겨울 천체관측용 키트 제작

날씨가 추워지는 겨울은 천체관측 취미러들의 계절입니다

시베리아 고기압이 하늘을 높고 구름 한점 없이 만들어주고, 겨울에만 보이는 여러 별자리들이 하늘 높이 떠오른다고 합니다.
….네… 전 아직 본 적이 없답니다. 시작한 지 몇 달 되지않은 취미라 가을에 본 별자리가 전부라고 할 수 있지요. 그렇지만 이제 겨울이 오고 있습니다! 개인적으론 많이 기대되지만 겨울을 대비해 장비가 필요하다고 해서 지난번에 열선패드를 만들었습니다.

오늘 만들 것은 열선패드 두 개와 적도의 모터드라이브용 전원을 하나의 전원에서 분배해주기 위한 준비입니다.

필요한 재료

  • 배터리 단자 터미널
  • AWG 12~16 케이블
  • 절연 케이블
  • 가정용 분배기

제작

우선 지난번에 이어 열선패드를 조금 수정할 필요가 있었습니다. 가변 저항도 달아야 하고 이런저런 이유가 있어 조금 납땜질을 했습니다. PCB에 집에 있는 3.25A짜리 퓨즈를 두 개 병렬로 연결하고 7.5KΩ을 다시 달았습니다. 그리고 나서 약해진 접합부를 집에 남아도는 포맥스(?!)를 이용해 고정했습니다.
네…? 포맥스. 이거 문제가 좀 있습니다. 포멕스는 스티로폼을 압축한 것이라 열에 매우 약합니다. 솔직히 가지고 있는 재료가 없어서 이걸 썼습니다. ㅠㅠ

납땜을 하고 위쪽에 포맥스를 댄 후 절연 테이프(까만 테이프)로 감았습니다. PCB뒤쪽은 미리 캡톤 테이프로 한차례 붙였구요.

저는 집에 가지고 있던 AWG 12짜리 케이블을 잘라서 만들기로 했습니다. 지난번 경험에 의하면 AWG 12짜리 전선은 너무 두껍기 때문에 배터리 단자 터미널에 한번에 고정할 수가 없었습니다. 그래도 두 갈래로 나눠 납땜으로 뭉친 다음 그걸 다시 단자 터미널에 고정하는 방법을 썼습니다.

요렇게 만들면 단자 터미널에 감기가 편합니다. 그런데 잠깐! 왼쪽 사진을 잘 보시면 양극과 음극의 너트의 크기가 다릅니다. 아무래도 사고를 방지하기 위해 일부러 이렇게 만든 것 같은데 오늘 처음 봤습니다.
아무튼… 요렇게 하면 아래와 같이 됩니다.

IMG_0468

단자 터미널에 전선을 연결하고 나서 전 전기를 아주 싫어하기 때문에 절연 테이프로 감쌌습니다. 그리고 나서 전선의 반대쪽을 납땜해서 고정했답니다. 그리고 전선이 마구 널부러지는 게 싫어서 수축 튜브로 정리했습니다.

이제 본격적으로 가정용 분배기에 연결을 시작해볼까요?

가정용 분배기의 가장 큰 장점은 대전류(최대 20~30A)를 통과시킨 다는 것과 깔끔하게 정리가 가능하다는 점이라 생각합니다. 사실 누전차단 기능이 있기는 한데 직류 전원이라 그 기능은 제대로 사용할 수는 없구요. 아무튼 다 되었습니다!

제가 전력량을 전부 측정하지는 못했지만 아래와 같습니다.

  • 긴 열선패드 : 최대 27Wh
  • 짧은 열선패드 : 최대 11Wh
  • 적도의 모터드라이브 : 최대 42Wh

결국 시간당 80Wh를 소모하게 됩니다. 대충 7A가 흐르게 되는데 배전함의 허용전류를 넘지는 않네요. 으~ 어쨌거나 많이 소모합니다. 여기다 노트북을 인버터 통해서 연결하면 100Wh가 넘어갈 것 같네요. ㅠㅠ
배터리가 12V 100Ah짜리라 견디기는 하겠지만 추운 날씨에 작동한다고 생각하면 8시간 정도가 최대가 아닐까 생각합니다.

여기까지 입니다. 참 쉽죠? 이미 있는 기성품을 사용했더니 별로 고민할 것이 없었답니다. 나중에 케이스 하나 구해서 요 물건들을 잘 넣어주면 모든 것이 끝나겠네요. 뭐 이렇게 만들어도 기성품 열선밴드 하나보다 가격이 싸기 때문에 직접 만들길 권합니다. ^^)b

 

크리에이티브 커먼즈 라이선스
이 저작물은 크리에이티브 커먼즈 저작자표시-동일조건변경허락 4.0 국제 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.

열선패드 만들기

열선 패드를 하나 만들기로 했습니다. 지난번 별관측때 경통과 접안렌즈 부분에 결로가 생겨 마지막에는 별관찰이 불가능했습니다. 그걸 본보기삼아 열선 패드를 알아봤는데 가격이 너무 비쌌습니다. 알아보니 열선 패드에 사용하는 니크롬선은 10µΩcm의 저항을 갖는다1고 하고 대략 10W 정도의 발열을 내면 된다고 합니다. 12V에서 10W의 전력을 소모하기 위한 전류는 0.8A입니다. 이것을 V = IR 로 계산하면 15Ω이 나오는데

10µΩ : 1cm = 15,000,000µΩ : x cm

로 계산하면 15,000m가 나옵니다(?!). 계산이 틀릴리는 없으니 이대로는 할 수 없다는 뜻이 되며 P = I2R계산식을 사용해봐도 100A가 나오니 절대 할 수 없는 일이 됩니다. (이정도 전류량은 1.2kW짜리 납축전지도 죽는다) 결국 실제로 물건을 받아서 1m에서 어느정도 저항값이 나오는지 확인해보기로 했습니다.

