555 칩에 기반한 새롭게 개선된 배터리 충전기
햇빛과 풍력 발전 시스템을 위한 간단한 충전기
새로운 소식 : 이 555 칩에 기반한 햇빛 충전기 프로젝트는 555칩 디자인 콘테스트의 Utility Category에서 일등 먹었습니다!!!!! 콘테스트에 대한 좀 더 자세한 내용을 원하시면 이 문서의 맨 아래로.
몇년 전에 나는 원격에 있어서 전기가 들어오지 않는 나의 소유물에 전력을 제공하기 위해 자체적으로 풍력 발전 터빈과 햇빛 발전용 판을 만들기 시작했습니다. 충전기는 배터리가 방전되거나 과충전되지 않도록 하기위해서 풍력 혹은 햇빛 충전 시스템의 기본적인 부분이다. 이런 충전기는 배터리의 전압을 항상 감시하고, 배터리가 완전히 충전 되었을때 배터리의 충전을 중단하고 배터리가 사전에 지정된 전하량 밑으로 도달하면 다시 충전을 시작하도록 한다.
내가 이전의(원래의) 집에서 만든 풍력 터빈, 햇빛 충전판, 그리고 충전기 디자인을 웹에 게시하였을때, 사람들에게 널리 알려지게 되었습니다. 전세계의 많은 사람들이 자신에게 알맞은 형태로 만들어 왔습니다. 그러자 나는 사람들로 부터 질문과 조언에 대한 이메일을 홍수와 같이 받았습니다. 이메일의 매우 많은 부분이 사람들이 원래의 충전기 디자인을 구성하는데 생기는 문제점들에 간한 것이었습니다. 그 디자인은 shop class에 있는 어떤 middle school lesson plans보다 더 발전된것이 확실하기 때문에 이 과정은 잘 숙련된 사람에게 구현될 수 있을 것입니다.
원래의 충전기 디자인은 현장에서 사용된지 몇년이 지났어도 여전히 잘 동작합니다. 전 세계의 많은 사람들이 이것의 복사본을 만들어 왔습니다. 이 충전기의 개발에 관한 원래의 이야기는 나의 풍력 터빈 페이지에서 찾아 볼 수 있습니다.
문제는 전기분야에 대한 경험이 부족한 사람들이 이것을 만들고 동작하게 만드는데 어려움을 겪고 있는 것입니다. 이 회로는 전기 초보자에게는 좀 복잡하고 혼란스럽습니다. 세상과 좀 멀어져 있는 어떤 사람들은 필요한 모든 부품을 구하는 것에 어려움을 겪고 있었습니다. 충전기를 만드는데 도움을 요청하는 일상적인 이메일들은 나에게 이것을 다시 디자인 하도록 부추겼습니다.
그래서 나는 나의 햇빛/풍력 충전기 회로를 아주 간단히하도록 하고자 하였습니다. 나는 가능하다면 단 하나의 IC로 회로가 이루어지도록 하고 가능한 만큼 부품의 수를 줄이고자 하였습니다. 나는 또한 세계 어느 곳에도 구하기 쉬워 보이는 부품만 포함하도록 하였습니다. 이러한 것들은 더 많은 사람들이 진행하는데 문제없이 만들 수 있도록 할 것입니다.
나의 친구중 한명은 대중적인 마이크로 컨트롤러 칩중 하나를 사용하도록 전환할 것을 제안하였고, 모든 아날로그 회로들은 하나의 칩으로 대체하였습니다. 이것은 아마도 부품의 수는 줄이는 방법을 찾도록 해줄 겁니다. 그러나, 나는 마이크로 컨트롤러들이 너무 비싸거나 세계의 어떤 곳에서는 구하기 어렵거나, 프로그램 기술이 없는 사람들에게 어려울지도 모른다는 걱정이 있습니다. 이 후에는 마이크로 컨트롤러의 선택의 가능성이 있지만, 나는 당분간은 아날로그 회로에 머물러 있기로 하였습니다.
