50개의 즉석 서바이벌 회로 (Ⅲ) - 정전과 같은 긴급 사태에 대비하고 싶다

 

[전자기술] [기술특집] 50개의 즉석 서바이벌 회로 (Ⅲ) - 정전과 같은 긴급 사태에 대비하고 싶다 | 2012년 07월

50개의 즉석 서바이벌 회로 (Ⅲ) - 정전과 같은 긴급 사태에 대비하고 싶다 

즉석 회로 42 : 7개의 부품으로 만들 수 있는 리튬폴리머 축전지용 충전기

전용 충전기가 없어도 USB 단자 등의 5V에서 500m∼ 2,000mAh를 충전할 수 있다. 최근에는 5V 전원으로 AC 어 댑터, 컴퓨터의 USB 단자, 휴대전화 충전기 등이 있어 어디서든 살 수 있다. 또한, 리튬폴리머 전지도 여기저기에서 사용되고 있다. 그러나 그 사이에 들어가는 충전기가 없으므로 충전 할 수 없고, 대중적인 알칼리망간 건전지와 같이 쉽게 구입할 수도 없다는 약점이 있다. 
‘충전 전류는 진짜 일정 전류여야 할까?’라는 의문을 갖고 자료와 문헌을 조사했지만, 최대 전류나 표준 전류 규정은 있어도 더 적은 전류에 대한 규정은 발견하지 못했다. 실험으로 전류를 변화시켜 봐도 충전시간이 길어 진다는 문제 외에는 나오지 않았다. 그렇다면 구하기 쉬운 부품으로 즉석 충전기를 제작할 수 있다. 
여기서는 전용 IC를 사용하지 않고 가능급적 적은 부품으로 충전할 수 있도록 하는 것이 목표이다.

1. 회로
입력은 USB를 고려한다. 간편한 5V, 0.5A 전원으로 이용할 수 있다. 또한, 5V AC 어댑터 등도 전원으로 사용할 수있다. 충전 대상은‘너무 작지 않은 리튬폴리머 축전지×1셀’이다. 대략적이긴 하지만 500mAh에서 2,000mAh 정도의 용량을 상정한다. 방전 시의 공칭 전압은 3.6V, 충전 종료 전압은 4.2V이다. 충전 시간은 전지 상태에 따라 다소 시간이 걸려도 어느 정도(80% 이상) 충전되면 되는 것으로 한다.
그림 1은 회로도를, 사진 1은 제작한 회로를 나타낸 것이다. 전류 부스트가 달린 전원 회로로 보이지만, 전류 제한이 걸리게 되어있다. 그림 2는 충전 특성이다.

트랜지스터의 베이스에는 R₁을 통해 전류가 흐른다. 컬렉터 전압은 5V, 이미터 전압은 리튬폴리머 축전지의 전압이다. 여기는 충전 중 3.5V 정도에서 4.2V까지 변화한다. 베이스 전류 I_B는 다음식과 같다.

이 식에는 2개의 변수가 있으며 트랜지스터의 베이스-이미터간 포화 전압은 마이너스의 온도 의존성이 있지만, 앞서 설명했듯이 충전 전류는 최대 전류보다 충분히 작게 하면 된다고 생각하고 동작점을 설정한다.

전지에 흐르는 충전 전류는 트랜지스터의 직류 전류 증폭률 hFE배로 제한된다. 이 회로는 충전 전류 제한을 트랜지스터의 전류 포화로 실행하기 때문이다. 즉 트랜지스터와 저항 선택 방법이 이 회로의 포인트이다.

트랜지스터는 컬렉터 전류가 변화해도 hFE 변화가 적은 것이 필요하다. 스위칭용이 아니라 리니어 증폭용 품종이 적합하다. 리니어용이라도 고주파용 트랜지스터나 오래된 제조 공정에 의해 제작된 것, 달링턴 트랜지스터 등은 hFE가 컬렉터 전류 또는 이미터 전류에 따라 크게 변화하므로 사용할 수 없다. hFE의 변화가 적고 랭크가 규정되어 있으며 각 정격이 조건을 만족하면 문제없이 사용할 수 있다. 이것도 갖고 있던 도시바의 2SC3072를 사용했다. R1은 앞서의 식을 변형하여 구한다.
입력은 5V이지만 안전을 생각해서 5.25V(5% 증가)로 하고 트랜지스터의 베이스-이미터간 전압은 낮은 0.55V로 한다. 또한, 리튬폴리머 축전지 전압은 완전히 전부 방전된 상태일 경우 3.2V로 봐도 될 것이다. 거기서 저항 R1에 가해지는 전위차는 다음 식과 같다.

