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과전류 제한 기능을 포함하는 30V 5A 전원 공급 장치 만들기 (2), 제작 그리고 테스트

글쓴이 : SOONDORI

전편 글의 연속으로… 흔히 접할 수 있는 표준형 회로이지만, 만능기판에 직접 구현해본 것은 처음. 의도하는 전압 범위가 있어서 초기 스케치와는 약간 다른 회로가 되었다.

* 관련 글 : 과전류 제한 기능을 포함하는 30V 5A 전원 공급장치 만들기 (1), 회로 스케치

대체로 잘 동작하고 훗날의 참조를 위해 몇 가지 특이점을 정리해둔다.

○ 전압 안정성 : 무리 없음

가끔 1/10 단위 전압이 오락가락 하는 정도. 7.4V 1W 제너 다이오드가 열심히 일을 하고 있는 것이다.

○ 최대 전류 : 어찌 보면 넉넉함?

회로 스케치에서 5A 한도를 상정했지만, 사용 저항에 오차가 있어서… 약 6.5A까지. 그 순간 출력 전압은 수 V 뚝! 떨어진다. 그 악조건에서 아세아트랜스 제작 토로이덜 트랜스포머의 AC 전압은 아주 조금 낮아지는 정도. 그렇다면 역시 DIY 회로의 한계가…

(2022.09.19 삭제 후 재정리, DIY의 한계로 치부했던 것의 재검토) 2차 측 200VA@AC에 대해서, AC 24V로 나누면 AC 전류는 8.33A. 두 개 탭 중 대전력을 취급하는 한쪽 브리지 다이오드의 정류 효율 0.6을 곱하면 5A Max. 마침 전류 제한 5A과 엇비슷한 값이다. 테스트 보드의 실측 값은 약 4.7A. 0.3A 차이는 논리상 0.2오움인 감지 저항의 부품 오차 + 나머지 한쪽에서 쓰고 있는 수백 mA의 영향이려니 하면 뭐… 그런데 회로를 수정하면 한쪽 탭으로 8.33A를 Full로 쓸 수 있을까? 그럴 만큼의 넉넉한 코일 굵기를 보장하고 있을까? 제작사의 안전 여유도가 있을 듯? 6.5A가 관측된 것이 좀 이상하고… 문의를 해봐야겠다. 추후 업데이트.

(2022.09.22) AC 200VA에 AC 24V 탭이 두 개이므로 각각은 100VA. 코일 굵기 등 고려하여 물리적으로 고정된 값. 100VA를 24V로 나누면 한 개 탭은 4.17A. 그것에 제조사가 부여한 약간의 여유도가 있는 것이고… 모든 것을 합산한 Peak 전류 용량이 총 4.7A이었던 것. 두 탭을 병렬 연결하면 전류량을 두 배로 키울 수 있다. 정격 8.34A, Peak 9.4A. 두 채널 중 한 채널을 기준으로, 상대편이 부하가 되지 않을까? 그런 질문에 대해서는 “괴얀타”라는 취지의 답변. 최초 5A 이상을 요구했는데… 무심결에 받아온 제품은 절못 골라주신 것. 여유가 있는 300VA/24V급이 적절하다. 또는 정격 5.56A인 200VA/18V 정도.

참고로 전류량 측정은 0.1오움 시멘트 저항을 GND 라인에 삽입하고 양단 전압을 × 10 한 다음 전류량으로 해석한다. 예를 들어, 0.1V가 읽히면 1A.

○ 방열판 체적 : 모양만 보고 착각한 사례

2~3A가 흐르는 조건에서조차 손에 잡히는 대로 구입했던 방열판은 확실히 용량 미달이다. 형상이 특이해서 뭔가 있으려나 했는데 일자형의 평범한 방열판에 비해서 딱히… 전편 글에 정리했던 것처럼 반드시 FAN을 달아주어야 한다.

