쿨러 풍력발전기 정류회로 만들기

오래간만에 전자 주제로 포스팅을 하게 되었네요

 

그래서 이번 포스팅에서 다룰 내용은 저번에 만들었던 컴퓨터 쿨러 풍력발전기에서

회로를 추가하여 업그레이드하는 내용을 담을 것입니다

 

회로는 간단하게 브리지 정류회로 평활 회로로 구성했으며

이번에 주로 다뤄볼 것은 정류회로와 평활 회로를 다뤄볼 것입니다

 

쿨러에서 나오는 전압은 약한 저전압이므로 일반적으로 많이 사용되는

실리콘 정류 다이오드(1N4007)를 사용하지 않고

쇼트키 다이오드를 사용했습니다

 

사용된 부품

브리지 정류회로 및 평활 회로에 사용된 부품입니다

 

좌측부터 전해 콘덴서 (Electrolytic Capacitor)

초록색 터미널 블록, 파란색 LED, 쇼트키 다이오드가 있습니다

 

쇼트키 다이오드인 경우에는 1N5819 사용했습니다

 

1N5819 스펙 정리와 쇼트키 다이오드 관련 내용

 

순방향 전압강하는 0.55V 정도 됩니다

역방향 항복 전압은 40V으로 일반 실리콘 정류 다이오드보다 낮은 항복 전압을 보이지만

컴퓨터 쿨러에서 나오는 전압은 최대 12V 이상 올라가기도 힘들기 때문에

항복 전압 관련해서는 전혀 문제가 없습니다

보통 컴퓨터 쿨러 발전기에서 전압이 많이 나오면 5V 정도 나옵니다

 

그래서 이보다 낮은 항복 전압 20V 되는 1N5817 사용해도 됩니다

이 경우에는 문턱전압 0.45V 이므로 더 효율적으로 정류할 수 있습니다

 

쇼트키 다이오드 특성상 역방향 항복 전압 미만의 전압이라도 누설전류가 크기 때문에

정밀한 회로에서는 사용 시에 주의가 필요합니다

이번에 만들 회로는 정밀한 회로가 아니므로 그대로 사용했습니다

사실 이번 회로에서는 그대로 사용해도 문제 될 정도 아닙니다

 

 

이 외에 전해 콘덴서는 330 µF 사용했습니다

쿨러에서 나오는 교류 주기를 계산해 봤을 때 약 34hz 정도 나오는 것을 보니

330uF도 충분하기 때문에 이것으로 사용했습니다

내압은 50V 정도 됩니다

 

평활 회로에서 콘덴서 용량이 클수록 직류와 가까워지지만

대신 충전시간도 길어지기 때문에 LED가 켜지는데 조금 오래 걸릴 수 있습니다

1000 µF 까지는 문제가 없으니 1000 µF 콘덴서를 사용해도 됩니다

보통 내압은 16V정도 이 회로에 사용하기 적당합니다

 

가격은 330uF 콘덴서보다 조금 비싸거나 비슷한 수준입니다

대신 부피가 크므로 사용하시는 회로에 맞게 전해콘덴서를 사용하시면 됩니다

 

LED는 파란색 LED가 가장 많이 있어서 사용했습니다

 

회로도 전자캐드 프로그램 KICAD활용 출처 본인

먼저 회로도입니다

회로도를 봤을 때 쿨러 발전기에서 나오는 교류 전기에서

쇼트키 브리지 정류회로를 거쳐 교류를 직류로 변환합니다

이때는 맥동 전류로 완전한 직류 파형이 아니므로 콘덴서를 추가해 평활 회로를 구성했습니다

 

여기서 맥동 전류는 브리지 정류회로를 통해 나오는 직류에서

교류의 성분이 있는 것을 말합니다

이 맥동 전류가 있는 경우 직류 파형이 불안정해지므로

이 맥동 전류를 없애기 위해 평활 회로를 구성합니다

 

브리지 정류회로 회로 설명

 

브리지 정류회로에서 소자는 1N5819를 사용했으며

앞서 설명했듯이 전압강하는 0.55V 이므로 브리지 회로를 거치면

총 1.1V 정도 전압강하가 생깁니다

 

그래서 쿨러 발전기가 부담해야 되는 부분 내용에 대해서 설명합니다

 

파란색 LED가 안정적으로 켜지려면 최소 2.6V 이상 LED에 전압이 가해져야 되기 때문에

쿨러 발전기에서는 전압강하까지 고려하면 최소 3.7V 이상 전압이 발생돼야 됩니다

가장 밝고 안정적으로 켜질 때는 쿨러 발전기에서 4.2V 정도 전압이 발생되어야 됩니다

 

다이오드 연결은 회로에서 보시다시피 다이오드 띠 있는 곳이 모이는 부분은 +

띠가 없는 곳이 모여있는 부분은 - 로 하시면 됩니다

 

교류 부분은 띠 있는 부분과 없는 부분 같이 연결된 부분에 극성 상관없이 연결하면 됩니다

 

 

전해 콘덴서는 극성에 맞게 연결해주면 됩니다

 