일부 부품이 오는 동안 딥스카이 촬영에 대한 일부 책에서 통상 20Ω정도의 저항이 나오면 된다고 해서 잠시 계산해 봤습니다.

    • I = 0.5A -> 5W
    • I = 0.6A -> 7.2W
    • I = 0.8A -> 12.8W
    • I = 1A -> 20W

계산결과를 보시면 아시겠지만 경통 열선패드는 아주 높은 열을 필요로 하는 것이 아니라 적절한 전류값은 0.5A ~ 1A정도로 생각해보면 될 것 같습니다. 저 같은 경우는 델코 심방전 납축전지(DC31)를 사용하는데 100Ah정도의 축전량을 가지고 있어 1.2kWh입니다. 이 말은 20W로 작동시켜도 60시간 작동 가능하니 안정적으로 패드를 운용할 수 있을것 같습니다.

이런저런 생각하며 패드 디자인을 해봤습니다.

발열패드

..병신이죠? 제가 무얼 잘못했는지 아시는 분.
네네… 니크롬선이 완전 절연도 아닌데 알루미늄테이프를 붙이자니…; 정신 차리고 알루미늄 테이프를 붙이기 전에 캡톤 테이프로 마감을 한번 해주기로 했습니다. 아시다시피 캡톤 테이프는 200 ℃ ~ 250℃까지 내열성을 가지고 있으니 우리가 만드는 열선패드에 안성맞춤인 테이프입니다.

아! 제품이 도착했네요. 제가 구입한 녀석은 0.29mm짜리 입니다. 멀티미터로 측정해보니 10Cm에 2.5Ω이 나오네요. 그러면… 1m를 사용한다고 가정하면 25Ω이고요, 아래의 계산식으로 출력을 추정해볼 수 있겠네요.

V = I x R이니까
12V = I x 25Ω
I = 0.48A

P = I2R이니까
P = 0.48 x 0.48 x 25 = 5.76W

가 됩니다. 음….. 원래 계획은 10W를 기준으로 ±5W를 주려고 한 것인데 이대로는 안 될 것 같네요. 가변저항의 저항값을 최저로 낮췄을 때 20W, 중간 정도일때 10W를 바랬는데 최대값이 5W라니.. 너무합니다. 니크롬선 2개를 병렬로 사용하면 12.5Ω이 되니 어떨까 계산해 봤습니다.

12V = I x 12.5Ω
I = 0.96A

P = 0.96 * 0.96 * 12.5 = 11.52W

…마지막으로 니크롬선 3개를 병렬로 사용하면 8.3Ω이 되니 이걸 사용하기로 했습니다.
정리하면, 니크롬선 1m 3개를 병렬로 연결하면 8.3Ω이 되고 제가 가진 가변저항은 최대 8.9kΩ입니다. 물론 최저값은 0.2Ω이구요. 그럼 회로의 최소 저항은 8.5Ω이고 최대저항은 8983Ω이 됩니다. 다시 전류를 기준으로 보면 12V일때 최소전류는 0.001A이고 최대전류는 1.4A입니다.
직렬연결인 경우 (니크롬선 3개는 한 덩이라고 가정합니다) 회로를 흐르는 전류는 일정하므로 전체회로의 전류는 0.001A ~ 1.4A이며, 이때 니크롬선과 가변저항에 걸리는 전력은 각각 0.06W/0.008W ~ 16.3W/0.4W입니다. 오… 제가 원하는 용량이 된 것 같습니다. 가변저항의 노브를 돌리면 원하는 만큼 발열을 조절할 수 있겠네요.

만들기

열선패드의 몸체는 지난번에 산 3mm 열전도 실리콘 패드를 사용하기로 했습니다. 패드에는 3줄로 니크롬선이 들어가야 하고 160mm경통을 동째로 감을 수 있어야 하니 너비 4~5Cm에 길이 60Cm로 만들어야 할 것 같습니다….  뭐, 만들다 귀찮으면 바꿀께요. ㅋ

만드는 방법은 의외로 간단합니다. 우선 열전도 실리콘 패드(알리 익스프레스에서 샀습니다)를 너비 5Cm로 잘라 약 50Cm가 되게 만듭니다. 그리고 여기에 니크롬선을 서로 닿지 않게 조심조심 고정해 주는 것입니다.

이때 절연테이프가 중요한데, 전 집에 있는 캡톤 테이프를 사용했습니다. 아, 미리 말씀드리고 싶은 것은, 캡톤 테이프는 가격이 비싸므로 일반 절연 테이프를 사용하셔도 됩니다. 어차피 니크롬선에 100°C이상을 가할 것은 아니기 때문에 큰 문제는 없습니다.

니크롬선을 가지런하게 둘렀으면 캡톤 테이프로 전체적으로 한번 붙여준 후 알루미늄 테이프로 감쌉니다. 물론 알루미늄 테이프를 쓰지 않으셔도 무방합니다. 원래 전 청바지 천으로 만든 작은 포켓에 전체를 담고 싶었는데 제봉기술이 전혀 없으므로 이렇게 한 것입니다.
그리고나서 니크롬선 말단을 전선과 이어주고 가변저항을 달아줍니다.

이게 끝입니다. 작동 영상을 열화상 카메라로 찍어서 보여드리고 싶었는데 경황이 없어 찍지는 못했습니다.

제작후기

전체적으로 크게 어렵지 않은 물건이고 전기적으로 문제가 발생할만한 부분이 적어 편합니다.
다만 몇 가지 말씀드릴 것이 있습니다.