○ 냉각 FAN : 확실한 효과 + 절대적 위험성

브릿지 다이오드와 파워 트랜지스터를 대충 배치하였기에 방열판에 열의 쏠림 현상이 있다 그래서 아주 작은 Fan으로 고열 부를 집중해서 식히고 데워진 공기는 옆에 있는 조금 더 큰 Fan이 받아서 배출하도록 조치. 참고로 몇천 원짜리 12V용 Fan을 달면 넉넉하게 5m/S 이상의 풍속이 나온다.

한편으로, 회로가 열심히 4A를 흘리고 있는데 우연히 냉각 FAN이 고장났다면? 파워 트랜지스터는 즉시 달아오를 것이고… 잠시 후 파손. 거기서 끝나지 않고 과한 전압이 출력될 경우 연결된 부하 회로까지 파손. 언제든지 그런 일이 생길 수 있다.

그러므로 온도에 반응하는 보호회로가 필요하겠다. 모든 레귤레이터 IC에 Thermal Protection 블록이 내장되는 이유이기도 한데… 단락 보호 회로를 포함하여 다음 기회에.

○ 도시바 2SC5200 파워트랜지스터 : 믿을 만하다.

스펙은 다음과 같고 무려… 9.75g. 무게만큼이나 듬직함. 출력 라인 단락 준하는 몇 오움 부하에서, 비유하자면 벌겋게 달아올라도 끄떡없다.

이 트랜지스터는 비슷한 규격의 Power MOSFET로 교체해도 좋을 듯.

○  스케치 회로 수정

1) 가변 범위를 13~18V로 변경. 불요한 열 방출도 그렇고… 아예 트랜스포머를 AC18V 정도로 바꾸는 게 맞다. 물론 당장은 그렇게는 할 수 없음.
2) Q1 바이어스 저항 600오움을 약 350오움으로 변경. 이것에 공급 전류량을 결정하는 핵심 변수인데 hFE가 생각했던 것과 달랐고 부품통에 있는 W급 저항이 100오움, 120오움뿐이라…
3) 제너 다이오드를 7.4V/1W로 변경. 이유는? 그것밖에 없어서.


4) 제너 다이오드와 GND 사이에 220uF 커패시터를 연결 → 발 빠른 출력 전압의 등락 내지 Peak성 전력 요청을 무시 → 부하 대응 반응을 약간 둔감하게 만들기. 그런 게 더 자연스럽다.
5) 전압 배분 회로의 13K오움과 27K오움 그리고 가변저항 50K오움은… 모든 전제 조건이 달라졌음. 그리하여 a) 가변저항 10K오움 + 47K오움 트리머 조합, b) 나머지는 100K오움 트리머로 대체. 그렇게 하면 출력 전압의 Min., Max, 가변 Span 세 가지를 조절할 수 있다.

 

12 thoughts on “과전류 제한 기능을 포함하는 30V 5A 전원 공급 장치 만들기 (2), 제작 그리고 테스트

  1. 좋은자료 감사히 잘 보고있습니다.

    언제 기회가 되면
    50A/13.8V 의 SMPS 가 아닌 트랜스포머가 있는 DIY 전원부를 공제식으로 자작 한 번하심이 어떨까요..

    요즘 주변에 보이는것이 전부 SMPS 방식이라..

    이젠 트랜스방식의 전원부는 박물관에 가야 볼 듯합니다.

    1. 안녕하세요?
      잘 지내시는지요? 오늘은 어스름 무렵의 저녁 하늘이 멋지더군요.

      재미있는 탐구 주제라고 생각했습니다. 아날로그 미터 두 개 넣고 2채널 PSU를 만들어 쓰려고 했었고요. 재미삼아서… 그런데 정말 많은 분들이 그런 게 필요하다고 생각하신다면, 중국제 리니어 전원과 다른 어떤 가치를 부가할 여지가 있다면 DIY KIT를 만들어 저 구석에 있는 코너에 등록해두는 것도 좋을 듯하네요. 진지하게 생각해보겠습니다.