전해콘덴서의 + 부분은 브리지 정류회로에서 +

- 부분은 브리지 정류회로에서 -

이렇게 극성 주의해서 연결해주면 됩니다

 

LED는 긴 다리와 짧은 다리가 있는데 다리가 잘린 상태로 나온 경우

 

LED 소자 부분을 자세히 보시면 넓은 부분과 좁은 부분이 있습니다

보통 넓은 부분에서 나온 다리는 -

좁은 부분에서 나오는 다리는 + 

이렇게 극성이 연결되어 있습니다

 

다리로 극성 구분하는 방법은

긴 다리는 +

짧은 다리는 -

이렇게 구분하면 됩니다

 

간혹 중국산 LED 중에서 반대로 연결되어 있는 경우도 있으니

LED는 극성 테스트를 한 다음 연결해주십시오

 

이 구분법은 2핀 원형 LED에 해당됩니다

 

브릿지 정류회로

브리지 정류회로입니다

 

브리지 정류회로를 만드는 방법

 

먼저 다이오드 4개를 준비합니다

다이오드 2개를 사용해서 서로 띠 있는 다리를 꼬아서 서로 연결한 다음

다른 다이오드 2개를 사용해서 띠 없는 다리을 서로 연결해주면 됩니다 (직류 부분)

그다음 띠 있는 부분과 띠 없는 부분 다리를 연결해주면 됩니다 (교류 부분)

 

잘 연결했으면 사진과 비슷한 모양이 나오게 됩니다

 

사진에서는 왼쪽 부분은 서로 같은 극성을 가진 다리를 연결한

직류 부분입니다

 

오른쪽 부분은 서로 다른 극성을 가진 다리를 연결한

교류 부분입니다

 

납땜한 다이오드

이렇게 다리를 납땜해주면 됩니다

 

다리 납땜할 때 주의점은 먼저 다리에 인두기를 대지 않은 상태로

충분히 열을 가하지 않으면 냉납으로 연결되지 않은 상태가 되므로

먼저 다리를 충분히 예열한 다음 실납을 다리에 녹여 납땜하면 납땜이 잘 됩니다

 

납땜할 때 실납의 양이 너무 많으면 합선이 되기 때문에 양 조절 잘해야 됩니다

 

사진처럼 납땜하면 문제없이 잘 작동됩니다

 

다리 자르기

납땜해서 선 연결하기 편하도록 다리를 잘라주면 됩니다

 

다리 길이는 회로에 따라서 적당히 잘라주세요

너무 짧거나 길게 되면 선 납땜하거나 회로에 납땜할 때

납땜하기 어려워집니다

 

완성된 회로에 선 연결

완성된 브리지 정류회로에 선을 연결합니다

 

흰색선은 교류 부분에 연결을 하고

직류 부분에서는 + 부분에 빨간색 선

- 부분에 검은색 선을 연결하면 됩니다

 

추가로 쇼트가 나지 않게 수축 튜브를 씌워줘야

회로 쇼트로 인한 오작동과 고장을 예방할 수 있습니다

 

납의 산화도 막기 때문에 납땜 부분 보호와

부품 부분에 수축 튜브를 씌워주면 부품을 보호합니다

 

최종적으로 완성된 정류회로

완성된 정류회로입니다

 

브리지 정류회로에서 극성에 맞춰 콘덴서와 LED를 연결했습니다

테스트 용도이기 때문에 터미널 블록을 사용해서

임시로 연결했습니다

 

특히 전해콘덴서는 역전압을 가해줄 경우 고장이 쉽게 나기 때문에

극성을 잘 확인한 다음 연결해줘야 됩니다

 

극성 확인 방법은 콘덴서 몸체 부분에서 ----- 이렇게 표시된 부분은 - 극성

아닌 부분은 + 극성으로 구분합니다

 

이제 정류회로를 다 만들었습니다

 

정류회로와 평활 회로의 중요성 실험으로

정류회로를 연결할 때와 연결하지 않을 때를 비교하는

영상을 준비했습니다

 

LED만 연결했을때 1/8 배속 슬로우 모션

먼저 정류회로 없이 LED만 연결했을 때입니다

 

LED만 연결했을 때는 깜박임 주기가 길고

슬로 모션으로 촬영했을 때는 깜박임이 더 잘 보였습니다

 

이렇게 되는 원인은 교류전원을 그대로 연결할 경우

LED에서는 바로 반파 정류한 후 그대로 빛으로 방출하기 때문에

반 주기 정도 빛을 방출하게 됩니다

 

이때 또 다른 반 주기는 역전압이므로 LED가 꺼지게 되므로

긴 주기로 LED가 계속 깜박이게 됩니다

 

브릿지 정류회로를 연결했을때 1/8 배속 슬로우 모션

브리지 정류회로만 추가로 연결할 때입니다

 

이 경우에는 LED만 연결했을 때와 달리 깜박임 주기가 짧아지고

슬로 모션으로 볼 경우 그래도 깜박임이 계속 보였습니다

 