  • DC전원공급장치(테스트용)에서 C.V.에러가 뜨며 전류공급이 중단된 이유를 모르겠습니다
    그냥 납축전지에 연결했을때는 아무 이상 없었거든요
  • 위 에러의 문제를 눈치채지 못해서 가변저항을 제거했는데 나중에 다시 달아야 겠습니다
  • 니크롬선을 실리콘 패드에 고정할 때 사진을 보시면 군데군데 캡톤 테이프로 고정했는데 이렇게 하는 것보다 선 하나 주욱 돌리고 통째로 캡톤테이프로 붙이고, 다시 선 하나 주욱 돌리고 통째로 테이프로 붙이는 편이 나은 것 같습니다
  • 망원경 경통에 고정할 때는 운동할때 쓰는 땀밴드(이마에 두르는 거 있잖아요)를 사용하면 될 것 같습니다
  • 여기다 온도센서를 달고 아두이노로 컨트롤 하면 좀 더 편리하게 사용할 수 있을 것 같은데 그런건 안하려구요

 

Reference

[1] 사이언스올 과학백과사전 니크롬선
https://www.scienceall.com/%EB%8B%88%ED%81%AC%EB%A1%AC%EC%84%A0-nichrome-wire/

펠티어 소자를 이용한 생체 발전기

펠티어 소자를 이용한 생체 발전기

거창한 이름이지만 이미 많은 분들이 연구하고 있는 분야입니다. 현재 생물학적 에너지를 전기로 바꾸는 연구는 대학교나 연구소의 많은 분들이 하고 있지만 우리는 간단한 기성품을 이용한 발전을 생각해 보기로 했습니다.

펠티어 소자란?

feltier

나무위키만 보셔도 충분한 설명이 될 것 같지만… 전기를 흘려주면 소자의 양 측면에 온도차가 발생하는 부품입니다. 이때 뜨거운 부분의 열은 제거해주면 제거하는 만큼 차가운 부분의 온도가 더 떨어지게 되는데요, 이 기술을 이용해 사이즈가 작은 냉장고나 우주에서 사용하는 원자력 전지등에 이용하고 있습니다. 이러한 소자의 열전효과를 이용하면 제백효과(Seebeck effect)라는 것을 확인할 수 있는데요, 펠티어 소자의 차가운 부분에 열을 가하고 발열 부분에서 냉각을 시켜주면 전선을 통해 전기가 흐르게 됩니다.

우리가 실험해 볼 것은 이런 제벡 효과를 이용해 전기를 발전하는 것입니다.

주의 : 열전효과의 효율은 극악하게 낮습니다. 펠티어 소자를 이용해 에어컨을 만들 생각을 하신다면 일찌감치 포기하세요. 이미 해 봤습니다. ㅠㅠ

BOM (Bills of Materials)

  • 펠티어소자 TEC1-12715 (12VDC 15A) 1ea.
  • 사각 방열판 40x40x10mm 1ea.
  • 열전도 양면테이프 1ea.
  • Diode 1N4148TA 2ea. (아무거나 해도 됨)
  • 범용 LED 1ea.
  • 커패시터 1ea. (아무거나. 15V만 넘기면 뭐…;)
  • 저항 1ea.
  • 고무줄 2ea.

엘레파츠에서 다음의 부품을 주문했습니다.

BOM

방열판(히트싱크)는 충분히 넓은 것이 더 좋은 효과를 얻을 수 있겠지만, 이게… 생각보다 기성품 중에 큰 것을 찾을 수가 없습니다. 있어도 가격이 제곱으로 올라가구요. 그래서 펠티어 소자(50x50mm)보다 조금 작지만 40x40mm짜리로 주문했습니다. 그런데 이 방열판은 열전도 양면테이프가 붙어있는 제품이 아니라 집에 없으시면(있을리가 없잖아!) 추가로 구입 하셔야 합니다. 피부에 써멀 그리스가 흘러내리는 고통을 느끼고 싶지 않으시다면요…;

Schematic view

별게 아무것도 없습니다…; 그도 그럴것이 펠티어 소자, 커패시터, 측정도구. 이게 전부이니까요. 일단 계획은 저항과 다이오드 하나를 이용해 약 10분간 발전(?!)한 전기로 LED가 켜지는지 볼 것입니다. 그리고 나서 안되면 발전 시간을 늘려보고요…

회로설계에서 기억하실 것은, 다이오드가 두 개 들어가기 때문에 실제 전압은 11.3V로 커패시터에 들어가고, 다이오드 측에는 10.6V로 간다는 것입니다. 이걸 계산해보면 대략 405Ω의 저항이 필요합니다. 정말 별 것 없는 회로이므로 대충 맞춰서 조립하시면 됩니다.

schematic
정말… 아무것도 없는 회로군요! 스위치도 하나 달아놓기는 했는데 별로 신경쓰지 마셔요. ㅡㅡ; 그럼 본체를 만들어 볼까요?
IMG_1818
주 재료는 이 두가지밖에 없습니다. 기본적으로 작동이 가능할 지 확인해야 하기 때문에 복잡한 회로는 전혀 없고 히트싱크를 펠티어에 잘 붙여서 고정만 하면 끝이지요. 엘레파츠 설명에는 열전도 양면테이프가 포함되지 않았다고 되어 있었는데 제품을 받아보니 양면테이프가 이미 붙어 있었습니다. 펠티어 소자를 사용할 때 주의할 점은 냉각면과 발열면을 헷갈리면 안된다는 것 뿐입니다.
IMG_1820.jpg
이쪽이 발열부 입니다
IMG_1821.jpg
단단하게 잘 고정합니다

끝입니다. 이제 작동시켜 볼까요? 가능하면 사람 몸에서 따뜻한 곳에 붙이는 것이 도움이 될 것 같아 손목 동맥(요골동맥이라고 합니다. 비교적 표면에 있는 동맥이지요) 부위의 위에 위치시켰습니다.

