글쓴이 : SOONDORI
10여 년쯤 전에 산 드릴 세트는, 누적으로 하루쯤 썼을 것인데… 배터리 불량이다.
꺼내보면,
이름도 거창한 1.2V 니켈메탈수소화물(NiMH, Nickel–Metal-Hydride) 배터리가 직렬로 12개, 그래서 총 전압은 14.4V. 중간에 온도 휴즈와 과전류 휴즈가 들어 있는데, 기본은 AA 건전지를 쭉~ 직렬 연결해 놓은 것과 같음.
이것을 작은 AC 트랜스포머 + 전류 제한 저항 + 통전 LED로 구성된, 매우 단순한 회로가 일방 충전하더라. 폐기품에 대한 기억을 더듬어 봐도 충전 STOP은… 없었음. 사용자가 수시로 드릴에 붙어있는 간이 LED 인디게이터로 알아서 확인하라는 수작인데, 그 인디케이터는 진작에 고장이었고. 이후로, 블랙앤데커 브랜드는 영원히 OUT!이다.
DIY 해결 방법을 정리해 보자면,
○ 김*근 님의 리튬이온 대체 DIY 사례
걸맞은 알리익스프레스 표 충전 제어보드를 사서 조립한다. 매우 완벽한 실전적 해법.
* URL : https://audiopub.co.kr/user-talks/?uid=690&mod=document&pageid=1
참고로, 충전기 개조 DIY 포함.
* URL : audiopub.co.kr/user-talks/?uid=695&mod=document&pageid=1
○ (30V/5A급 전원 공급장치가 있다면) 배터리 껍데기만 남기고 유선형으로 만들어 쓰는 방법.
급할 때는 대충 그렇게. 단점은, 모터 기동 시점에 총 공급전력이 딸려서 시원하게 돌지 않는다. 정확하게는, 1) 모터 기동 시 어마어마한 초과 전류가 필요한데, 2) 대응하는 전원 공급장치의 조정 반응이 상대적으로 느려서 그런 것.
어쩔 수 없으니, 한 템포 늦은 반응을 보완하기 위해서 대용량 Kick-Up 커패시터와 역방전 제한용 다이오드를 쓰면 좋은데…
○ 알리익스프레스에서 유사품을 구입하는 방법.
똑같이 생긴 충전기도 있고, 똑같이 생긴 배터리도 있고. 다 좋은데… 억울함은 가시지 않음.
○ 배터리는 정상이고 충전기만 바보가 되었을 때의 대체회로 제작
1) 200mA급의, 매우 튼튼한 내열형 트랜스포머에 기대는 방법.
브랙앤데커가 쓴 방법은, 열에 둔감한 220V 입력, 십여 V 출력, 그리고 수백 mA급 작은 트랜스포머를 쓰고… → 초간단 정류 후 그대로 12개 직렬 배터리에 공급 → 트랜스포머는 미친 듯 제 할 일을 하되 물리적으로 정해진 200mA만 공급할 수 있다. P = V × I 에 의해서, 당연히 출력 전압은 뚝! 떨어질 것이고 열도 날 것이고. 그것을 배터리 팩 안에 온도 휴즈와 전류 휴즈를 넣어 놓은 배경으로 간주. 그래도 될 것이지만, 뭔가 좀… 블랙앤데커는 얄팍한 바보 같다?
2) 갖고 있는 가변형 레귤레이터 활용 : 전압 = 배터리 팩의 전압, 전류 = 200mA 이하로 설정하고, 마음 편하게 하룻밤 놔두기. 하루 종일 바쁘게 드릴을 써야 한다면 미친…
3) 트랜지스터 × 1, LED × 1, 저항 × 2로, 아래와 같이 140mA를 흘리는 회로를 만들고… 이것도 하룻밤 놔두기. 1년에 한두 번 쓰는 가정용으로는 그럭저럭 적합.
(▲ R1와 LED로 T1 트랜지스터의 V_be를 통제하여 약간량의 전류를 흘린다. 출처 : https://www.electroschematics.com/nimh-battery-charger/)
4) 너무 흔한 LM7805를 응용하는 방법
정전입 소자를 이용한 정전류원 방식. R1을 정의하여 V_2nd 이후의 전류량을 통제한다.
(▲ LM7805 IC에 부여된 기본 임무는 항상 V_org = 5V. Load 전류가 증가하거나 감소하면 R1에 걸리는 전압이 V = I × R에 의해서 등락할 것이다. 그러면 LM7805는 알아서 전압을 조정하려고 할 것이고… 그 효과는 전류량을 줄이거나 늘이거나와 같음. 그에 따라 V_2nd 전압도 달라지고 그에 따라 고정된 100오움 Load에 흐르는 전류량도 등락 = 과전류 및 과충전 보호 기능과 같음)
5) 대략 흔한 LM317을 쓰는 방법
전류 감지에 의한 제어 빙식.
