다목적 DIY 전원 공급 장치

제게는 Joe라는 친구가 있습니다. 그와는 인터넷을 통해 알게 되기는 했지만 어떻게 만나게 되었는지는 기억이 나지 않습니다. Joe와 저는 오늘 아침에 이에 대해 이메일 채팅을 나눴습니다. Joe는 2006년 4월부터 시작된 이메일을 가지고 있다고 했지만 이는 토론이 이미 진행 중이었음을 나타내므로, 우리는 서로 알게 된 날짜를 2005년 4월 1일로 하기로 했습니다. 이는 3년 후면 서로 알고 지낸지 20년이 된다는 의미입니다. 다른 것들을 제외하더라도, 이는 제 가장 친한 친구들 중 지금 세는 사람들의 대부분을 인터넷을 통해 만났다는 것을 깨닫게 했으며 분명히 생각해 볼 만한 일이었습니다.

Queen Latifah가 Robyn McCall 역을 맡은 TV 시리즈 The Equalizer를 본 적이 있으신가요? 그녀의 친구 중에 Harry Keshegian(Adam Goldberg)이 있습니다. Harry는 지하의, 사용되지 않는 지하철역에 사는 마스터 해커인데, Batman and Robin을 보며 자란 저는 항상 그곳을 그의 '박쥐 동굴'이라고 생각합니다. Joe는 영국판 Harry로, 케임브리지 외곽의 목가적인 시골에 살면서 낮에는 London Ambulance Service의 수석 소프트웨어 및 하드웨어 엔지니어로서 재택 근무를 하고 저녁에는, 종종 밤새도록 여러분이 본 적이 없는, 가장 놀라운 그 무언가를 만듭니다.

제가 이렇게 쩔쩔매는 이유는 Robyn이 문제가 생기면 Harry를 찾는 것처럼 저는 Joe에게 도움을 청하기 때문입니다. 예를 들어, 몇 주 전에 저는 흥미로운 프로젝트 하나를 받았습니다. 여기에는 Microchip Technology의 PIC16F18346-I/P와 같은 구식 8비트 PIC 마이크로 컨트롤러가 사용되었습니다.

이후 블로그에서 PIC와 함께한 저의 모험에 대한 이야기로 여러분을 기쁘게 해 드릴 수 있을지도 모릅니다. 그러나 지금은 더 중요한 이야기가 있습니다. 문제는 이 작은 악동을 프로그래밍하는 것 외에도 일련의 테스트를 받아야 한다는 것입니다. 결과적으로, 저는 3M의 222-3343-00-0602J와 같이 DIP 스위치, 1P12T 회전식 스위치, 오실로스코프용 프로브 단자 등(목록은 계속됩니다)으로 둘러쌓인 20핀 DIL 제로 삽입력(ZIF) 소켓을 가진 맞춤형 기판을 만들어야 합니다. 여러분이 정말로 운이 좋지 않다면, 이 기판이 이후 블로그에 등장할 수 있습니다.

Joe는 다른 재능도 많지만 그중에서도 PIC 전문가(PIC 기술에서 검은띠를 보유하고 있을 수도 있음)이므로 Zoom 통화로 조언을 구했습니다. 우리는 약 한 시간 동안 여러 모로 아이디어를 검토하며 즐거운 시간을 보내다가 통화를 끝냈습니다. 제가 다음날 아침, Joe가 '그냥' PC 기판 설계를 만들어 보기로 결정했다는 것을 알고 얼마나 놀라고 기뻤는지 상상할 수 있으실 겁니다.

그리고 이 구석의...

Joe는 PC 기판 회로도와 레이아웃을 통해 저를 안내하면서(다시 한번, Zoom의 경이로움에 감사 드립니다!), "그리고 이 구석의 이 부분은 제 표준 전력 회로입니다."라는 멘트를 툭 던졌습니다. 제가 자세한 내용을 물었을 때, Joe는 5V와 3.3V 모두에서 PIC를 테스트하는 것이 좋다고 결정했기 때문에 그의 설계 대부분에 사용하는 검증된 회로를 포함시켰다고 설명했습니다.

Joe는 "5V를 확신할 수 없기 때문에" 자신의 작품에 전력을 공급할 때 USB를 사용하지 않는다고 말했습니다. 그는 또한 이전에 한 번 속은 후, 내부 커넥터에 +Ve가 있고 외부 커넥터에 0V(접지)가 있다는 전원 공급 장치를 신뢰하지 않는다고 설명했습니다. 솔직히 말해서, 이는 내가 구입한 한 쌍의 컴퓨터 스피커를 생각나게 했습니다. 이 스피커는 이와 다소 유사한 현상으로 인해 연기가 솟구쳤습니다. 이는 Joe로 하여금 7V ~ 25V를 입력으로 받는 자신만의 회로를 만들도록 이끌었습니다. 이는 AC일 수도 있고 DC일 수도 있습니다(DC는 양극이거나 음극일 수 있음). 이제, 이 공급 장치는 그의 고안품에 전력을 공급하기 위해 확실한 5V 및 3.3V DC 값을 제공합니다.