IMG_1822.jpg

…..10mV 가장 따뜻하게 해도 20mV까지 나왔습니다.

….. 택도 없습니다. 원래 디자인대로 다이오드를 사용하려면 최소 0.7V를 넘겨야 하는데 이건 0.02V니 아무것도 되지 않습니다.

다시말해, 이 상태로는 발전은 커녕 회로에 전류가 흐르게도 못한다는 말입니다. 뭔가 다른 방법이 필요합니다.

2차 시도!

처음에는 OP AMP를 사용할까 하다가, 제 지식의 한계로 포기했습니다. 거기다 OP AMP의 경우에는 따로 작동 전원이 필요하니 배보다 배꼽이 더 클 수도 있구요. (아마 이게 정답이긴 한 것 같습니다)

그래서 열심히 구글링을 해보니 Joule thief를 이용해 펠티어 전압을 증폭하는 동영상과 글들이 있었습니다. Joule Thief에 대해서는 좀 더 찾아보시길 바랍니다.

joule_thief_circuit_diagram_schematic
가장 흔히 볼 수 있는 Joule Thief 예시입니다

저는 이 사이트를 참조했습니다. 일단 간단히 만들 수 있는 회로니까 제작을 해봤습니다.

IMG_1827.jpg

인덕터를 하나 뜯어서 준비한 페라이트 코어와 AWG 22짜리 전선 두 개 입니다. 열심히 감아서 회로를 만들었습니다.

IMG_1828.jpg

오른쪽에 NPN 트랜지스터는 음… 100V 25A까지 가능한 파워 트랜지스터(TIP 35C) 입니다.

왜 이걸 썼냐구요…? 죄송합니다 4년전에 주문을 잘못해서 가지고 있던 겁니다. ㅠㅠ

보시면 아시겠지만 브래드보드에 끼울수 없는 사이즈의 부품이라 얼기설기 납땜을 했습니다.

IMG_1831

가운데 빵빵한 커패시터는 나름 전기를 저장하려고 달았습니다. 어떻게 될 지 잘 모르겠지만 멀티미터를 준비하고 음…. 뭔가 이상하지 않나요?

네. 그렇습니다. 한 번 시도해보고 안되길래 방열판을 뜯어 PC 비디오 카드에 붙여버렸습니다. ㅠㅠ 대체할 만한 것을 찾다가 10T짜리 알루미늄 판을 방열판으로 쓰기로 했죠.

IMG_1832
커패시터 부위
IMG_1833
펠티어 부위

네…. 차이 없습니다. 5mV차이가 있어 보이지만 눈속임 입니다. 거의 오차범위니까요.

그다지 의미가 없다는 것을 느끼다 새로운 사실을 발견했습니다. 방열용량이 커지면 커질 수록 전압이 올라간다는 사실이었습니다.

결론

일단 제 시도는 실패했습니다. 12V 15A짜리 대용량 펠티어를 써봤지만 아무 의미가 없었습니다. 설령 OP AMP를 쓴다고 하더라도 생산되는 전력에 비해 소비되는 전력이 더 높을 수도 있을거라는 생각이 들었습니다. 다음은 제가 결론 내린 것입니다.

  • 펠티어 소자의 발전용량은 소자 양측면의 온도차에만 영향을 받는다. 최대효율을 보이려면 소자 양측면의 온도차를 70℃로 꾸준히 유지시켜줄 필요가 있다
  • Joule Thief회로는 굳이 필요없다
  • 소자에 접한 피부는 초기 온도가 아무리 높아도 일정 시간이 지나면 항정상태(일정 온도에서 평형을 이룸)를 이루기 때문에 시간이 지남에 따라 발전 전압이 떨어진다

뭐… 약간의 기대를 하고 시작하기는 했지만 보시다시피 실패했습니다. ㅠㅠ

이번 테스트를 위해 이리저리 구글링 하면서 ‘아, 잘 안되겠구나’ 하는 생각을 했지만 진짜 안되는 것을 보니 조금 씁쓸하기는 하네요.

현재 펠티어 소자는 크게 두 가지 분야에서 활용되고 있는 것 같습니다.

첫째는 펠티어 효과를 이용해 냉각기로 사용하는 곳이 있고요, 둘째는 제백 효과를 이용해 발전기로 사용하는 부분입니다. 양쪽 다 효율은 극악한 것이 사실이고요, 낮은 에너지 효율에도 불구하고 반드시 필요한 곳에서 사용하고 있다고 합니다. 조금 재미있는 것은 제백 효과를 이용한 캠핑용 발전기가 상당히 많이 나와 있다는 것입니다.

나중에 한번 찾아보시길 권합니다.

그럼 전… 음…. 남아버린 펠티어 소자를 어떻게 활용해야 할 지 고민좀 해보겠습니다.

이만 총총

크리에이티브 커먼즈 라이선스

이 저작물은 크리에이티브 커먼즈 저작자표시-동일조건변경허락 4.0 국제 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.

교류를 직류로 바꿔보자 (AC to DC converter)

— 주의 —

220V의 전기를 작동시키는 회로는 감전의 위험이 있습니다!

특히 220V는 사망사고의 원인이 되므로 반드시 스위치, 퓨즈의 설치가 필요하며,
감전에 대비하셔야 합니다. 

참고로 이 글을 보고 뭘 만드시든 전 책임 안집니다 (냉랭) 

DIY 또는 하나 구매해야 해!

한국의 콘센트 전기는 220V 60Hz입니다. 아시다시피 교류(VAC)이며 1초에 60번 +극과 -극이 바뀝니다. 그런데 우리가 사용하는 이런 저런 전자 부품과 장난감은 전부 직류(VDC)로 작동합니다. 특히 저처럼 취미로 이것저것 만들다 보면 안정적인 직류 전원공급 장치가 필요합니다.

