글쓴이 : SOONDORI
이하, 짱돌 님과의 대화에서 착안한 상상을 정리한다.
* 관련 글 : 과전류 제한 기능을 포함하는 30V 5A 전원 공급 장치 만들기 (2), 제작 그리고 테스트
리니어 전원에 국한하는 조건으로, AC를 DC로 변환하고 그 DC를 원하는 전압으로 만드는 다양한 방법 중 무려 50A라는 대 전류를 취급하기에 가장 안전하고 편안한 방법이 무엇인지를 생각해보았다.
○ 흔히 쓰는 직렬(Series Pass)형 전압 조정 : 무너지려는 댐(=전압=전류)을 손과 발로 막는 것과 같은 구조. 많은 회로에 사용되는 것은 리플 억제를 포함하는 강점이 있기 때문이다. 뻔하니까 일단은 Pass.
○ 병렬 분기(Shunt)형 전압 조정 : 대부분의 전류(=고정 부하에 대한 전압)는 자연스럽게 흘려보내되 목표값에서 이탈하는 최소 변량만 통제.
○ 기타 : DIYer가 만나게 되는 이런저런 솔루션이나 전용 Chip이 있지만, 묻고 따고 할 것도 없이 과격한 50A를 핸들링하기에는 턱없이 부족하다고 판단함.
■ Shunt Regulator
뭐…더 좋은 것이 많이 있겠지만, 약간은 ‘밥숟가락 얹기’에 날치기 느낌까지 있는 병렬 분기형 구조를 상정하고…
위 표준 회로도에서,
– PNP 트랜지스터는 主 전류 흐름에 대하여 병렬 연결되어 있다.
– R1과 R2의 분압비는 단순 비율이기 때문에 V_i 입력 전압의 변동에도 불구하고 그대로 유지된다. 그러므로 TL431 가변형 제너 전압도 사용자가 지정했던 그대로 유지.
– 수시 증가 또는 감소하는 V_i 입력 전압에서 R_Bias 저항 양단의 전압 즉, V_be를 빼면 그것이 곧 V_zenor 전압. 반대로 이야기하면, V_zenor 전압이 항상성 있게 유지되기 때문에 V_i 변화에서 그것을 차감한 전압은 그대로 R_Bias 저항 양단에 나타나게 된다.
– V_i가 증가하여 R_Bias 양단 전압이 커지면 트랜지스터는 전류를 조금 더 흘리게 된다. 그것은 곧 주 전류 흐름에서 일부 전류를 GND 라인으로 빼버리는 것이 되고… 그에 따라 고정된 부하가 물려 있는 전원 공급 장치의 출력 전압은 감소한다. 반대 조건은 그 반대로. 이것을 식으로 정리하면,
V_out = V_i – 트랜지스터의 바이패스 작용
트랜지스터의 바이패스 작용 = fx(V_i 변동 전압 – 제너 다이오드 전압)
– 돌입전류 방지대책은 0.5오움 정도, 적당 W 저항 삽입. 큰 전류가 몰려오면 순간 발열로 저항값이 증가하면서 전기 흐름을 일정선까지 억제한다.
■ 정류 방식
편해서 자주 쓰는 브리지 다이오드의 AC-DC 전력 변환 효율은 0.6 정도. 트랜스포머 구입 예산에 제한이 있다고 보면… 에너지를 낭비하면 안 되니까 효율 1.0이라는 아래 전파 정류(Full Wave Recifier) 구조를 채택하는 것이 좋겠다.
다이오드 두 개면 되는데… 반드시 트랜스포머에 센터 탭이 있어야 한다는 점에 유의. 센터 탭이 없으면? 다이오드 한 개를 쓰는 반파 정류는 너무 거시기하니까… 어쩔 수 없이 다이오드 브리지 방식으로 돌아가야 함. 그러면 트랜스포머의 VA가 커져야 함.