5.25－0.55－3.2＝1.5V

트랜지스터의 h_FE가 실측으로 100 정도였기 때문에, 출력 전류가 USB 규격을 넘지 않는 500mA 이하로 하면 R₁은다음과 같은 식으로 구한다.

R₁ ≧ 1.5÷0.5×100＝330Ω

충전 종료 전압을 제어하는 것이 TL431이다. 이 IC는 레퍼런스 전압이 2.5V를 넘어서면 애노드 전류가 흐르는 증폭 소자와 같이 동작한다.
따라서 리튬폴리머 축전지 전압을 분압하여 레퍼런스 단자에 부여하고 애노드-캐소드 사이에서 전류 제어용 트랜지스터의 베이스 전류를 빼면 된다. TL431의 레퍼런스 단자 분압 저항 계산은, 배선을 간단하게 하기 위해 고정 저항에서 출력이 4.2V로 되도록 저항비 (15kΩ: 22kΩ)로 했다. 지금까지 몇 대 정도 제작한 것은 모두  4.15∼4.20V 사이였다.

(1) 충전 인디케이터를 추가한다

이 상태로도 충전은 가능하지만, 역시 충전이 끝났다는 것을 확인하는 것이 더 편리하다. 원래는 리튬폴리머 축전지 전압이 4.2V에 달한 후 전류가 더 충분히 줄어든 부분에서 충전을 종료한다. 그래서 TL431의 애노드 전류를 LED₁에 흘려‘충전 종료 전압에 도달했다’는 표시를 했다. TL431의 누설 전류가 있기 때문에 그 전류를 바이패스하여 충전 중 LED를 꺼두기 위해 R₄를 넣어 둔다.
LED₁에 흐르는 전류는 충전 중일 경우 TL431의 누설 전류뿐이다. 충전이 거의 끝나고 점등할 때에는 R₁이 전류 제한 저항으로 된다.
USB 전원전압이 5V이며, 가령 TL431의 포화 전압이 0V라고 해도 R₁은 330Ω이므로 15mA 정도가 된다. 따라서 LED에는 직렬 저항이 필요없다.

2. 부가 설명

리튬폴리머 축전지는 다른 전지에 비해 충전과 방전에 제한이 있지만 조금만 궁리하면 간단한 회로로도 충전 가능하다.충전에 시간이 걸리고 완전한 100% 충전은 되지 않지만 80%이상의 충전은 가능하므로 실용적이다.
R₂와 R₃의 분압을 조정할 수 있는 가변 저항을 접속하여 충전 종료 전압을 확실하게 설정하면 충전 가능한 에너지는 100%에 가까워진다. 
리튬폴리머 축전지의 방전이 필요할 때도 있다. 이 경우에 는 적색의 파워 LED 2개를, 3Ω정도의 저항을 직렬로 한 것으로 방전시키면 리튬폴리머 축전지를 과방전시키지 않고 안전하게 방전할 수 있다.


즉석 회로 43 : 전지 1개로 동작한다! 효율 82%의 초소형 파워 LED 점등 회로

TO-92 패키지로 1W 파워 LED를 점등한다. 대만제의 저렴한 3단자 승압 초퍼 HT7733A로 제작하며 최저 동작 전압은0.7V이다.
여러 개의 전지를 사용한 LED 점등 회로는 승압 회로나 강압 회로 중 하나를 사용하여 정전류 출력을 얻는 것이 일반적이다.
이것은 백색 LED 1개당 V_F가 약 3∼3.5V 정도이고 LED의 전류 I_F를 제한할 필요가 있기 때문이다. 전압이 충분하면 강압 초퍼나 저항만으로 전류를 제한하는 것이 정석이다. 전압이 부족할 경우에는 초퍼나 차지 펌프에서의 승압 회로, 그리고 전자 전압의 최대 허용 범위까지 동작할 경우에는 승강압 초퍼가 정석이지만 가격은 올라간다. 
전지 1∼2개와 승압 초퍼를 사용하여 백색 파워 LED를 점등시킬 경우, 초퍼부의 변환 효율은 65∼70% 정도 기대할 수있다. 그러나 80∼90%를 노릴 경우에는 나름대로 고가의 IC를 사용하게 된다. 가격을 확실히 저렴하게 하려면 PNP와 NPN 블로킹 발진이 좋겠지만, 부품 수가 적기 때문에 효율 개선 조정 부분도 별로 없어 소자 특성에 따라 성능이 거의 정해지게 된다. 
그래서 이번에는 변환 효율 70% 정도의 저렴한 승압 초퍼IC를 이용하여 효율을 개선시키는 방법에 대해 검토해 보았다.