물론 회로 제작을 할 때는 전문적인 전원공급장치가 있습니다. 가격은 약 40만원대 이지요.

0240060090030000032
요렇게 생겼습니다.
엘레파츠나 디바이스 마트에 가시면 많이 있어요

뭐… 돈이 있으시다면 하나 구입을 추천해 드리지만, 그게 어렵다면 급하게나마 12V또는 더 낮은 전압의 전원공급장치를 직접 하나 만들어보시길 권합니다. 우리는 뭐든지 DIY하니까요!
(물론 이런 전원공급장치는 사용자가 원하는 전압과 전류를 설정할 수 있어 꼭 필요하긴 합니다 ㅠㅠ)

변압기(트랜스포머, Transformer)와 컨버전의 이론

이… 것은, 제가 자주 가는 카페의 글을 참고하시길 바랍니다. 이해가 쏙쏙 되도록 설명해주셔서 꼭 추천드리고 싶습니다.

내용을 찬찬히 읽어보셨다면 아시겠지만, 특별한 이유가 없다면 브릿지 정류회로를 사용하지 반파(Half wave)나 전파(Full wave)회로는 사용하지 않을 것 같습니다. 특히 브릿지 다이오드는 기성품이 있으므로 편하게 컨버터를 제작할 수 있습니다.

이 브릿지 다이오드를 이용한 회로도는 아래와 같습니다.  브릿지 다이오드는 그냥 네 개의 다이오드를 하나의 소켓 안에 조립해 놓은 것인데요, 교류전압의 위상이 바뀌어도 일정하게 +극에 전류를 흘려 넣어줄 수 있도록 구성되어 있습니다.

diode-full-wave-bridge-rectifier-01

diode-full-wave-bridge-rectifier-02

커패시터를 설치하지 않았다면 실제로 부하(Load)에서 받는 전기의 파형은 아래와 같습니다.

conversion

diode23
(그림 원본)
뭐 일단 교류 성분을 전부 직류로 바꾼 것은 사실이지만 이대로는 쓸 수가 없습니다. 이 그래프에 보이는 올라갔다 내려갔다 하는 모양(전압 리플이라고 부릅니다)을 가능한한 평평한 직선형으로 바꿔줘야 제대로 된 직류라고 할 수 있는데, 간단히 커패시터를 부하와 병렬로 달아주시면 해결이 됩니다. (거의) 완벽한 평행선을 만들고 싶으면 어마어마하게 용량이 큰 커패시터를 달아주시면 되지만 굳이 그럴 필요가 없는게… (아래 참조)

실제 제작시 참고사항

그… 이미 여러번 만들기도 했지만, 워낙 간단한 회로라 따로 만드는 법은 보여드리지 않겠습니다. 다만 몇 가지 참고사항을 적어드립니다.
  • 전원 케이블의 선
    • 220V 전선을 잘라보면 총 3개의 선이 있습니다. 멀티미터로 찍어보시면 아시겠지만 보통 녹색 선이 어스(접지)입니다. 이것 빼고 나머지 두 개가 전원선인데 어느쪽으로 연결하든 교류는 극성이 바뀌니 신경쓸 필요 없습니다.
  • 스위치와 퓨즈
    • 보통 스위치와 퓨즈는 트랜스포머의 앞단에 연결하시면 됩니다. 220V는 위험하므로 반드시 퓨즈를 준비하신 후 제작하셔야 하며 감전에 주의하십시요.
    • 조금 더 불안하시면 트랜스포머 뒷 단에 다이오드를 하나 달아주시는 방법이 있겠죠?
  • LED 하나를 달아주세요
    • 스위치를 올려도 제대로 전기가 나오는지 알 수가 없으니 출력단에 병렬로 LED를 하나 달아주시는 것이 좋습니다.
  • 출력 전압
    • 앞의 이론 링크를 보셨으면 아시겠지만 트랜스포머의 2차권선 전압(출력 전압)은 1차 권선과 2차권선의 전선감기의 비로 정해집니다. 그냥 원하는 출력 전압을 골라 트랜스포머를 구입하시면 됩니다.
    • 출력전압은 커패시터를 통과시켜도 전압 리플이 완전히 사라지는 건 아니라 전압 레귤레이터(Voltage regulator) 회로를 통과시킨 후 사용하시는 것이 좋습니다.

뒷얘기

처음에 한 두번은 만들어서 쓰게 되지만, 이상하게 변압기는 만들기 귀찮다는 느낌이 강하고 인터넷 쇼핑몰만 찾아보아도 LCD모니터용 고출력 어뎁터가 잔뜩 있어 가까이 안하게 되는 특징이 있습니다.
뭐 굳이 만들어보고 싶으시다면 딱 하나만 만들어보시길 추천드리며, 왠만하면 12V 5~6A짜리 LCD용 고출력 어뎁터를 쓰시길 권합니다. (이건 사고나면 보험처리도 되요)
크리에이티브 커먼즈 라이선스
이 저작물은 크리에이티브 커먼즈 저작자표시-변경금지 4.0 국제 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다. 단 본 저작권은 포스트에서 인용한(링크한) 그림이나 사진에는 해당되지 않습니다.

 

Nixie tube test

닉시관(nixie tube)의 테스트를 진행했습니다.
아주 오랜 시간이 걸렸네요. 하지만 다행히도 잘 작동합니다.

조금 고민이 되는 것은 100kOhm저항을 걸어서 연결하면 글자가 절반밖에 나오지 않는다는 것입니다.
10kOhm을 걸어보니 글자가 잘 나오는 것으로 봐서는 전류량의 문제같은데 제 멀티미터는 180V에서 전류를 측정할 수 없기 때문에 답답합니다.