(▲ 전류가 돌고 돌면서 R2를 통해 흐르게 된다. 그러면 R2 양단에 걸리는 전압은, 흐르는 전류에 비례하게 됨. V_i 전압, R1 전압과 R2 전압에 의해 LM317이 레귤레이션을 수행하므로 V_i 전압이 일정하다면, R2 전압이 증가할 때 LM317의 출력전압은… 작아진다. 계속하다 보면, 최저선으로 정의된 지점까지. 그러니까 1.25V에서 거의 Shut Off 상태가 됨 = 과전류 및 과충전 보호 기능과 같음)
생략된 왼쪽 DC 전원의 공급 전류는 수백 mA이면 충분할 것. 그러면… 왼쪽에서 레귤레이터로 18V를 공급하고 텅텅 빈 14.4V 배터리팩을 연결하고, 아래 R2를 가변저항으로 바꾸고 200mA가 흐르도록 세팅. 그때, 배터리 단자 전압은 무시함.
이상에서 핵심은, 저전류 충전 + Auto STOP.
말씀인즉, 배터리 셀 안에서 화학적 반응이 잘 일어날 수 있도록 (예) 200mA 이하로 천천히 충전하다가 전압 변화로 감지되는 <약 1.4V 풀 차징> 시점에 자동으로 멈추기.
왜 그런 통제가 필요한지?
만일, 이런 통제 없이 단시간 내 대전류로 배터리를 충전하면, 일종의 단락현상 같은 것이 생기면서 망패가 된다.
충전회로 입장에서 보면, 강제 충전 중인 일반 폐건전지나 텅텅 비어 있는 니켈-카드뮴 등 빈티지급 재충전 배터리는 작은 값의 일반 저항과 같음. 그러면, 밑 빠진 독에 물 붓기로, 전류가 확~! 흐를 수 있다는 이야기인데… 갑자기 정신 차릴 수 없는 대전류가 흐르면 내부 화학작용도 폭발하듯 일어날 것이니 좋을 일이 없다. 게다가 “1.2V~1.4V 구건에서만 쓴다”라는 화학적, 물리적 경계점도 생각해야 하고.
“… The typical internal resistance for new high-capacity NiMH rechargeable AA batteries is between 30mΩ and 100mΩ, and for an alkaline battery it is usually between 200mΩ and 300mΩ (but as high as 700mΩ, depending on its charge status). Faulty rechargeable batteries have a much higher internal resistance. The DS2711/DS2712 chargers therefore…” (Overview of Rechargeable Batteries and Fast Stand-Alone Chargers, 아날로그디바이스社 Technical Article에서)
참고로 아래와 같이 120% Peak점을 지나면 완충 전압은 오히려 감소. 전문 충전 IC는 이 변곡점을 감지하여 차단하거나… 또는 온도 추정, 내부 저항 추정 등 갖가지 아이디어를 추가 접목한다.
(▲ ‘C’는 사이클 레이트(Cycle Rate). 100 단위를 충전했을 때 1시간에 50을 쓰면 0.5, 1을 쓰면 1)
(▲ 전용 IC를 썼지만, 1.2V 셀의 표준 반응 그래프에 기대고 있는 2셀, 1.2V × 2 = 3.4V 충전 회로. ‘-△’는, 목표값 대 현재값의 비교에 의해서 완충 시점을 판단한다는 뜻. 목표값은 전류-전압 그리고 1.5nF와 내부 저항으로 지정하는 RC 타이머의 경과시간. 당연히 IC 내부에 비교기와 Step 처리 루틴이 들어 있다)
그러면… 무엇이 망가진 현물에서는? 다음 글에서 계속.
* 관련 글 : 망가진 NiMH 드릴 배터리의 수리 방법 (2)
“건전지나 배터리가 없는 세상에서 살고 싶다~아!”
아래는 <금속성 수상돌기 결정물(Metallic Dendrite Crystal) 형성>에 의한 배터리 망실의 예.
(출처 : https://phys.org/news/2013-12-view-dendrites-li-batteries-root.html)
반복 화학 반응에 의해 극판 추출물이 성장하고 내부 절연이 깨지고… 말 그대로 +와 -가 붙는다. 단자를 멀티미터로 측정면, 0.0000오움일 것.