1. 회로

그림 3은 회로를, 사진 2는 외관을 나타낸 것이다. 원래는 출력을 정전압 제어하는 피드백 회로를 LED로의 출력과 별도로 정류한 부하저항값으로 제어하여 스위칭 출력 단자 전압을 가변으로 했다. 
이로써 LED 정류용 쇼트키 배리어 다이오드와 전류 제한 저항을 삭제할 수 있으므로 정전압 전원으로서의 효율이 75%였던 것을 그림 3에 나타난 회로에서는 82% 정도까지 개선할 수 있었다. 
동일한 손실로 비교해도 출력 전류가 증가하고 있으므로 입력 전압을 2.4V 정도 확보할 수 있다면 TO-92 패키지의 IC로도 1W 파워 LED를 점등할 수 있다. 
최저 동작 전압이0.7V 정도로 낮기 때문에 전지의 과방전이 걱정되지만, 개인적으로 사용하는 경우라면 충분히 사용할수 있다고 느꼈다. 저가의 초퍼 IC이므로 과방전 대책은 어렵지만 용도를 LED로 한정해서 사용하면 고효율화를 도모할 수 있다.


(1) 대만제 제어 IC

홀텍(HOLTEK)이라는 대만 메이커의 PFM 승압 초퍼 IC HT77xxA 시리즈 중 HT7733A를 구입했다. 4개에 200엔으로 저렴하다. 이 데이터시트에는 다음과 같은 특징이 기재되어 있다.

● 기동 개시 전압 0.7Vtyp

● 효율 85%typ 경부하 시

● 출력 전압 정밀도 ±2.5%

● 출력 전압 라인업 2.7V, 3V, 3.3V, 5V

그림 4에 나타난 블록 다이어그램을 보면 LX, VOUT,GND 3단자에서 동작하며 외부 ON/OFF로서 칩 이네이블 단자(CE)가 있다.
과전류 보호에 사용된다고 생각되는 LX Limiter를 갖고 있으므로 정격 이상의 전류에서는 IC 내부에서 제한이 걸릴 것이다. 그림 5의 효율 특성을 살펴보면 V_in＝2V일 때, I_O＝0.2A에서 효율 η＝70%가 되었다. 이 때 V_O＝3.3V가 나왔다고 가정하면 IC 내부 손실 Pd는 다음과 같이 추정할 수 있다. 

P_d＝(P_O/η)－P_O
    ＝{(3.3V×0.2A)/0.70}－(3.3V×0.2A)≒280mW

가령 효율(η) 80%를 넘어설 수 있다면, 내부 손실을 280mW 로 억제한 상태에서 출력 전력 P_O를 0.66W →1.12W로 증가 시키기 위해 1W 파워 LED도 점등시킬 가능성이 생긴다. 이 손실이라면 TO-92 패키지에서도 충분히 방열 가능하다. 
그림 5를 잘 살펴보면 입력 전압이 내려갈 경우 출력 전류도 감소한다. 이것은 IC 내부의 과전류 보호가 기능하기 때문이라고 생각한다.  따라서 전체적인 효율을 올릴 수 있다면 저전압 입력 시에도 출력 전류를 더 많이 취할 수 있을 것이라고  추정했다.


(2) 응용 회로 예를 LED 부하용으로 변경하여 동작 확인

그래서 우선은 실장 면적의 소형화와 약간의 효율 상승을 위해그림 6의 표준 응용 회로 예에서 다음의 상수를 변경했다.

●입출력 콘덴서 C_in, C_out을 탄탈 콘덴서에서 칩 타입의 적층 세라믹 콘덴서(MLCC)로 변경
●L₁을 데이터시트의 효율 그래프 측정 조건에서 47μH로 변경. 단, 최대 전류에서도 자기 포화되지 않는 것을 선택한다.
●정류용 쇼트키 배리어 다이오드에는 더 낮은 VF가 되도록 역내압이 낮은 것(20∼30V 정도)을 사용한다.
●피드백계가 정전압 제어뿐이므로 LED에 대한 전류 제한은 저항으로 실행한다.