부스트 컨버터와 한계

닉시튜브를 이용한 환경 모니터를 만들려는 시도중, 승압회로를 만들다 한계에 봉착했습니다. 그래서 이런 저런 자료를 찾아보다 몇 가지 사실을 알게 되었습니다.

보통 DC-DC 승압회로로 사용하는 것이 Boost Converter(부스트 컨버터)인데요, 이 회로는 인덕터와 스위치(MOSFET)을 이용해 승압을 시키는 방식입니다. 일반적인 회로는 아래와 같습니다.

tumblr_inline_p64sb07xNm1vpz0g9_540

이 회로의 특징은 MOSFET을 켰다 꺼서(On/Off) 인덕터(L)를 충전했다 방전하여 조금씩 전압을 키워 승압시키는 방식이라 생각하시면 좋습니다.

이 방식의 한계에 대해서 알아본 결과 다음의 그래프를 얻을 수 있었습니다.

tumblr_inline_p64sgl93Ll1vpz0g9_540

부스트 컨버터의 승압 능력은 기본적으로 듀티 사이클의 영향을 받는다고 합니다. 다시 말해 듀티 사이클(작동 시간)이 길어지면 길어질 수록 승압의 배율(Vin에서 Vout의 배율)이 증가한다고 합니다. 이론상의 최대 승압 비율은 약 10배(x10)이며, 이 수치가 나오기 위해서는 듀티 사이클(Duty cycle)이 95%이상 나와야 한다고 합니다. 하지만… 저도 잘은 모르겠지만 이건 어디까지나 이론상의 수치라 실제로 부스트 컨버터를 이용한 승압 회로는 6배(x6)를 최대로 보고 있다고 합니다.
네… 이 이야기를 듣고 555타이머와 부스트 컨버터를 이용한 승압회로는 한계가 있음을 깨달았습니다. 오히려 9V를 넣어(Vin) 120V(Vout) 나온것만 해도 장하다고 생각하기로 했습니다.

역시 “교류는 승압도 간단해요!”라고 하셨던 무선통신 강사님의 말씀이 맞나 봅니다.

 References :

1. Determining the practical limit for boost factor in DC-DC voltage conversion

2. Working with Boost Converters

로봇 팔

로봇의 팔을 만들어보자

주의 : 손이 없음

주의 : 작업하다 그만둔문서입니다. 

로봇 팔을 만들어 보고 있습니다. 부제목과 같이 아직 손을 만들 생각은 전혀 없습니다.

(두둥! 그렇다면 팔이 왜 필요해)

…사실은… 손도 같이 만들어 보고 싶지만 팔에 비해서 어마어마하게 복잡하고 또 관절운동도 복잡해서 엄두를 못 내겠 더라구요. 그래서 팔만 만들어 보기로 했습니다.

1. 기본 도안

지난번 로봇을 만들다 포기했던 가장 큰 이유는 “내가 가지고 있는 부품에 딱 맞는 프레임(로봇의 껍질이나 골격등등)을 구하기가 너무나 어려웠기 때문입니다. 그래서 이번에는 직접 디자인을 해서 요즘 많은 관심을 받고 있는 3D 프린터로 직접 인쇄를 해보기로 했습니다. 3D프린터로 출력을 하려면 아래의 도구가 필요하겠지요.

  • 3D 프린터
  • 프린팅용 프로그램 (프린터에 같이 포함되어 있음)
  • 디자인 프로그램 (프린터에 같이 포함되어 있는 경우가 많음)

어차피 저는 3D프린터로 무언가 예쁘고 아름다운 조형물을 출력할 계획은 아니었기 때문에 가능한한 싼 물건을 사기로 했습니다. 제가 고른 것은 Anet A8 제품이고요.

……조립한 당일날 메인보드가 고장나서 모든걸 포기하곤 XYZ 프린팅의 제품을 구입했습니다. “과정에 불가한 3D프린터”에 너무 많은 노력을 하고 싶지 않았다고 할까요?

디자인 소프트웨어는 AutoDesk에서 무료로 공급하고 있는 TinkerCAD를 사용했습니다. 제품 고유의 프로그램을 쓸 수도 있지만 온라인으로 바로바로 작업이 가능해서 이것을 선택했습니다.

기본적인 형태 디자인은 아래와 같습니다.

 

upper
기본형태

한쪽 팔만 다시 보자면..

shoulder

  1. 몸통에 서보모터와 스테핑 모터를 고정시킵니다 (청색은 스테핑 모터)
  2. 커플러에 몸통 밖으로 나갈 축을 연결하고 몸통에 부착된 베어링으로 안정시킵니다
  3. 이 그림에서는 보이지 않지만 관절 역할을 할 유니버설 조인트를 이용해 팔과 잇습니다.
  4. 역시 그림에는 없지만 뼈대 역할을 할 막대와 유니버설 조인트로 전완부와 상완부를 연결합니다
  5. 마지막으로 와이어를 이용해 관절운동을 조절합니다

 

2. 좀 더 세부적인 문제들

여기까지 디자인 하면서 지인분과 많은 이야기를 나눴습니다. 전 기계공학적 머리가 0 상태인데다, 아무 생각이 없기 때문이죠. 지인분이 가장 문제로 삼은 것은 ‘동력전달’ 문제 입니다. 저는 금속 와이어를 사용해서 동력을 전달할 생각이었는데 지인분은 관절축(뼈대)에 모터를 직결하는게 어떤지 물어봤습니다. 사실 이런 방식으로 만들어 본 적이 한번 있지만 다시 한번 고민을 해봤습니다. 아래와 같은 문제가 있었습니다.