여기에 나의 원래의 충전기 회로의 도면이 있습니다. 충전기 회로의 핵심은 voltage divider와 두 개의 comparators, 그리고 S-R 플립플롭으로 구성되어져 있습니다. 나의 원래의 생각은 LM339 Quad Comparator IC를 사용해서 다시 디자인하고자 하였습니다. 나는 이 회로에 두개의 comparators가 필요하였고, 칩에 있는 comparator들 중 다른 두개를 이용해서 S-R 플립플로을 만들 수 있었다. 나는 이러한 생각을 당분간 고려하였습니다. 그리고 몇 개의 테스트 회로를 빵판에 구현해 보았습니다. 나는 하지만 올바르게 동작하도록 하는데 약간의 문제가 있었습니다. 그래서 나는 당분간 이 프로젝트는 보류하고 다른 것을 하였습니다.
내가 작업하였던 다른 프로젝트들중 하나는 gold prospecting을 위해 사용한 나의 recirculating sluice box의 펌프를 위한 PWM 모터 속도 컨트롤러였습니다. 속도 컨트롤러는 555 타이머 칩을 사용합니다. 555 칩의 내부 구조의 다이어그램을 살펴보았을때 나는 나의 원래의 충전기 회로의 아주 많이 닮아 있다는 것에 놀랐습니다. 갑자기 나는 555칩을 이용하여 충전기회로를 다시 디자인하고 아주 간단하면서도 부품수를 줄이게 할 수 있을 것이라는 것을 깨달았습니다.
나의 원래의 충전기 회로와 NE555 타이머 칩의 내부 사이의 유사성을 살펴보기 위해서 왼쪽의 두 다이어 그램을 비교해 보자. 색상으로 표시된 사각형이 유사한 부분을 보여 줍니다. 555 타이머는 원래 회로의 7개의 부품을 대신하고 모든 회로의 복잡성을 아주 많이 줄일 수 있습니다. 나는 555를 타이머로서 전혀 사용하지 않을 것이기 때문에 이것은 매우 비 전통적이고 555의 알려지지 않은 사용법 입니다. 나는 555가 원래 디자인되었던 것보다 완전히 다르게 사용하도록 내부 부분을 활용하고 있습니다.
나는 작업을 시도 하였습니다. 아주 짧은 시간안에 빵판에 작동하는 프로토 타입회로를 만들었습니다. 나에게는 드문 일이지만 첫 시도에 제대로 동작하였습니다. 나는 거의 매번 와이어링 실수를 하곤 합니다.
여기엔 새로운 충전기 도면이 있습니다. 좀더 크고 분명한 것을 원한다면 클릭을 하시기 바랍니다.
나는 부품을 쉽게 찾는데 주의를 기울였습니다. NE555는 아마도 역사적으로 가장 대중적인 IC입니다. 매년 수조개가 만들어 집니다. 세계 어디에서도 구하기 쉬울 것입니다. 나는 또한 초기 버전에서 사용한 8V 레귤레이터를 5V 레귤레이터로 변경하였습니다. 사람들이 구하기 어렵다고 불평하였거든요. 사용된 트렌지스터는 2N222, NTE123, 2N3904, 혹은 다른 유사한 일반적인 작은 NPN 트렌지스터입니다. 그리고 MOSFET은 IRF540이거나 유사한 파워 MOSFET입니다. 나는 수중에 많은 IRF540을 가지게 되었기 때문에 다른 프로젝트를 위해서 남겨 두었 었습니다. 그래서 나는 다른 것을 새로 사는 것 보다 그져 그 중 하나를 사용하기로 하였습니다. 여러분 들이 구할 수 있을 것들을 사용하시기 바랍니다.
모든 저항은 1/8 와트 용량입니다. 1/8와트 저항이 없다면 1/4와트 혹은 그 이상 용량의 저항으로 대체될 수 있습니다. 두 개의 가변저항 R1과 R2은 여러번 돌려서 설정하는 방식의 것이 이상적일 것입니다. 그러나 조절할때 약간의 정확도의 손실이 있지만 일반적인 한번 돌려서 설정하는 것으로도 대체될 수 있습니다. 나는 10K 가변저항을 많이 가지고 있어서 그것을 사용하였습니다. 10K와 100K 사이의 어떤 값도 잘 동작할 것입니다. 10% 허용오차는 모든 부품에 충분한 정도입니다. 이 회로에 그 이상의 정밀한 부품은 필요하지 않습니다.