그림 7은 변경을 반영한 것이다. 정전압 제어의 승압 초퍼로 LED를 점등시키는 경우로는 일반적이다.

전류 제한용 저항을 넣어 두었지만, V_F와 출력 전압의 균형 이 좋으면 수Ω정도의 낮은 저항이라도 괜찮을 것이다. V_out 단 자의 전압을 피드백하고 있으므로 C_out의 용량을 너무 작게 하 면 이상 발진한다. 
그림 5의 D₁은 승압된 펄스 전압의 정류용이며, 평활용 C_out 의 전압이 C_in으로 되돌아가지 않도록 역류 방지를 실시한다. 그러나 D₁의 V_F만큼 LED와 직렬로 들어가므로 LX 단자는 V_F 만큼 쓸데없이 승압해야 한다. 특히 출력 전압이 수V로 낮으 면 효율 저하의 원인이 된다. 이 경우, MOSFET을 사용한 동 기 정류 방식을 선택하는 방법도 있지만, 가격이 높아진다. 
또한, D₁ 외에 전류 제한용 R₁도 들어가 있다. 효율을 악화 시키는 이러한 부품이 들어가 있기 때문에 효율은 그림 8의 점선과 같이 되었다. 


(3) 백색 LED 점등에 더욱 특화 
그림 6에서 LX 단자는 D₁의 V_F만큼 높은 전압이 되므로 여 기에 LED를 장착해도 빛이 난다. 
LED는 전류 정격 I_F(max)와 역내압(백색에서는 약 5V) 제한 을 지킬 필요가 있지만 펄스 전류도 규정값 이하라면 흘릴 수 있다. 일정 전류로 구동하는 DC 점등보다 LED 발광 효율이 떨어지는 것 같지만, 이번에는 승압 초퍼의 효율 개선이 주요 목적이다. 그래서 그림 3에서는 정류 다이오드를 통과하지 않 고 LX 단자의 펄스 전압으로 직접 LED를 점등시킨다. 이렇게 하면 그림 7의 다이오드 D₁과 전류 제한 저항 R₁의 손실이 없 어지므로 효율은 대폭 개선된다. 
단, 이 결선에서는 전압이 너무 높아 정격 전류 오버의 가능 성이 있으므로 전압 피드백 단자인 V_out 단자에 대해 연구했다. 그것은 V_out 단자 전압을 외부에서 조절함으로써 LX 단자 전 압을 제어하고 등가적으로 LED 전류를 제한하는 방법이다. 
V_out 단자에는 소용량의 D₁과 콘덴서 C_out, 그리고 병렬로 저 항 R₁을 접속한다. IC는 C_out 전압이 3.3V로 되도록 제어하기 때문에 D₁의 애노드 측의 경우 펄스 전압은 아니지만 3.3V보 다 V_F만큼 상승했다. 
만약 부하저항 R1의 저항값을 낮췄을 경우, IC는 출력 전압 이 내려가지 않도록 주파수나 스위칭 전류를 늘리도록 제어된 다. 이 때는 LX 단자 전압도 상승하여 LED 전류가 증가하게 된다.
반대로 R₁의 저항값을 높였을 경우에는 출력 전압이 올라가지 않도록 제어하므로 LED 전류가 감소한다. 이번 저항값은 입력 전압의 상한 2.6V를 정해 두고, 그 상태에서 I_Fmax 부근이 되도록 실험으로 정했다. 또한 LED와 콘덴서를 병렬로 접속 하면 전하가 남았을 경우 LX 단자에서 쇼트되므로 여기에 접속해서는 안 된다.


즉석 회로 44 : 정전을 알아채지 못하는 낮에는 버저로 알려주는 회로

100V가 끊어지면 버저와 전지가 릴레이로 자동 접속된다. 정전됐을 때 조명이나 TV가 켜져 있으면 어두워지므로알아 챌 수 있다. 그러나 히터나 냉동고, 냉장고 등 소리 없이 동작하는 장치밖에 없다면 정전이 되더라도 알기 힘들다.
동네 전체가 정전됐을 경우에는 전력회사가 원인이겠지만, 특정 콘센트에만 전기가 들어오지 않는 것은 대부분 사람의실수이다.
예를 들어 모르고 중부하(커피포트＋핫플레이트 등)를 걸어 브레이커를 폭주시키면 분기해서 연결돼 있던 장치가 정지되어 버린다. 또한 사용하지 않는 연장 코드라고 착각하여 플러그를 뽑거나 발로 밟아 뽑는 경우도 있다. 혹은 발전기의 연료가 다 된 것을 몰라서 생각지도 않은 원인으로 인해 정전이 발생하기도 한다. 이러한 때 정전됐다는 것을 소리로 알려주는 회로를 만들었다.