      ^^

      그리고 잘 몰라서여쭙습니다만, 가정집 전열 라인이 보통 15A 정도인데… 50A라면 전력 소스는 무엇입니까?

      일단은… 위 글과 같은 (다소 비효율적인) 트랜지스터 기반 직렬 방식(Series) 전압제어로는 대응이 안 될 듯하고요.

      1. 아 네….

        전자/통신장비이지요..
        이게 용도별로(AM/FM/TV 처럼 개별로 아니면 1대에 전부 탑재된 올인원이 있고, 하지만 용도별로 되어야 1T에 각각을 틀어놓고 멀티로 사용)

        이 장비들이 고가의 플래그쉽 기종 정도면 별도 전원부가 내장되어 있으나, 보통은 13.8V 에
        소형은 10A 내외, 플래그쉽 정도의 규모 있고, 고성능은 20A ~ 30A.. 그러니 전원부를 책상에 각자 올려 놓을 수 없으니 50A 정도면 넉넉히 공통으로 사용할 수 있기에 말씀드렸습니다….

  2. 순돌님…
    저도 한가지 (순돌님의)조언 구합니다.

    요즘 시간나면 해외 중고거래사이트를 즐겨봅니다.
    말 그대로 눈팅만 하는 정도입니다.(사이트가 좀 익숙해질때까지)

    한데
    전원부에 대해 고민을가지고 있습니다.

    AC 100V 일본제 중고품 경우
    원형보전을 위해 다운트랜스(AC220V TO AC 100V)를 사용하는게 정답일까요
    (아주 오래전에 일제 장비를 다운트랜스로 구동한 적이 있는데
    어무래도 걸리적거리고, 접속개소가 많으니 고장빈발, 단전 위험, 전원손실도 많고,,,)

    아니면,
    통신장비, HIFI AUDIO 둘다 전원부를 개조할 수 있으면 해보는게 좋을까요
    제 생각은
    오디오앰프는 원형 그대로 유지해야 할 것 같아(음질보존 등,,,) 다운트랜스로 사용하고,
    통신장비는 트랜스포머와 부속 부품을 100V ->220V 로 교체할 수 있으면 하자.
    이렇게 정리중에 있습니다.(물론 개조 난이도/비용이 높다면 그냥 다운트랜스로 가야겠으나…)

    순돌님의 의견은 어떻한지요?

  3. 안녕하세요, Soondori님.
    추석명절은 잘 보내셨는지요 ?

    사회초년생일때 회사 직원이 카오디오 전원으로 위의 회로를 일러준적이 있어 ,
    사용해 본 경험이 있는듯 합니다.
    그때는 원리도 모르고 그냥 만들기만 한것 같은데요 ㅎ,
    회로도와 설명이 잘 되어 있습니다.

    전압조절용 트리머가 회로상 3단으로 되어 있습니다.
    간편하게 트리머 한개만 사용하면 안되는지요??
    대략 250k 하나 달면될듯 합니다만,

    1. 추석 잘 보내셨습니까?

      네. 논리상 트리머나 가변저항 한 개만 달아도 됩니다.

      다만, **V에서 **V까지 임의의 구간에 대하여 전압이 낮은 쪽과 높은 쪽 끝점을 좀 더 정확히 맞추려고 트리머를 세 개 쓴 것입니다. 그리고 중간에 있는 것은… 가변 볼륨인데… 현물에서 0오움에서 X오움까지를 정확히 통제하기가 힘들어서요. 부품 편차도 있고…

      물론, 세 개 중 하나만 건드려도 밖에서 조작할 때의 반응이 달라집니다.

      1. 안녕하세요, Soondori님.
        부품구매는 거의 다 되었는데,
        가변저항이 생각보다 없습니다.
        100k, 10k 만 있다고 해서 그것만 구매했는데,
        100k + 10k +100k 이렇게 사용해도 될까요??
        0.2옴도 거의 0옴에 가까운데 구지 달아도 되는지 궁금합니다 ^^

        1. 아? 저 회로를 만들려고 하시는군요.

