글쓴이 : SOONDORI
지인의 요청으로 아주 간단한 점화코일 드라이빙 장치를 만들어주기로 했고 며칠 후 국산 구형 자동차에서 떼어낸 몇 개 부품을 건네받았다. ‘Power TR’ 두문이 크게 새겨진 커어~다란 소자 하나, 철심 몰딩 형 점화코일 하나, Dual Spark 형 점화 코일 하나.
■ 자동차용 ‘파워 티알’은 무엇을 하는 소자?
흔히 ‘티알’이라고 하지만, 쉽게 생각하는 바이폴라 트랜지스터로 단정하기는 어렵다고 본다.
종종 MOSFET와 IGBT를 묶어서 ‘트랜지스터’라고 부르기도 하고 또 대화 중 20mA가 언급되었던 것에 기대면… 업계 관성에 의해 ‘파워 티알’이라고 부르는 것은 아닌지?
보호 회로와 Current Loop 통신 기능을 내장한 다알링턴 트랜지스터 기반 패키지 IC 또는 MOSFET, IGBT를 쓴 패키지 IC일 수도 있는데… 당연히 공개된 데이터 시트는 없음.
아무튼, 지인이 NPN형이라고 언급했던 소자의 구동 조건은 1) 4V 이상의 입력 전압, 2) 20mA 입력 전류, 3) 12V 자동차 배터리 연결 세 가지. (1항과 2항을 조합하면 아무래도 IGBT 패키지 IC인 듯?)
[ 관련 글 ]
Power MOSFET에 대한 이야기
Power IGBT에 대한 이야기
■ 회로 스케치
점화 동작의 핵심은 다음과 같다.
1) 코일은 커패시터와 마찬가지로 일정량의 에너지를 잠시 보관할 수 있다. 전압은 즉시 발현되고 전류는 짧은 순간 Slope를 가지고 증가하다가 최고점에 도달하는데 그것을 전압 대비 전류의 지각(Retard)이라고 한다. 앞섬 또는 뒤처짐은 위상에 관한 어떤 물리현상. 위상 차이는 90도가 표준. 이것은 스피커 네트워크 자작이나 코일이 들어간 AM/FM 부품 등을 만지작거릴 때 참고할 내용이겠고…
2) 점화 코일 1차는 1오움 미만에 5~6mH, 2차는 10K오움 이상의 6~8H. 승압비는 100~150 정도. 몰드형과 절연유 주입 캐니스터형이 있다. 겉으로는 뻔해보이지만 대단한 기술이 집약된 제품.
3) On-Time 제어 : 자동차 크랭크축에 연결된 CAM 접점의 통전 시간 = 드웰(Dwell) 타임 = 트랜지스터 On = 코일에 전기 에너지가 전달되는 시간 → 매우 짧은 시간(*) 동안 서서히 증가하는 전류의 특성을 감안하여 코일에 적당량 에너지를 축적하는 일종의 시간 제어.
* 수 uS, 수 mS를 잘 조절해야 코일에 Max. 에너지가 저장된다. 그런 속성의 결정이야… 자동차 제작사와 부품 제작사가 알아서 할 일.
(▲ 이렇게 구성하면 잠시 동작할 것이지만, 안전 대책이 배제되어 있기 때문에 얼마 후 고장이 나게 될 것. 물론, 소자가 워낙에 튼튼하거나 패키지 IC가 맞고 그 안에 각종 보호회로까지 들어 있다면 그렇지는 않을 것이지만)
4) Off-Time 제어 : 트랜지스터 Off. 에너지가 최대로 축적된 코일의 1차 측과 2차 측에서 각각 자력선 붕괴(Collapsing)와 자기유도작용에 의한 보관 에너지의 방출(=전류 흐름 반대)이 일어나고 다음 상관관계의 초고압이 유기된다.