개선 사항
나는 R8*과 R9*의 추가적인 저항을 추가해서 위의 회로를 수정하였다. 이 330Ohm의 저항들은 회로가 실제로 동작하는데 필요하지는 않다. 그러나 만약 가변 저항들이 잘못해서 한계치에 도달하게 되거나 잘못해서 버튼이 눌려지거나, 두 버튼이 동시에 눌려 졌을때 회로가 단선되거나하는 사고를 예방하기 위해서 도움이 된다. 나의 디자인은 시중하게 최소한으로 이루어 졌고 나의 초기에 사용했던 약간 복잡한 디자인에 사용된 이 안정용 저항들을 사용하였다. 그러나, 이 디자인을 공표한 후 나는 예상치 못한 사고를 예방하기 위해서 이들을 다시 되돌려 놓은 것은 아마도 좋은 생각이라고 판단했다.
릴레이는 40A의 용량의 일반 용도의 SPDT 자동차용 릴레이 입니다. 이것은 매우 쉽게 구할 수 있을 것입니다. 자동차 부품 파는 곳이나 폐차장에 버려진 차에서 하나 구할 수 있을 겁니다. 나는 연결의 용이성을 위해서 릴레이의 핀아웃을 포함하여 그려 넣었습니다. 40 A의 용량은 과한 용량인 것 처럼 보이지만 나중을 위한 확장이 될 수 있습니다. 여러분은 아마도 단지 하나의 작은 햇빛 충전판에서 시작할 겁니다. 나중에 더 추가하거나 가능하다면 풍력 터빈으로 혹은 좀더 용량이 큰 배터리로 하게 될 겁니다. 결국은 충전기는 약간 심각한 전류를 다룰 필요가 있을 겁니다. 왜 낮 시간동안의 동작만 고려하여 동작하도록 만들지 않느냐? 다른 모든 부품은 아래에 기입되어져 있습니다.
대부분의 부품들은 여러분 지역의 Radio Shack에서 구입할 수 있습니다. 다른 부품들은 자동차 부품 가게나 Digi-Key, Newark와 같은 온라인 전자 부품 샵에서 구할 수 있습니다. 여러분들은 또한 Amazon.com에서 부품을 찾아 볼 수 도 있습니다. 나는 Ebay에서 자동차의 릴레이를 구입하였습니다. 배송비가 있지만 자동차 부품 가게보다 더 저렴하고 심지어 우체통에 정확하게 배송됩니다.
IC1 - 7805 5 Volt positive Voltage Regulator R3, R4, R5 - 1K Ohm 1/8 Watt 10%
IC2 - NE555 Timer Chip R6 - 330 Ohm 1/8 Watt 10%
PB1, PB2 - NO Momentary Contact Push Buttons R7 - 100 Ohm 1/8 Watt 10%
LED1 - Green LED Q1 - 2N2222 Or Similar NPN Transistor
LED2 - Yellow LED Q2 - IRF540 Or Similar Power MOSFET
RLY1 - 40 Amp SPDT Automotive Relay C1 - 0.33uF 35V 10%
D1 - 1N4001 or similar C2 - 0.1uF 35V 10%
R1, R2 - 10K Multi-Turn Trim-Pots
한번 빵판에 프로토 타입을 동작시켜 본후 실제로 사용하기 위한 목적으로 Radio Shack 프로토보드에 또 다른 유닛을 만들었습니다. 처음에 한 작업을 다시하는데 한 두시간 정도 소요되었습니다. 이 좀 엉성한 버전은 상자에 넣어 지고 현장에서 철저한 테스트를 가해질 겁니다.
주의할 것은 이 보드에서 나는 5V 레귤레이터로 78L05를 사용하도록 선택하였다. 이것은 작은 TO-92 패키지로 2N2222 트렌지스터와 같은 사이즈를 갖는다. 이러한 크기는 보드의 공간을 많이 확보하게 해준다. 그리고 78L05는 100mA의 출력 전류를 보여준다. 그러나 이보드를 구동하기에 충분하다. 여러분이 작은 78L05를 구할 수 없다면, 좀 더 일반적인 크기의 TO-220 패키지의 7805를 사용할 수 도 있다. 뭐 약간 더 많은 보드 공간을 확보해야하는 것 이외에 아무튼 불이익은 없다.