■ 반도체 소자
한 마디로 “널려 있다”.
■ 평활 콘덴서
여러 대 HAM 장치가 전파 방사를 하면서 순간적으로 끌어가는 전류 총량을 생각하면, 장치 종단은 거의 단락에 준하는 상태까지 갈 수 있으므로 넉넉한 용량이 필요하겠다. 평활이고 뭐고 일단, 댐처럼 에너지를 담아두는 것을 상상하고 예산 한도 내에서 25V급 이상 1만 uF 단위로 평가.
* 관련 글 : 평활 콘덴서 용량에 대한 이야기
■ 전원 공급기 내 전류 흐름
50A가 흐를 때의 에너지가 저지를 수 있는 다양한 악행을 상상한다면, 세심한 배려가 필요할 것.
■ 전원 스위치
반드시 Surge Suppressor라고 통칭하는 간단한 대책을 적용. 예를 들어 0.01uF/2KV짜리 커패시터를 스위치 양단에 연결해도 됨. 그런 게 없으면 얼마 후 스위치 접점이 소손될 수 있다는…
■ 방열 및 냉각
정류 소자 냉각, 트랜지스터 냉각, 기타 발열 부품의 냉각이 필요하다. 정확하게는 장치 하우징 안쪽 고온의 신속한 배출이 중요하고 체적 공간 제약을 고려하면 Duct형 방열판에 FAN을 밀착시킨 제품이 적당할 듯.
(▲ FAN 부착 덕트형 방열판으로 체적을 줄인 사례. * 관련 글 : 아남 AV-77, 작은 공간에 들어간 큰 A/V 서라운드 앰프)
바로 앞에서 FAN 소리가 들리면 불편함이 이만저만 아닐 것. FAN On/Off 또는 속도 제어 로직의 적용이 합당하다. 물론 볼 베어링 들어간 저소음 브러쉬리스 팬을 써야 하겠고 또… 이제는 인터넷에서 쉽게 구할 수 있는 펠티어 냉각 소자를 보완적으로 병용하는 방법도 있다.
■ 보호 회로
DC 13.8V 자체는 별것 아닌데 50A가 잠재적 위험 요소.
585.57W가 한순간에 방출되는 상황 그러니까 출력 라인에 단락이 발생한다면? 전원 회로 안에서 우연히 뭔가 분리된다면? 전원 스위치를 켰는데 돌입 전류가 어마어마하여 스위치나 배선에 손상이 간다면? 모종의 사유로 어떤 부품이 고온 발열한다면? 잠시 창문을 열어 놓고 방을 나갔는데 갑자기 소나기가 들이쳤다면?
전원 투입 후 제어계 안정을 위한 시간을 배려해주는 게 좋을 것이니 간단한 타이머를, 몇 개 포인트 온도를 상시 감시하다가 릴레이를 Off 시키는 회로가 있으면 좋겠다.
아? 방금 기억이 났는데… 미국에서 구매한 써지, 노이즈 필터같은 것도.
* 관련 글 : KEMET EMI Filter 노이즈 배제 실험 (1), 상상하기
■ 인터페이스, 공간 절약, 디자인
반드시 넉넉한 전류 등급의 단자를 사용해야겠고, 현재 전압과 전류를 패널 미터로 보여주고 보호 회로 상태를 보여주는 LED 몇 개 배치. 아주 고급스러운 Yokogawa 아날로그 미터를 배치하는 것도 좋을 듯. 8비트나 16비트 마이크로 컨트롤러 배치도 좋고… 그런데, 반대로 생각하면, 장치 목적만 생각하면 모두가 장광설 욕심이다.
그래도… HAM 장비가 대체로 ‘예쁘거나 고급스럽거나’이기 때문에 그에 걸맞은 모습이어야 한다는 생각이다. 전적으로 예산과 취향의 문제.
■ SSR?