이로 인해 저는 아주 좋은 아이디어를 떠올리게 되었습니다. 그래서 저는 Joe에게 이를 여러분과 같은 다른 애호가들이 자신의 취미 프로젝트에 사용할 수 있도록 별도의 기판으로 분리할 수 있는지 물었습니다. 다들 이미 짐작하셨겠지만, 다음 날 아침 제 이메일 받은 편지함에는, 관심 있는 모든 사람이 사용할 수 있도록 허용하는 Joe의 승인과 함께 해당 설계가 도착해 있었습니다.

전력 느끼기

Joe의 전원 공급 장치(PSU)의 회로도가 그림 1에 나와 있습니다. 언뜻 보기에는 혁신적인 PSU가 아니라고 생각할 수 있습니다. 그러나 더 깊숙이 들어갈수록 굉장히 고심한 흔적을 볼 수 있습니다. 예를 들어, 원할 경우 애호가들이 집에서 직접 제작할 수 있도록 이 PC 기판은 단면으로 설계되었습니다. 친절하게도 Joe는 전문적인 기판 제작을 원하는 사람들을 위해 설계 파일도 제공했습니다.

그림 1: 이 PSU 회로도는 언뜻 보기에는 간단해 보이지만 굉장히 많은 노력이 들어 있습니다. 예를 들어, PC 기판 설계 파일은 단면으로 애호가들이 집에서 직접 제작할 수 있습니다. (이미지 출처: Joe Farr)

부품들에 대해 논의하려면 그림 2와 같은 레이아웃도 고려해야 합니다. 올바른 풋프린트를 가진 모든 PC 기판 배럴 유형 커넥터가 될 수 있는 전력 커넥터 SK1부터 시작하겠습니다. 기존 월와트 공급 장치를 기반으로 하여, 저는 일반적으로 Tensility International Corp의 54-00166과 같은 2.1밀리미터(mm) 버전을 사용합니다. 대안으로 전원에서 PC 기판의 패드 'a'와 'b'에 전선을 간단히 납땜할 수 있습니다.

그림 2: 실크스크린에 표시된 부품 값, 유형, 배치를 사용하여(예: 조정기 IC2가 패드/비아 IC2a에 연결된 것으로 표시됨) PSU는 7V ~ 25V AC 또는 DC를 입력으로 수용하여 확실한 5V 및 3.3V 출력을 반환합니다. 그러나 일부 부품을 교체하면(예: 패드/비아 IC2b에 다른 유형의 조정기 연결) 다양한 다른 전압 조합을 얻을 수 있습니다. (이미지 출처: Joe Farr)

출력 커넥터인 SK2의 경우 Molex의 5핀 버전인 SK2를 사용하면 기판을 프로젝트의 나머지 부분에서 쉽게 분리할 수 있으므로 이상적입니다. 그러나 표준 0.1"(2.54mm) 피치의 5핀 커넥터를 사용하거나 헤더 핀을 납땜하거나 전선을 PC 기판에 직접 납땜할 수도 있습니다.

BR1의 경우 작동 전압이 50V 이상이고 정격 전류가 최소 1암페어(A)(항상 기판의 최대 부하를 합친 것보다 약간 높음)인 브리지 정류기를 사용할 수 있습니다.

이 설계의 특정 구현과 관련하여, IC1에서 생성된 5V 출력과 IC2에서 생성된 3.3V 출력이 모두 필요합니다. 저희가 IC1에 사용한 부품은 Joe의 예비 부품 보물 상자에 있는 7805였습니다(사용된 부품은 onsemi의 MC7805ACTG와 유사함). IC2의 경우 실크스크린에 반영되는 원래 설계는 STMicroelectronics의 LD1117V33과 같은 LD1117V33 LDO(저드롭아웃) 조정기를 사용하는 것으로 지정되어 있습니다. 이는 그림 3의 오른쪽에 나와 있으며, 완성된 PSU를 보여줍니다.

그림 3: 완성된 PSU. 'd'와 'e'(중앙) 사이의 점퍼는 IC2에 대한 입력이 IC1의 출력에 의해 구동됨을 의미합니다(아래 참고 사항 참조). 전류 제한 저항(R1)을 'f'와 'i' 사이에 연결하면 LED1이 IC2의 출력에 의해 전력이 공급됨을 의미하므로 전력 체인의 모든 요소(BR1, IC1 및 IC2)가 작동하고 있음을 나타냅니다. (이미지 출처: Joe Farr)

커패시터 C1은 최대 예상 기판 입력 전압(35V 부품 사용)보다 높은 정격 전압을 가져야 하는 470마이크로패럿(μF) 전해 장치입니다. 커패시터 C2 및 C3의 경우 작동 전압이 35V보다 큰 거의 모든 100나노패럿(nF) 커패시터를 사용할 수 있습니다. 커패시터 C4와 관련하여, IC2가 LD1117V33 조정기인 경우 10µF/16V 커패시터가 이상적입니다. 그러나 78xx 조정기가 IC2에 사용되는 경우(아래 조정기에 대한 설명 참조) 이 커패시터는 C2 및 C3과 동일한 다른 100nF 커패시터로 변경해야 합니다.