          1. 제가 트리머를 여러 개 붙은 것은 전체 가변 범위를 좁혀서, 제한하려고 했기 때문입니다. 그리고 트리머 중 하나는 밖에 나와 있는 가변저항의 SPAN을 세밀하게 지정하려고… 또한 가변저항들의 부품값 편차가 있으니까 그런 것을 소화하려고요.

          2. 5K오움은 안전하게 가려고 붙인 것입니다. 없으면 불안하죠. 그리고 DIY인데… 상황에 맞게 적당히 하면 되지않을까요? 이 댓글 편집에서는 그림 첨부가 안되니까 최종 회로도는 메일로 보내드릴께요.

          3. 0.2오움은 일종의 전류 감지 센서 역할을 하고 효과가 확실합니다. 그런데 시멘트 저항의 부품 편차가 상당히 심해서… 예를 들어 0.1오움을 실측하면 0.12오움이 된다거나… 그렇습니다. 5A를 기준으로 0.01오움 편차는 50mV이네요. 0.02오움은 100mV이고.

          1. 예를 들어 5V,12V,24V 전용으로 하려면 고정저항? 아니면 현재있는 트리머를 고정을 하면 될까요??

  4. 네. 다음과 같은 상황을 상상해보았습니다.

    장치가 있고 여러 개 버튼이 있습니다. 5V를 누르면, 9V를 누르면, 12V를, 15V를, 24V를, 30V를… 그런 식으로요. 그리고는 각각에 대하여 논리상 5A, 현실은 0.2오움의 편차에 따라 달라지는 어떤 제한 내 전류가 흐를 것입니다.

    이런 구조를 만들려면 여러 개 중 하나만 선택되는 회전형 스위치 + 여러 벌의 트리머가 있으면 되겠네요. “트리머를 고정…”이라는 말씀이 이런 정도가 아닐까 싶어서 적어보았고요.

    시중에 있는 편하고 좋고, 과열/단락 대응도 되는 DIY형 레귤레이터 IC는 1A 미만, 1A, 1.5A 이내라서 4, 5, 6… 트랜스포머가 공급하는 범위 내 전류량을 그대로 소화할 수는 없습니다. 예를 들어 10A 핸들링 하는 1천 원짜리 레귤레이터 IC가 있으면 당연히 그것을 쓰는 게 맞습니다.

    없지요?! 그래서 대출력 TR.을 이용하는 예시 회로를 만들게 되는 것이겠어요.

    아부튼 위와 적은 것처럼 가필을 하시면 되는데요. 단, USB 전원? 그 5V는 예외입니다. 현재 제너다이오드를… 아무렇게나 7.4V로 고정해 놓았고 최소한 그 전압에 + 2SD-880의 V_be가 합산되어야 하므로 약 8V 이하로 떨어뜨릴 수는 없습니다. (따로 LM7805를 붙여도 될 것인데 좀 거시기한가요? 네. LM7805 Max. 입력이 24V 정도이니 위험하기도…)

    그렇다면…

    제너 다이오드를 4V 정도 되는 것으로 바꾸고 트리머를 적당히 조정하면 될 것이네요. 저항값은 현재 있는 것 그대로 쓰셔도 될 것 같습니다. 어차피… D-880이 정상 동작하는 조건 하에 분압 행위(Voltage Dividing)를 하는 것이니까요.

    네… 전안 안정화의 기준점을 제공하는 제너 다이오드 전압을 빼고는 위 회로는 수 V~33V 정도까지 취급할 수 있습니다.

    전류는 언급된 대로, 기본은 트랜스포머 용량(VA)과 센터탭 유/무에 따라 정해집니다. 24V 탭이 두 개라면 0-24V를 정확하게 병렬 연결해도 되고요. 센터탭이 있는 조건이라면 브리지 다이오드 방식은 버리고 다이오드 두 개를 사용하는 전파정류 방식을 쓰시는 것도…

    솜씨 좋은 분이라 멋진 작품이 나오겠습니다. 나중에 보여주세요.

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