여기서 중요한 것은 브리지 회로에서 정류가 돼서

깜박임 주기가 짧아졌다는 점입니다

 

브리지 회로를 통과했을 때는 반파 정류와 달리

전압강하가 많이 일어나므로 쿨러를 빨리 돌려야 되지만

그만큼 주기가 줄어들어서 깜박임이 덜해집니다

 

주기는 첫 번째 반주기 때 1번과 2번 다이오드에 전류가 흐르고

두 번째 반주기 때 3번과 4번 다이오드에 전류가 흘러서

첫 번째와 두 번째 반주기 모두 사용해서 직류로 출력할 수 있습니다

 

그러므로 맥동 전류 주기가 반파보다 1/2 정도 줄어드므로

좀 더 직류에 가까워지게 됩니다

 

그러나 맥동 전류가 아직 크기 때문에

직류라고 보기에는 어렵습니다

 

브릿지 정류회로에 평활회로를 추가했을때 1/8 배속 슬로우모션

다음은 브리지 회로에 평활 회로를 추가했습니다

 

평활 회로는 여러 종류가 있는데 가장 간단한 콘덴서 1개를 사용한

평활 회로를 만들었습니다

 

영상에서 보는 것처럼 처음에 콘덴서 충전이 이루어질 때 LED가 깜박이면서 밝아지게 됩니다

그다음 안정화가 이루어지면 안정적으로 LED가 켜지는 것을 볼 수 있습니다

그렇지만 LED에서 깜박임이 조금 있습니다

 

평활 회로를 추가했을 때도 LED가 조금 깜박이는 이유는

콘덴서가 충전될 때와 방전될 때를 생각하면 됩니다

 

충전될 때는 전압이 높아지므로 LED가 밝게 켜지다가

정류회로에서 전기가 흐르지 않는다면

콘덴서에서 서서히 방전시키게 됩니다

 

방전시킬 때 LED 켜짐 전압 이상을 유지하면 그대로 켜져 있지만

콘덴서가 일정 전압 이하로 방전돼버리면 LED는 조금 어두워지게 됩니다

 

그러므로 평활 회로를 추가해도 LED는 약간 깜박이게 됩니다

그렇지만 앞서 두 경우와 비교했을 때는 깜박임이 거의 사라졌습니다

 

이와 같이 평활회로도 리플 전압 이라는 교류성분이 있어서

불안정한 직류라고 볼 수 있습니다

 

여기서 리플 전압이란 물결치는 전압이라고 보시면 됩니다

콘덴서가 충방전 될 때 전압이 물결치듯이 올라갔다 내려갔다 하는 현상이 생기는데

이런 현상으로 인해 노이즈가 생기고 정밀부품에 지장이 생깁니다

 

이런 노이즈를 없애기 위해 충전기나 컴퓨터에 들어가는 파워 등의

전원 공급장치에서는 콘덴서의 용량을 큰 것을 이용하게 됩니다

 

결론적으로 평활 회로를 넣기 전 2가지 경우보다

깜박임이 많이 없어졌다입니다

 

그만큼 평활 회로도 중요한 역할을 하게 됩니다

 

추가 번외 실험

평활 회로의 콘덴서 용량을 매우 크게 하면 어떻게 될까

이점에 관해서 추가로 실험해봤습니다

 

그래서 슈퍼콘덴서를 터미널 단자에 납땜해서 추가했습니다

슈퍼콘덴서는 내압 5.5V 용량 1F 사용했습니다

 

일반 전해콘덴서로 볼 때 엄청 큰 용량이고

슈퍼콘덴서로 봤을 때는 일반적인 용량입니다

 

그 결과 처음에는 바로 LED에 불이 들어오지 않다가

어느 정도 시간이 흐른 뒤 LED가 켜지게 됩니다

LED가 완전히 켜지게 되면 쿨러가 멈춘 상황에서도

슈퍼콘덴서에 남아있는 전기를 이용해서

LED가 켜져 있습니다

 

처음에는 다른 콘덴서와 같이 전기를 저장하게 됩니다

용량이 큰 슈퍼콘덴서인 경우에는 전기를 저장해서

LED가 완전히 켜지는 전압까지 도달하는 시간이 오래 걸리게 됩니다

 

이렇게 충전을 하게 되면 서서히 방전되므로

충전할 때보다 더 오랫동안 켜져 있게 됩니다

 

영상 속 슈퍼콘덴서는 영상길이 문제로

충전 1분 방전 1분 똑같은 조건으로 실험했지만

실제로 봤을 때는 방전 시간이 3~5분 정도 됩니다

 

슈퍼콘덴서의 이러한 특성을 이용하여

비상용 손전등과 같은 물건을 만들 수 있습니다

 

비상용 손전등은 조금 더 큰 용량의 슈퍼콘덴서를 연결해서

만들어볼 예정입니다

 

이번 포스팅 여기에서 마쳐보도록 하겠습니다

 

도움이 되었으면 공감 해주시면 감사하겠습니다

이번 포스팅은 동영상 업로드 시간과 함께

거의 한나절정도 시간이 걸렸습니다