1. 회로

그림 9(a)는 콘센트로 100V가 오지 않았을 때 버저로 통지하는 회로이다. AC100V 릴레이의 B 접점을 사용하여 정전을 버저로 통지한다.
정전되면 릴레이가 OFF되고 B 점점이 닫혀 버저와 전지가 연결된다. 정전되어 있는 동안 계속 울린다. 사용하지 않을 때에는 전지를 빼 두어야 한다. 
건전지 2개로 도시했지만 버저 정격에 맞춰 전지의 크기와 개수를 선택한다. 대기 시에는 전류가 흐르지 않으므로 버저를 울릴 수 있다면 소형 전지도 상관없다. 방범 버저를 개조하여 울려도 좋을 것이다. 

(1) 전지를 빼두지 않아도 되도록 스위치를 장착한다 

그림 9(b)는 음을 없애기 위해 전지를 빼 두지 않아도 되도록 ON/OFF 스위치를 장착한 것이다. 하지만 누군가가 모르는 사이에 스위치를 OFF해 버릴 수도 있다. 알림음이 들리지 않는 경우가 발생하지 않도록 간단히 조작할 수 없게 연구할 필요가 있다. 

(2) 단시간 정전에도 대응하는 타입 

그림 9(a)와 그림 9(b)도 정전이 복귀되면 버저가 멈추므로 단시간 정전일 경우 알아채지 못하는 경우가 있다. 정전 복귀 후에 재기동이나 재설정이 필요한 기기를 위한 회로를 그림 9(c)에 나타낸다. 릴레이를 자기 유지시킴에 따라 정전되면 자기 유지가 해제되어 버저가 계속 울린다. 
사진 3은 제작한 예이다. 릴레이에는 2회로의 독립된 접점이 필요하다. 전원 접속 후 푸시 스위치 SW1을 누르면 릴레이가 ON되고 접점 1a가 닫혀 자기 유지된다. SW1을 OFF해도 릴레이는 계속 ON된다. 
정전으로 릴레이가 OFF되면 동시에 접점 1a도 OFF되어 자기 유지가 해제된다. 그리고 접점 2b가 ON되어 버저 회로가 연결된다.



3) 토막상식 … 다양한 릴레이

a 접점 : 릴레이 코일의 통전으로 ON되는 접점

b 접점 : 통전으로 OFF, 비통전으로 ON(NO 접점과 동일)

2c 접점 릴레이 : a-b 접점(트랜스퍼 접점)이 2회로 들어 있는 릴레이

자기 유지용으로는2c 접점 릴레이가 필요하다.


즉석 회로 45 : 전지를 사용하지 않는 태양전지-LED 직결 타입의 그늘 라이트

어두운 그늘을 비추는 데 편리하며 전지가 필요 없는 심플 한 구성이다. 
절전 때문에 주간 조명이 소등되어 있는 경우가 있다. 그러나 낮동안 외광(外光)에 의지하는 장소라고 해서 반드시 균등하게 밝은 것은 아니다. 그늘이 드리워져 위험한 경우도 있다. 실외는 밝다고 해도 그늘이 지는 장소로 외광을 유도하여 비추는 것은 쉽지 않다. 
태양광 발전을 이용하는 것이 간단할 것 같지만, 본격적인 설비는 시판 제품이든 직접 제작하든 번거롭다. 그러나 단독 부품으로서의 솔라 패널, 조명용 백색 LED는 모두 가격이 낮아져 일반적으로 구입하기 쉬워지는 추세이다. 솔라 패널과 백색 LED를 직결하기만 해도 어느 정도의 조명을 얻을 수 있었다. 

