MCU나 라즈베리 파이에서 AC Air Pump를 제어하기 위한 Pump보드를 설계합니다. Air Pump는 소형이며 Air Cell에 공기를 불어넣기 위해 사용됩니다. 아래 사진은 본 글에서 사용하고자 하는 Air Pump입니다. Aliexpress에서 구입을 하여 실험을 하였으며 최대 압력이 50KPA, Air Volume이 55L/min, 전력소모가 25W입니다.
AC를 제어하기 위한 회로를 설계를 하는 것이며 AC를 제어하기 위해서는 아래 네가지 방법이 있습니다.
Switched Control은 이름 그대로 Switch의 On/Off으로 AC를 공급하거나 공급을 끊는 방법이며 AC를 이용하는 모든 기기의 Power Switch가 이 방법을 사용합니다.
Rheostat Control에서 Rheostat는 가변저항기를 의미하며 부하와 AC소스사이에 가변저항을 삽입하여 전류 흐름을 제어함으로써 부하를 제어하는것을 Rheostat Control이라고 합니다.
Voltage Control은 AC전원소스와 부하사이에 Variable AC Autotransformer 즉 Vriac이라고 하는 것을 삽입하여 전압을 조절하여 AC를 제어하는 방식입니다. Variac은 우리나라에서는 슬라이닥스(SLIDAC)로 알려져 있으며 전압조정기 입니다. 아래 그림은 슬라이닥스의 사진 예이며 현재 판매되고 있는 대림전기의 슬라이닥스-2K300이라는 제품입니다. 이 외에도 다양한 슬라이닥스가 상품화되어 판매 되고 있습니다.
Thyristor Power Control은 Thyristor라는 Swintching Device를 사용하여 AC를 제어하는 방법입니다. 세가지의 Thyristor가 많이 사용되는데 Silicon-Controlled Rectifiers(SCR), Gate Trun-Off Thyristors(GTO Thyristors) 그리고 Triacs가 그것입니다. Rheostat Control이나 Voltage Control은 Digital 제어를 할 수 없는 반면 Thyristor Power Control이나 Switched Control에서 Switch를 Relay로 쓸 경우 Dgital 제어가 가능합니다. 즉, MCU로 제어가 가능하다는 의미 입니다. 본 글에서는 SCR를 사용할 예정입니다.
AC 제어의 보다 자세한 정보는 아래 링크를 클릭하시면 얻을 수 있습니다.
https://electricalacademia.com/electric-power/ac-power-control-methods/
본 글도 위 링크의 글을 참조하였습니다.
본 설계는 위에서 언급한 AC제어 방법 중에서 Thyristor Power Control을 사용 합니다.
두개의 주요 부품이 사용되며 하나는 MCU와의 인터페이스를 위한 Optocoupler, 다른 하나는 AC를 Swiching하기 위한 SCR입니다.
Optocoupler로는 Onsemi사의 MOC3052M을 사용합니다. Digital Logic과 AC Line(AC220V 또는 AC115V)이 분리된 상태에서 인터페이스를 하기 위해 사용하는 부품입니다. Pin Connection Diagram은 다음과 같습니다.
MOC3051M, MOC3053M이 이 부품의 패밀리 입니다. 아래 그림에서 보는 것 처럼 세 부품은 LED Trigger Current에서 차이가 있습니다. 우리가 사용하는 MOC3052M은 최대 10mA의 LED Trigger Current 값을 가지고 있습니다. 회로 설계 시 이 부분을 고려해야 합니다.
SCR은 On-state RMS current가 15A인 STMicroelectronic사의 TN1515-600B를 사용합니다. 본 글에서 제어하고자 하는 Target Device의 전력이 25W인것에 비하면 매우 큰 용량을 가졌으나 본 보드가 다목적용으로 사용 할 수 있다는 것을 고려하여 용량이 큰것으로 선정 하였습니다.
위 두 가지 주요부품을 이용하여 Target Device인 AC Air Pump를 제어하는 회로를 설계 합니다.
아래는 회로도 입니다. MOC3052M과 Transistor, SCR, TNR, Didode, Connector 그리고 몇개의 저항으로 구성되어 있습니다.
본 설계에서 가장 중요한 부분은 MOC3052M을 구동하기 위해 주변회로를 어떻게 설계하는가 입니다. 이 부분은 MOC3052M의 Datasheet에 잘 나와 있기 때문에 그 내용에 따라서 설계를 합니다. 아래는 MOC3052M의 Basic Driver Circuit입니다.
위 그림에 나와 있는 공식에 따라 Rled와 R을 구합니다. 우리 회로에서는 R3와 R5입니다. Rled를 구하기 위해서는 VCC, VfLED, VsatQ 그리고 Ift를 알아야 합니다. 각 부품의 Datasheet에 의해 VCC: 3.3v, MOC3052M의 VfLED: 1.18v/Ift: 10mA, Transistor인 MMBT2222A의 Vsat는 0.3v입니다. 공식에 대입하면 다음과 같습니다.
Rled = (VCC – VfLED – VsatQ) / Ift = (3.3 – 1.18 – 0.3) / 0.01 = 1.82 / 0.01 = 182
즉, Rled는 182Ohm을 사용하면 됩니다. 실제 회로에는 R3를 220Ohm을 사용했는데 구동 전류를 약간 줄여도 잘 동작함을 확인하였습니다.
다음은 R을 구해야 합니다. 실제 회로에서는 R5입니다. 공식은 다음과 같습니다.
R = VpAC / Itsm
VpAC는 AC의 Peak전압으로 구하는 공식은 Peak 전압 = √2 × RMS 전압 입니다. 실제 값을 대입하면 VpAC = √2 x 220 = 311, 즉, VpAC는 311V입니다. 다음은 Itsm값인데 MOC3052M의 Datasheet을 보면 1A입니다. R값을 구하면 아래와 같습니다.
R = VpAC / Itsm = 311 / 1 = 311
R값은 311Ohm이 계산 되었으며 실제 회로의 R5는 330Ohm을 사용 하였습니다.
이상과 같이 MOC3052M의 주변회로에 대한 설계를 진행 하였습니다. 위 회로를 기반으로 보드를 만들었고 보드에 AC Pump를 연결 한 다음 Pump1단자에 “High – 3.3v”인가 하였을때 Pump가 동작하고 “Low – 0v”를 인가 하였을때 Pump가 멈추는 것을 확인 하여 설계한 대로 잘 동작함을 확인 하였습니다.
서론 고속도로에는 차로 별로 역할이 있습니다. 이것을 지정차로제라고 합니다. 예를들어 1차로는 추월차로, 2차로는 주행차로, 3차로는…