LED1은 순방향 전압이 약 2V인 5mm 또는 3mm의 발광 다이오드(LED)입니다. 정격이 0.25W여야 하는 전류 제한 저항 R1의 값은 LED를 구동하는 데 사용할 출력 전압에 따라 달라집니다(아래 설명 참조).

고려해야 할 사항

조정기는 입력 전압을 받아 지정된 출력 전압과 일치하도록 낮추는 방식으로 작동합니다. 여기에 사용된 조정기의 경우 입력 전압과 출력 전압의 차이가 열로 소산되므로 조정기가 매우 뜨거워질 수 있습니다. 소산시켜야 할 열을 최소화하려면 연결된 조정기의 출력보다 약 3V 높게 입력 전압을 설정해 보십시오. 또한 DC에서 기판을 실행할 때 브리지 정류기가 입력 전압을 약 1V 떨어뜨린다는 점을 고려해야 합니다.

일부 조정기(대표적인 예: LD1117V33)에는 장치의 출력 핀에 금속 실장 탭이 연결되어 있습니다. 이에 반해 78xx 조정기에는 중앙(접지) 핀에 실장 탭이 연결되어 있습니다.

앞서 논의한 바와 같이 여기에 제시된 설계는 5V 및 3.3V 출력을 제공하기 위한 것이지만 필요에 따라 12V 및 5V와 같은 다른 전압 콤보를 수용하도록 쉽게 수정할 수 있습니다. 이 경우, IC1에 사용되는 조정기는 어떤 78xx 유형의 조정기라도 됩니다. 79xx 계열 조정기는 핀아웃이 다르므로 이 기판의 아무 곳에서나 사용하지 마십시오.

IC2에는 두 가지 옵션이 있습니다. 이미 논의한 바와 같이 원래 설계에서는 LD1117V33 3.3V 조정기가 사용됩니다. 이러한 조정기는 보다 일반적인 78xx 계열 장치와 비교하여 핀아웃이 다르기 때문에 IC2a 패드를 사용해야 합니다. 두 번째 조정기에 78xx를 사용하려면 IC2b라고 표시된 패드를 사용해야 합니다.

조정기 IC1은 항상 브리지 정류기 및 커패시터 C1의 출력에서 직접 공급됩니다. 이에 반해, 요구 사항에 따라 조정기 IC2를 구동할 수 있는 두 가지 가능성이 있습니다. 원하는 경우 브리지 정류기에서 직접 공급할 수 있습니다(점퍼 'c'를 'e'에 맞춤). 또는 IC1의 출력에서 공급될 수 있습니다(점퍼 'd'를 'e'에 맞춤). 이 두 번째 옵션은 제 구현의 경우와 같이 IC1의 전압 출력이 IC2에 필요한 최소 입력 전압보다 높은 경우에 유용합니다. 이렇게 하면 열이 감소하지만 조정기 IC1이 조정기 IC2와 회로에 전력을 공급하기에 충분한 용량이 있다는 가정을 전제로 합니다.

LED1의 전류 제한 저항 R1이 'f'와 'g' 사이에 연결되면 LED는 브리지 정류기 BR1의 출력에 의해 전력이 공급됩니다. R1이 'f'와 'h' 사이에 연결되면 IC1의 출력에 의해 전력이 공급됩니다. 그리고 R1이 'f'와 'i' 사이에 연결되면 IC2의 출력에 의해 전력이 공급됩니다. LED에 인가되는 입력 전압에 따라 R1 저항 값을 조정하여 적절한 밝기를 제공해야 합니다. LED에 응력을 가하지 않고 우수한 밝기를 제공하는 약 10밀리암페어(mA)를 목표로 다양한 전압에 대해 제안된 저항 값은 3.3V = 150Ω, 5V = 330Ω, 12V = 1KΩ, 15V = 1.2KΩ입니다.

결론

이제 끝났습니다. 이는 여러 부가 기능을 갖춘 우주 시대의 Jetson-sque PSU가 아닐 수도 있지만 많은 가정 프로젝트의 요구 사항을 충족하는 데 사용할 수 있는 멋진 소형 DIY 기판입니다. 저는 여러 규제 기관과 함께 이러한 숨겨진 작품들을 계속 사용할 수 있도록 할 계획이며 미래 프로젝트를 위해 도약할 준비가 되어 있습니다. 여러분은 어떻게 생각하시나요? 언제든지 의견, 질문 및 제안 사항을 보내주세요.