1. 회로 
그림 10은 회로도를 나타낸 것이다. 솔라 패널과 LED를 직결한다. 그리고 그림 11은 솔라 패널의 출력 전류 대 출력 전압 의모식도를나타낸것이다. 
부하를 무겁게 해 가면 전류를 유지한 채 전압만 내려가는 정 전류 특성이다. 출력 전류가 최대로 되는 것은 V_out＝0V일 때, 즉 출력 단락 시이다. 그러나 이 상태에서는 출력 전압이 제로 가되므로전력을뽑아낼수없다. 
패널의 최대 출력‘전력’은, V_out과 개방 전압보다 약간 낮은 I_O의 곱이 최대로 되는 점에서 발생한다. 이 최대 출력점은 빛 의 조사 상태와 연동하여 변화한다. 이 특성을 고려하여 입력 측에서 패널의 최대 출력점을 추적하면서 전력을 출력으로 넘 기고 일정 전압을 출력하는 것이 MPPT(Maximum Power Point Tracking)라는 회로이다. 
그러나 조사광에 맞춘 최대 출력까지 욕심부리지 않는다면, 어느 정도의 전압을 유지하면서 전류를 뽑아내므로 그 나름의 파워를 얻을 수 있다. 
한편, 부하가 되는 백색 LED는 순방향 전압 V_F가 높다는 것 외에는 일반적인 LED와 마찬가지로 전류가 변화해도 V_F가 거의 일정해지는 정전압 특성이다. 
그렇다고는 해도 솔라 패널에 LED를 직결하면 정전류 다이 오드로 LED를 구동하는 것과 마찬가지로, V_F가 거의 일정한 상태에서 전류를 흘릴 수 있게 된다. 청황형 백색 LED에서 V_F 는 약 3V이다. 개방 전압이 20V에 가까운 12V계의 솔라 패널 에서는 최대 출력점보다 상당히 낮아지지만 3소자나 4소자 직 렬로 하면 적당해진다. 
일정 전류에서 LED의 전체 광속은 직렬로 하는 LED의 개 수에 비례하지만, V_F를 너무 높게 하면 패널에 조사(照射)하는 광량이 줄어 출력 전압이 내려갔을 때 점등하지 않게 된다. 이 번에 사용한 LED는 패키지 내에서 3소자가 직렬로 된 V_F≒ 9V 제품이다. V_F≒3V인 LED를 사용하면 설계 자유도도 높아진다. 



2. 특성 

태양을 상대로 하므로 생각한 대로 데이터를 얻을 수 없지만 개략적인 내용은 다음과 같은 느낌이다. 
솔라 패널이 거의 최대 출력으로 되는 한여름 대낮에는 단 락 전류 180mA, 76lux(1m 바로 아래)이다(그림 12). 흐린 날에는 정오에도 10lux를 얻을 수 없다. 야간이나 흐린 날에는 다른 수단이 필요하지만 낮동안의 외광을 실내에 끌어들이는 역할은 한다. 


패널의 크기를 추정해 보자. 시판되고 있는 LED 전구의 밝기는 백열전구 20W 상당에서 170lm(루멘), 40W 상당에서 485lm일 것이다.⁽¹⁾ 현재 일반적으로 시판되고 있는 조명용 백색 LED의 발광효율은 100lm/W 전후이므로 수W의 발전량이 있다면 어떻게든 조명은 밝힐 수 있다. 
패널이 클수록 발전량이 늘어나는데, 거의 발전량에 비례하여 가격도 올라가며 크기가 커지면 다루기 곤란하므로 3∼ 10W 정도의 제품이 실험하기 쉬울 것이다. 그렇게 하면 기종 도 한정된다. 직결로 12V의 카 배터리를 충전할 수 있는 전압 사양의 제품이 나중에 응용하기에도 유리할 것이다. 
솔라 패널 전력을 최대한 뽑아낼 수 있다고 해도 조명광으 로 변환할 수 없다면 의미가 없다. 솔라 패널 측에 최대 출력 점이 존재하는 것과 같이 LED에도 발광 효율의 최대점이 존재한다. 
일반적으로 입력 전압이 큰 영역에서는 발광 효율이 작아진다(그림 13). 그러나 극단적으로 큰 전력을 입력하지 않는 한 이번과 같이 막 사용하는 용도에서는 신경쓸 정도가 아닐 것 이다. 백열전구와 같이 입력 전압 감소와 연동하여 발광효율이 극단적으로 감소하는 경우도 없다. 따라서 솔라 패널의 최대 출력 시에도 LED 정격에 충분히 여유가 있는 소극적인 사용법을 선택하도록 한다. 