여러분들이 한번 보드를 만들게 되면 이제는 세부 사항을 조절하고 보정해야할 시간이다. 나는 이 컨트롤러를 위한 하한 및 상한 전압 설정을 11.9V와 14.9V로 하였다. 이러한 설정은 언제 전력 전달을 배터리에서 더미 부하나 그 이외의 것으로 전환해야하는지를 보여준다. (여러분이 풍력 터빈에 사용하고자 한다면 더미 부하만 필요하다. 햇빛 충전판을 사용하고자 한다면, 더미 부하는 연결하지 않아도 된다.)
아마도, 회로를 보정하는 가장 좋은 방법은 배터리 연결단자에 가변 DC 파워 서플라이를 연결하는 것이다. 파워 서플라이를 11.9V로 설정하고 Test Point 1의 전압을 측정한다. 그리고 여러분이 test point 의 전압이 1.667V에 가장 가까이 도달할 수 있는 만큼 R1의 값을 조절하자. 그럼 이제 파워 서플라이를 14.9V로 변경하고 Test Point 2의 전압을 측정하자. 그리고 Test Point 2의 전압이 3.333V에 가장 가까이 도달하도록 R2의 값을 조절하자.
입력 전압을 11.7V에서 15.1V 사이를 오르락 내리락 하면서 충전기의 동작을 테스트 해보자. 여러분들은 릴레이가 14.9V 근방에서 접촉이 발생하고 11.9V 근방에서 접촉이 해제되는 소리를 들을 수 있을 것이다. 이 두 설정된 지점 사이에서 컨트롤러는 머물러 있어야 한다. Charger와 Dump 버튼은 입력 전압이 이 두 지점 사이에 있을 때 컨트롤러의 상태를 변경하는데 사용되어 질 수 있다.
여러분들이 나의 하한 전압이 너무 낮고 내가 너무 과 방전을 시키는 것이 아니냐고 알려주거나 나에게 이메일을 쓰고자 하기 이전에 배터리의 전압이 부하가 연결되지 않으면 일반적으로 낮은 상태가 되지 않는 다는 점을 고려해 주기 바란다. 부하가 제거되면 전압은 12V 이상으로 금방 회복 될 것이다. 그래서 여러분 들이 단번에 생각할 수 있듯이 배터리들은 많이 방전되지 말아야 한다.
회로작업이 이루어 지면 이제 생활 방수 수준의 케이스 안에 고정 한다. 릴레이는 왼쪽에 놓았다. 나는 와이어가 쉽게 모든 것에 갈 수 있도록 하기 위해서 barrier strip을 사용하였다. 그리고 높은 전류의 연결도 허용하도록 굵기가 굵은 와이어를 사용하였다. 이 정도는 40A 정도를 허용하도록 디자인 되었다. 또한 solar/wind 입력 라인에 퓨즈를 첨가하였다.
좀 더 큰 사진을 원하시면 그림을 클릭해보시라.
여기에 뚜껑이 있는 다른 사진이 있다. 이 상자는 이 작업에 적합해서 사용한 것이 아니라 내가 이미 가지고 있었기 때문에 그냥 사용하게 되었습니다. 영구적으로 외부에서 사용하고자 한다면 내가 원래 충전기에 사용하였던 것 같은 방수와 튼튼한 상자를 사용하기를 추천한다. 그러나 나는 투명한 뚜껑을 통해서 LED를 확인할 수 있고 간편하게 충전기의 상태를 구분할 수 있다는 사실은 좋다고 생각한다. LED를 위한 추가적인 구멍을 뚤지는 않았고 이 상자는 현장 테스트 목적으로 쓰게 될 것이다.
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여기에 옆면 사진있다. 이 사진은 외부에서 전선을 연결할 수 있는 모든 커넥터를 보여주고 있다. 각각의 커넥터는 배터리의 양극과, 태양열 집전기혹은 풍력 발전을 위한 터빈의 양극 입력, 옵션 사항인 dummy load의 양극, 그리고 세 개의 그라운드와 연결되도록 되어 있다.
충전기를 설정할 때 먼저 배터리 부터 연결해야 한다. 이렇게 해야만 전기가 안정적인 전력으로 사용 되어 질 수 있다. 만약 태양열 집전기나 풍력 터빈이 먼저 연결되면 제어기는 이 상태 저 상태 사이를 심하게 유동칠 수 있다.
이제 나는 dummy load에 대해서 설명해야 겠다. 내가 만든 풍력 터빈 같은 것은 강한 바람에 대한
................................ 번역중 ..............................
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