 선풍기들 중에서 손잡이가 동그란 형태인 것들에 많이 들어가 있다.  지금은 아니지만 과거 노트북들의 배터리도 18650이 많이 사용되었다.  

2. 용접, 납땜 그까이꺼?

 18650 배터리를 1개 단일로 사용하던, 병렬 또는 직렬로 연결하던 결국 배터리에 전선을 붙이게 되는 날이 온다.  그런데 손으로 잡고서 용접/납땜 하기는 수월하지 않다.  배터리의 평평한 쪽을 바닥에 놓는 경우는 그나마 수월하지만, +극인 쪽을 바닥에 놓고 세워 놓으면 불안해진다.  결국 빨래집게로 집던, 뭐로 집던 배터리로부터 양손이 편해져야 작업이 수월해진다.

 나름 포맥스를 즐겨 사용하는 터라, 이번에도 포맥스로 하나 만들어 보았다. 

[ 포맥스를 조각도로 깍고 이것 저것 붙여서 만든 버전 ]

[ 이런식으로 18650을 꼽아서 사용 ]

[ 최대 5셀까지 가능 ]

20여분의 작업 끝에 만든 포맥스 버전은 충분히 만족스러웠다.  18650 배터리를 용접/납땜하는 동안 잘 잡아 주었기 때문이다.

3. 아뿔싸....

 배터리를 1줄로만 용접 하는 것이 아니였다. 생각해보니 2줄, 3줄로도 용접할 필요가 있는 상황이 된 것이다.  고심 끝에 여러줄이 가능한 홀더를 만들기로 했다.

[ 소재가 될 나무 조각 ]

소재는 아주 예전에 길가에 버려진 나무 의자를 가져다가 집에서 분해하여 모아 두었던 각목을 사용하였다. 위의 사진은 의자의 다리 부분에 해당하는 것이며 길이(위의 사진으로 보자면 가로 방향)는 200mm 정도이다. 길이는 몇개 까지의 18650을 끼워 넣을 것인가가 결정한다. 즉 길이는 18650 배터리 갯수 * 20mm + 100mm정도면 된다.  높이는 20mm 보다 길고 70mm 보다 짧으면 되나 가공의 편의성의 위해서는 30 ~ 40mm 정도면 된다. 너비(위의 사진으로 보자면 세로 방향)는 40mm 이상을 추천한다.  

작업의 핵심은 구멍을 뚫는 것인데, 이때 포스너 비트를 사용한다.

[ 포스너 비트란? ]

[ 모든 가공이 완료된 후에 촬영됨 ㅠㅠ ]

포스너 비트를 사용하는 것이 가장 이 공정에서 가장 난해한 작업이다.  (포스너 비트 운용이 어렵다면 포맥스를 이용하고 조각도로 깍는 것을 추천)

포스너비트는 19mm를 사용하고,  각 드릴링의 중심점 간격은 18.5mm 로 진행하면 된다. 이유는 18650 배터리의 특징이 지름이 18mm(비닐 소재의 껍데기 두께가 약 0.1mm X 2 )이긴 하나 사실상 약간의 여유가 필요하기 때문에, 각 중심점의 간격이 18.5mm 이며, 포스너비트를 18mm를 사용하면 살짝 빡빡한 느낌이라 조금더 크게 구멍을 내야 하는데 18.5mm 포스너 비트는 없다... ㅠㅠ 어쩔수 없이 19mm를 사용한다. 

구멍을 다 뚫은 후에는 톱으로 절반을 잘라내면 된다. 위의 사진을 보면 각목 중간에 하얀띠가 보이는데, 그 위치가 톱날이 지나간 자리이다. 정확하게 중간이 아니더라고 관계는 없지만 가급적 비슷하게 자르면 된다.

[ 측면 구멍 내기 ]

그 다음 작업은 측면에 드릴링을 하는 작업이 필요한데, 전산볼트(또는 긴 볼트)의 지름에 따라서 맞추어 구멍을 뚫는다. 내 경우 8mm를 사용하기 때문에 8mm로 가공하였다.

[ 너트 삽입~~ ]

 구멍을 뚫고 난 뒤에는 한쪽은 너트를 끼워 넣는다. 6각 너트의 경우 가장 긴 변 보다 2mm 정도 작은 드릴 비트로 아까 뚫은 구멍을 일부만 넓혀도 되고, 조각도 같은 것으로 깍아서 구멍을 넓혀도 된다. 깊이만 맞게 가공한 다음에, 반대편에서 볼트를 끼워서 죄이면 너트가 스물 스물 끌려 들어가서 안착된다. (설명을 참 어렵게 했는데.. 대충 반대편 구멍을 좀더 넓히고 볼트 끼우고서 조이면 된다)

 위의 사진에 보면 양쪽의 깊이를 다르게 가공해서 한쪽은 너트가 깊게 삽입되었고, 다른 한쪽은 표면에 거의 붙었다.  

[ 대략 이런 구조가 된다 ]

전산 볼트를 사용하던, 긴 볼트를 사용하던  손잡이를 만들어서 끼우면 편하게 사용할 수 있기 때문에 포맥스를 가공하여 만들어서 끼웠다. (위의 사진에서 왼손 엄지 부분)

4. 사용은 이렇게...

[ 한줄 사용할 때 ]

[ 두줄 사용할 때 ]

세줄 이상은 아직까지 사용해 본적은 없지만,  세줄인 경우 한줄로 3개를 끼워서 용접을 해서 필요한 만큼 준비하고, 마지막에 홀더를 벌려서 한칸에 3개씩 들어가면 배치하면 될 것 같다.

이러한 홀더는 나만 만드는 것이 아니며, 18650 용접 좀 하시는 분들이라면 많이 만드는 것 같다. 

휴 ~~ 이제 잘 쓰기만 하면 될 것 같다.