발광효율은 1W당 광속(단위 : lm/W)으로 규정된다. 동일한 LED에 동일한 전류를 흘려 사용하면 단순히 1개보다 3개가 3 배 더 밝다고(3배의 광속을 얻을 수 있다고) 느끼는 것과 같다고 할 수 있다. 
야간이나 흐린 날에는 그림 10의 LED부에 12V의 AC 어댑 터를 연결할 경우 약 5W 입력의 LED 조명이 된다. 이 때 LED 점등 전류는 총 400mA 정도이다. 대략 200mA 정도의 패널 최대 출력 전류에 대해 여유가 너무 많다. 그러나 솔라 패널 출력 전류가 남아서 LED에 흘리기 직전에 제한이 걸리는 것보다는 이 편이 더 간단하다. 
태양광의 강약은 LED의 밝기와 직결된다. 나무 그늘의 흔들림이나 새의 그림자 등에 따라 조명이 깜빡이는 것이 신경 쓰일 경우에는 대용량 전해 콘덴서를 패널에 병렬로 접속한다. 발전형은 배터리를 사용하는데, 이번 작품의 특징인 간편 함을 잃게 된다.

즉석 회로 46 : AC100V로 감전되는 것을 피할 수 있는 LED 검전 회로

금속 부분이 찌릿한지 만져보기 전에 알 수 있다. 또한 구하기 어려운 네온관을 사용하지 않아도 된다. PC나 측정기의 금속 부분에 접촉했을 때 전기충격까지는 아니어도 찌릿한 불쾌 감을 느끼는 경우가 있다. 누전이라고 생각하여 핸디 테스터로 보디 어스 대 케이스의 전위차를 측정했더니 AC50V 전후의 값이 나왔다. 그 이유는 나중에 설명하겠지만, AC100V에는 극성이 있어 GND가 연결된 기기가 여러 개 있으면 이러한 감전 가능성이 생긴다. 기기를 콘센트에 접속할 때 테스터로 측정하여 극성을 조사하면 되지만 그 때마다 테스터를 꺼내는 것은 귀찮다. 이와 같은 용도에는 감전기가 흔히 사용된다. 상용 전원의 AC 라인이 공급되고 있는지 체크하는 기구이다. 네온관을 내장한 마이너스 드라이버 형태의 제품이 널리 사용되고 있지만 이번에는 고휘도 LED를 사용한 것을 만들어 보았다.

1. 회로

그림 14는 고휘도 LED를 사용하여 간단하면서도 새로운 성능과 기능을 추가한 검전기 회로이다.
● 교류 직류 양용
● 최저 AC10V 정도로 낮은 전압부터 검지 가능
● 교류 직류 판별, 직류 시의 극성 판별 가능



1) 네온관 대신 LED를 사용하려면…

시판되고 있는 드라이버형 검전기는 그림 15와같은회로가 일반적이며 지금도 사용되고 있다. 초보를 위한 공작기사의 주제로도 널리 사용되었을 것이다. 지금은 네온관이 그다지 일반적이지 않으므로 단독으로 구하기 어려워졌다. 또한, 표시용 네온관의 방전 개시 전압은 보통 50V 이상이므로 제작 계기가 된 50V 미만의 전압을 검지할 수있을지 불투명하다. 시판되고 있는 일반적인 검전기(저압형)의 전류 제한 저항은 600V까지 사용할 수 있는 타입 에서 2MΩ이상이다. 점등 시의 전류는 많이 어림잡아도 0.3mA 이하로 억제된다는 것을 알 수 있다. 이러한 전류값을 표시용 LED에 흘리면 실내 조명 하에서 점등을 확인할 수 있 을 것이다. 
또한 시판되고 있는 검전 드라이버 내에는 LED 표시로 전지를 내장한 것이 있다. 전지를 내장하는 것은 앰프를 내장하기 때문일 것이다. 
그러나 최근 조명용 고효율 백색 LED가 저렴하게 판매되고 있다. LED는 작은 전류에서도 발광 효율이 별로 떨어지지 않는다. 이것을 사용하면 100㎂ 이하의 전류에서도 상당한 휘도로 빛난다. 
이번에는 OptoSupply社의 OSW443Z4E1P라는 LED를 사용했다. 데이터시트에는 I_F＝30mA에서 전체 광속 30lm이라고 나와 있다. 이 때 V_F＝9.9V_typ이므로 발광 효율은 실제로 100lm/W 이상이 된다. 