언젠가는 문제를 일으킬 릴레이를 쓸 것이라면, 학습과 재미를 위하여 반도체 릴레이(SSR; Solid State Relay) 사용을 검토해보는 것도 좋을 듯. DC용 SSR은 대용량 제품이 널려 있다. 방열판 필요.
■ 한 개 대형 트랜스포머 대 n개 소형 트랜스포머
거대 트랜스포머의 2차 측에서 AC 50A를 흘리려면… 전압 상하 등락 등 DC와 다른 요소를 고려한다고 해도 상당한 굵기의 에나멜 선을 사용해야 할 것이고 그것은 무게는 물론 제작 비용의 급증으로 이어질 것이다.
싼 것을 조합하는 방법은 없을까? 예를 들어, 싸고 흔한 500mA 100개를 병렬로 연결하면?
가정집 벽면 콘센트 전원의 전력은 AC 기준 220V × 15A = 3.3KW 정도. <DC 13.8V의 AC 역 환산 전압 9.76V × 10A = 97.60W>에 곱하기 6대를 한 585.57W를 충분히 수용할 수 있는 에너지양이다. 그런데, 제작 편차에 의한 능력 차이도 있을 것이고 분리 독립된 각 트랜스포머가 다른 트랜스포머에 부하로 작용할 수 있을 것이며… 에너지 소스의 밸런스를 생각하면 아무래도 무리한 상상.
“AA 건전지 1000만 개를 병렬 연결해봐야 3조짜리 원자력 발전소 한 기가 될 수는 없음”
■ Key Point
앞서 Shunt Regulator에 주목한 것은, 13.8V 고정 목표를 상대하는 마당이니 220V 상용 전원의 등락까지 충분히 고려한 13.8V 준수와 50A 준수의 책임을 트랜스포머 제작 세상에 미뤄버리자는 전략 때문이다. 그쪽은 DIYer가 아니라 수십 년 경험을 가진 전문가들이 포진해있는 세상이니까.
기본이 좋은 트랜스포머만 있으면 대체로 리스크가 없는 DIY 작업. 그러니까 9.76V/50A 트랜스포머를 아주 잘~ 만들어달라고 해야겠다.
한편으로, 그런 좋은 트랜스포머만 있다면 ‘220V±10% 변동 대비 13.8V 변동의 비율(*)’에 기대어 정류하고 평활하고 그냥 써도 될 듯.
* AC 198V~AC 242V 변동 = DC 12.42~15.18V 변동 → Shunt Regulator 또는 (정전압 회로를 배제한 조건) HAM 장치 정전압 회로는 총 |2.76V| 변동을 관리하면 됨.
관건은 전압이 아니라 넉넉한 전류량. 어차피 HAM 장치 안에 고 수준의 정전압 기능이 있을 것이니까. 자동차 발전기가 고장나면 RPM에 따라서 20V까지 치솟는다는 것을 HAM 장치 제작사가 잘 알고 있었을 것이다.
* 관련 글 : Shunt Regulator 간이 구현 및 테스트
표제부 사진 장치는 Kenwood PS-33 리니어 레귤레이터. 디자인이 심심하니까 오히려 좋음.
회로의 특징은, 1) 메인 라인에 브리지 다이오드 사용, 2) 대전류 취급은 Q4이 드라이빙 하는 2N5885 트랜지스터(25A급)가 병렬로 대응, 3) 대 전류 통제 회로와 드라이빙 회로를 분리, 4) 써미스터 소자 + FAN 컨트롤 회로에 의한 방열 제어 로직 구현으로 정리된다.
(출처 : https://alrc.asia/28355spkm8310f0fbjm4f0c021c)
취급 전류는 20.5A. 가변형 전원 장치이므로 션트형이 아닌 직렬형을 채택. 2N5885 트랜지스터는 최대한 특성이 일치하는 것을 썼을 듯하다. 그게 아니면 한쪽의 부담이 커지면서 문제가 생길 가능성이…