V = L × △i / △t
L은 인덕턴스(H), i는 자력선 붕괴 시 전류(A), t는 붕괴 지속 시간(초)
5) 쓸모 있는 에너지와 쓸모없는 에너지의 처리 : 몇 만 V인 2차 측은 점화 플러그로 가는 것이니 쓸모가 있고 1차 측은 쓸모가 없음. 그런데 물리현상이라서 피할 수는 없고 전압이 수백 V~수 KV나 되니까 어떻게든 잠재워야 한다.
* 관련 글 : 6만 볼트의 힘 그리고 경로 저항
5) 코일이 공급하는 에너지(Joule)의 크기, 플라즈마 형성, 아크 방전 등 단계별 진행, 그에 따른 시간별 전압과 전류의 변동 등은 생략. 고압 프로브도 없고 뭣도 없고…
(출처 : https://www.crypton.co.za/Tto%20know/Ignition/burn%20time.html)
이상의 조건에서 회로를 스케치해보면,
1) #1 = RCD Clamp 회로. 2차 측 반응을 제어하는 용도로 있으면 좋지만, 기생 인덕턴스까지 고려해야 한다면… Pass.
2) #2 = 자력선 붕괴 시의 역전류 흐름에 대응하여 소자를 보호하는 플라이휠(Fly Wheel) 다이오드. 건네받은 자동차 전용 소자 안에 당연히 들어가 있는 것으로 간주하고 생략함.
3) #3 = 소자 입력을 보호하기 위한 외부 TVS. 소자 안에 내장되기도 한다. Spike가 유입되면 Gate, Base 제어 신호를 교란할 수 있으므로 주의가 필요함. 어떤 경우는 안 쓰는 게 나을 수도.
4) 고에너지 맥동이 만들어내는 Negative Spike에 대한 마음의 준비가 필요하다. 나아가 코일 방전 시의 강력한 전자기장 즉, EMF(*)가 허공을 날아와 소자 입력 핀에 전달되면서, 마치 오디오 증폭 부가 발진하는 것과 같은 상황이 벌어질 수도 있다. 아무래도 금속 케이스를 쓰는 것이 합리적인데… 지인이 코일을 함체 밖에 두겠다고 하니 그냥 플라스틱 케이스를 쓰기로 함.
* 전도성, 방사성 EMF(Electro-Magnetic Field)가 혼합된 형태일 수도 있다 싶은… GND 라인을 열심히 단도리한다고 해도 오실로스코프로 관찰해보면 상당히 심각함.
5) 오토모티브 소자는 밀리터리 등급과 같이 오디오용 일반 소자와는 격이 다르다는 점에 기대기. 그러니까… “에라 모르겠다. 어떻게 되겠지!” 마인드로 접근.
■ 가변형 발진 회로
DIY용으로 흔히 쓰는 NE555 IC는 LM 시리즈 레귤레이터처럼 고압 코일을 다루는 데 있어서 흠결이 많다는 생각인데 뭐… 편하니까 그냥 쓰지만, 고압 방전 과정에서 쇼크를 먹고 나가떨어질 수 있다는 점 고려한다.
* 관련 글 : IC가 왜 폭발했을까?
1) IC 소켓을 쓰고, 2) 출력 라인에 Spike 블로킹 다이오드 적용하며, 3) CR 시정수가 전압에 따라 변동하므로 LM 시리즈 정전압 IC를 쓰기로 한다. 물론 그쪽에도 Spike 블로킹 다이오드를 적용.
정리하면 다음과 같다.
■ 부품 마운트 방법
고에너지를 다루는 데 있어서 만능기판은 많은 취약점이 있다. 촘촘한 패턴이 눈에 안 보이는 에너지의 Jump, Jump, Jump를 유발할 수도 있고… 아무튼 배선에 유의해야겠다.
가능하다면 RF DIY에서 쓰는 동박 기판을 활용하는 것도 좋고. 이 사례에서는 회로가 너무 간단하고 대충 쓸 것이라고 하니… 편한 길로 감.
* 관련 글 : 자동차 점화 코일 드라이버 만들기 (2)