SE-A410_4
서보모터의 형태 (출처)
  • 내가 가지고 있는 모터는 대부분 서보모터이다
  • 어깨와 팔꿈치 관절, 그리고 조금 억지를 부리면 손목 관절까지도 구부림, 폄, 내회전, 외회전의 기능이 있다
  • 서보모터라도 이런 움직임을 구현하지 못하는 것은 아니지만 가장 큰 문제는 이런 움직임을 구현하기 위해서는 서보모터의 모터헤드에 움직이려는 관절의 축(뼈대)을 직접 연결해야 한다
  • 모터에 직결한 경우 아래쪽(원위부)의 전체 무게는 모터의 정지부하 또는 하중으로 작용한다
  • 와이어를 쓰던 축을 모터에 직결하던 정지부하가 안 걸리는 것은 아니지만, 모터에 축을 직결하면 손목에서 어깨 관절로 가면 갈 수록 모터는 더 많은 하중을 견뎌야 하고 이로인해 불필요한 전력 낭비가 발생한다
  • 또한 관절부에 모터를 위치시키면 아무리 토크가 높은 모터라고 하더라도 팔 자체의 기본 무게(프레임 + 각종 부품 + 원위부 관절에 달린 모터 무게)로 인해 실제 사용 가능한 토크는 줄어들게 된다
  • 대부분의 서보모터는 모터헤드가 모터의 가운데 위치하지 않기 때문에 설계가 극도로 어려워진다
  • 와이어를 이용하면 팔 전체에 모터의 무게를 제거할 수 있다
  • 모터를 몸통에 위치 시키면 무게 중심을 안정시킬 수 있다
  • 와이어를 안쪽과 바깥쪽에 각각 두 개씩 위치 시키면 비틀림을 구현할 수 있다
  • 와이어가 프레임에 직접적으로 닿는 것을 피하기 위해 추가적인 베어링과 축을 바꿀 부위가 필요하다
  • 와이어를 제어하는 모터의 제어 코딩이 더 복잡해지고, 몸통부에서의 설계가 복잡해진다
  • 모터 직결보다 좁은 범위에서의 관절운동만이 가능하다

뭐 이러한 이유로 인해 와이어를 선택한 것도 있지만, 안 해본 것이니 해보자는 생각으로도 시작을 해봤습니다.

3. 실제 디자인

아래의 사이트에서 직접 도면을 보실 수 있습니다.

  1. 팔의 아래쪽
  2. 팔의 위쪽

기본적으로 어떻게 움직이는지에 대해 많은 고민을 했습니다. 이건 고민을 하며 그려본 기본 개념도입니다.

arm
골격의 움직임 기본 개념(왼쪽이 손목)

관절은 3D프린터로 정밀하게 만들기 어려울 것 같고, 또 두 부위를 연결하기 위한 부품도 복잡해서 유니버설 조인트(Universal joint)라는 것을 이용하기로 했습니다.

arm joint
관절의 기본 컨셉
IMG_0502
관절의 축과 와이어를 지지할 지지대

관절의 형태는 지금까지 한번도 구상해본 적이 없어서 제 나름대로 디자인을 해봤습니다. 처음 생각에서 조금 차이가 생겼다고 한다면 근육이 되는 와이어를 골격에 붙일 수가 없어서 프레임에 봉(rod)을 달아 연결하기로 했습니다.

이런 저런 것들을 고려한 다음 다음의 형태로 두 개의 플라스틱 판을 만들어 결합시키기로 했습니다.

forearm_upper.png
팔의 위쪽 프레임
lower.png
팔의 아래쪽 프레임

이 두 가지를 3D프린터로 제작해서 결합시키면 제일 위의 그림처럼 연결이 됩니다. 물론 프린트 후 어느정도의 손질이 필요하겠지만요. 아무튼 이런 형태로 조립을 했을 때 로봇의 몸제는 아래의 그림처럼 될 것 같습니다.

concept02
몸통

그림에 갈색은 서보모터구요, 파란색은 스테핑 모터, 그리고 녹색은 아두이노 보드 입니다. 앞 뒤의 회색 부분은 껍질입니다. 네에.. 아무 기능도 없는 껍질입니다. 킁;;

concept01
몸통의 후측면

앞에서 잘 보이지 않지만, 앞쪽 서보모터 네 개는 가운데 붉은색 패널에 구멍을 뚫어 등쪽까지 나오게 했습니다. 그리고 뒤쪽 서보모터 두개는 패널에 수평으로 배치해서 가급적 어깨와 가까운 부위에 모터 헤드가 위치하도록 해봤습니다.

여기까지 디자인을 하고 나서 ‘알리 익스프레스‘에서 이것 저것 부품을 주문했습니다. 알리 익스프레스는 가격이 싼 대신 시간이 오래 걸려서 아마 다음달에나 조립을 시작하지 않을까 싶습니다. 필요한 부품으로 아래의 것들을 우선 주문했습니다.

4.  Bill Of Material (BOM, 자재 명세서)

  • 볼 베어링
  • 커플러
  • 유니버설 조인트
  • 4mm 카본 막대
  • 5mm 스테인레스 막대

5. 제작

3D 프린터가 도착해서 우선 프레임을 제작해 봤습니다. 유니버설 조인트와 카본 막대가 가장 중요한데 아직 도착을 안해서요. ㅠㅠ 대략 두 시간 정도가 걸렸고 아래와 같은 형태가 되었습니다.

2017-08-31 09.37.38

멀리서 보면 아름답기 그지 없지요..?

2017-08-31 09.37.58  2017-08-31 09.37.43

잘 보면 솔기 같은 것도 있고 불규칙한 부분도 있고 그렇습니다. 약간의 사포질은 필요하겠군요.