(2) LED를 사용할 경우의 주의점 

LED를 사용할 경우 내전압에 주의해야 한다. OSW443 Z4E1P의 역내압은 V_R＝15V이다. 큰 값의 전류 제한 저항이 삽입되어 있으므로 바로 치명적인 손상을 입는 경우는 없을 것이다. 그러나 PN 접합의 경우, 일반적으로 역내압을 넘으면 미소 전류에서도 서서히 결정이 파괴 된다고 알려져 있다. 
그림 14와 같이 보호 다이오드를 역방향, 병렬로 하면 역방향 전압이 보호 다이오드의 V_F에 클램프된다. 이것을 발전시켜 같은 LED를 병렬로 하면 교류와 직류의 판별 및 직류 극성 판정을 한 번에 실행할 수 있다. 양쪽 점등이면 교류, 한쪽이면 직류이다. 완전히 교류 전용으로 할 경우에는 그림 16과 같이 콘덴서를 직렬로 접속하면 될 것이다. 


2. 왜 감전되는가? 

그림 17은 감전 상황을 나타낸 것이다. 절전을 위해, 기구 전원에 개별 스위치가 달린 테이블 탭을 사용했다. 이 스위치로 OFF로 되어 있는 기구가 문제이다. 
테이블 탭의 인렛 극성이 반대이고 거기에 접속된 기구에 내장된 코먼 모드 노이즈 대책용 Y 콘덴서에서 케이스를 통과 하여 다시 접속 케이블을 건넌 후 다른 기기에 도달하는 경우도 있다. 
벽에 있는 콘센트는 구멍이 긴 쪽이 어스에 접속되도록 정해져 있지만, 테이블 탭에서는 극성이 명확하지 않는 경우가 많은 것 같다. 하나하나 테스터로 측정하는 것도 번거롭다. 이번에 제작한 것과 같은 소형 검전기라면 사용하는 데 아주 편리하다. 


3. 감도 조정도 가능 

OSW443Z4E1P는 내부에 3개의 LED 소자가 직렬로 되어 있다. 따라서 V_F가 9.3V로 높지만 1MΩ의 고저항을 통해서도 10V 전후부터 서서히 빛나기 시작한다. 네온관 방전 개시 전압보다 훨씬 낮기 때문에 이번에 사용하고자 하는 용도에는 적합하다. 
그러나 용도에 따라서는 너무 낮은 전압에서 빛나게 하고 싶지 않을 때도 있을 것이다. 이러한 경우에는 그림 18과 같이 제너 다이오드를 직렬로 접속하는 방법도 생각할 수 있다. 그라운드 측에 제너를 넣고 앞뒤로 탭이 나오도록 하면 감도 조절 기능도 부가된다. 단, LED 휘도와 전류의 관계는 연속적이며 점등, 소등의 경계가 애매하므로 정확한 전압은 판독할 수 없다. 


4. 제작 시 주의해야 할 점 

정식 검전기는 노동안전위생규칙 제339조 등에 따라 사용 하도록 규정되어 있다. 그 사양은 제작자에게 일임하고 있다. 이번 작품은 법률의 대상이 되는 업무에 사용할 목적으로 제 작한 것이 아니다. 제작과 사용은 안전 위생을 이해한 후 자신의 책임 하에서 실시해야 한다. 
회로의 한쪽 끝이 인체를 통해 그라운드에 접속되므로 배선이나 부품 선택, 취급 실수는 즉시 감전 사고로 연결된다. AC50V 정도의 경미한 누설 검출을 목적으로 하는 것 같지만, AC100V 라인을 접촉해도 괜찮도록 직렬 저항을 1MΩ으로 하여 AC300V까지 사용 가능한 제품으로 준비했다. 100V를 직접 걸어도 100㎂ 이하밖에 흐르지 않는다. 
그러나 갑자기 AC100V 라인을 접촉하지는 않도록 한다. 동작 테스트는 낮은 전압에서도 점등하므로 실험용 전원을 이용하여 실행할 수 있다. 이번 목적에서는 점검 대상의 소성을 알고 있지만 명확하지 않은 현상의 점검에는 사용하지 않도록 한다. 고압에 접촉되어 사고로 연결될 우려가 있다. 물론 심장 질환이 있는 사람이나 휴대형 전자 의료기구를 장착하고 있는 사람도 사용을 금지한다.




本記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

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