ㅡㅡ; 나머지 부분도 한번 출력을 해봐야 겠습니다. 반대쪽도 출력해 봤는데 디자인의 사이즈와 실제 출력 사이즈가 달라서 맞물리지가 않았습니다. 또한 가운데 봉을 지지대 없이 설계했더니 엉망이 되어버렸습니다.

2017-08-31 14.49.16
사진을 확대해 보면 거미줄 같은 것이 잔뜩 있습니다
2017-08-31 14.55.47
끼워 보면 끼워지지 않습니다

그런데… 만들다가 크나큰 문제를 하나 발견했습니다. 유니버설 조인트를 이용해 팔의 내회전/외회전을 구현하려고 했는데 그게 축이 조인트와 고정되어 버리면 불가능하겠더군요. 그걸 왜 지금까지 몰랐는지. ㅠㅠ 결국 이 문제를 해결하기 위해서 고민하다가 아주 굵은(?!) 뼈대를 만들기로 했습니다.

arm_shaft_cover.png
플라스틱 샤프트

3D프린터로 샤프트를 만드는 겁니다. 가운데 4mm 카본 막대가 들어갈 수 있는 공간을 만들었고, 양쪽 끝 부분에 볼베어링이 들어갈 수 있는 공간도 확보했습니다. 카본 막대는 통으로 쓰는 것이 아니라 절반 정도로 잘라서 위/아래에 각각 따로 끼울 겁니다. 그리고 그 카본 막대를 볼 베어링에 끼우면 플라스틱 샤프트와 카본막대가 따로 움직일 수 있기 때문에 내회전/외회전이 가능할 것으로 생각합니다. 양쪽에 있는 작은 네모 구멍은 와이어를 90° 간격으로 고정하기 위한 구멍입니다.

설계대로 출력을 해 봤는데 원하는 사이즈가 나오지 않아서 다시 조정을 한 후 출력을 했습니다.

2017-09-01 11.24.20
출력한 결과물

생각보다 오차가 심각해서 조금 더 수정을 해야 할 것 같습니다. 베어링이 제대로 안 들어가네요. 그리고… 몇 번의 시행착오 끝에 추가로 조금 변경했습니다. 와이어를 고정할 위치와, 와이어가 지나갈 구멍을 만들어 주었지요. 아래는 그 이미지입니다.

rev_shaft
수정한 샤프트

몇 차례의 리비전 후에 이런 모습이 되었습니다. 처음보다는 많이 복잡해 졌지요? 저도 만들다 보니 이렇게 복잡하다는 것을 알게 되었습니다. ㅎ

일단 안쪽에 베어링을 넣을 공간을 총 네 개 만들었습니다. 카본 샤프트의 흔들림을 막기 위해 각각 두 개의 베어링을 끼울 수 있도록 했구요, 와이어를 고정한 후 그 와이어가 샤프트의 방향을 따라 위치할 수 있도록 중간에 작은 걸쇠를 만들었습니다. 물론 이 부분은 추후에 바뀔 가능성이 높습니다. 아무래도 스텐레스보다 플라스틱은 경도가 약하기 때문에 부러질 수 있다는 생각이 들었거든요.

2017-09-04 17.25.24

어라.. 사진이 돌아갔네요. 왜 그러지…? 아무튼 베어링 위치는 잘 맞습니다.

2017-09-04 17.25.37

베어링도 잘 들어가 있습니다. 삐딱한 것은 고정을 안해서 그런 것이구요. ㅎ 일단은 이대로 만들어 볼 생각입니다.
이제.. 나머지 재료만 오면 되겠군요. 기다려야 겠습니다. 기다리면서 시간도 남고 해서 어깨 관절을 위한 플라스틱 프레임을 만들어 보기로 했습니다. 초기 디자인과 사뭇 다른 부분도 있지만 기본적인 개념은 아래와 같습니다.

2017-09-02 01.10.15
기본 개념

까만 동그라미는 와이어의 방향(벡터)가 바뀌는 부위입니다. 위쪽 그림을 보시면 이해가 되실 거구요, 몸통의 스테핑 모터를 기준으로 몇 번의 각이 바뀌며 와이어가 몸통에 이어지도록 했습니다. 측면도를 보시면 조금 더 이해가 쉬울지도 모르겠습니다.

2017-09-02 01.14.43
기본 개념. 측면도 포함

잘 보시면 아주 복잡한 각도로 벡터가 바뀌게 됩니다. 어쩔 수 없어요. 제가 머리가 나쁘니 더 좋은 방법을 찾아내질 못했습니다. ㅠㅠ

2017-09-03 10.26.12
모터의 위치

모터가 아주… 어마어마하게 붙어 있습니다. 가운데 정사각형은 스테핑 모터이구요, 나머지는 전부 서보모터 입니다.

2017-09-03 10.26.17
Pullley(도르레)를 이용한 결선도

지금 생각은 중간에 몇 군데 도르레를 위치 시켜서 와이어의 방향을 바꾸면 어떨까 생각해 보고 있습니다. 아직, 어떻게 구현할 지는 제대로 정하지 못했어요. 아무튼 여기까지 해 놓고 3D 디자인을 해 보았습니다.

shoulder_final
어깨 구동축. Pulley 없음

Pulley를 넣지 않았는데도 어마어마하게 복잡한 형태가 되었습니다. 좌우에 튀어나와 있는 곳은 전부 서보모터를 고정하기 위한 곳이구요, 가운데 정사각형 공간에는 커플링과 모터의 축이 위치할 공간입니다. 실제 서보모터는 뒤쪽에 위치하구요. 여기까지는 되었는데! 아직 도르레(Pulley)를 넣을 공간을 만들지 못했습니다. ㅠㅠ

 

크리에이티브 커먼즈 라이선스
이 저작물은 크리에이티브 커먼즈 저작자표시-변경금지 4.0 국제 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.