잔차용 라이트 및 충전식 밧데리에 관한 생각

글 . 사진 대청봉님 (lysoo@hanmail.net)

잔차용 라이트와 밧데리의 조건은 아마 아래의 모든 사양을 만족하면 이상적이겠지만 불행하게도 몇가지 항목들은 서로 배타적이다. 따라서 각자가 중요하다고 생각하는 항목에 따라  결정을 다르게 할 수 밖에 없게된다.  

 

   a) 밝을수록 좋다.

   b) 사용가능 시간이 길수록 좋다.

   c) 가벼워야 한다.

   d) 겨울에도 밧데리의 용량강하가 적어야 한다.

   e) 가격이 너무 비싸지 않아야 한다.

 

 

1) 램프의 선정

 

  - 램프는 라이트의 밝기를 결정하는 가장 중요한 요소이다. 어느 정도의 밝기를 필요로 하는가에 따라 사용할 밧데리의 종류와 용량이 결정되므로 가장 먼저 결정해야 할 항목이다.

  - 램프의 밝기는 일반적으로 소비전력(Watt)에 따라 밝기가 다르다. 집에서 쓰는 백열전구의 예를 보더라도 60W 전구가 30W 전구보다 훨씬 밝음을 다들 알고 있을 것이다.

  - 소비전력은 정격전압과 전류의 곱이다. 일반적인 전지 4알 짜리 후래쉬용 램프의 경우 정격전압이 4.8V이고 전류는 0.52A 정도이므로 소비전력은 2.5W가 되는 것이다.

  - 후래쉬용 램프의 경우에도 일반적인 램프와, 밝기가 두배(Twice as Bright 라는 광고문구가 있음, ^^;)라는 크립톤 램프가 있으므로 가능하면 크립톤 램프를 쓰면 좋을 것이다. 같은 밝기에 전지 수명이 2배가 되든지, 같은 전지 수명에 밝기가 두배라는 이야기이다..

  - 일반적인 후래쉬 정도의 밝기라도 야간에 고수부지에서 라이딩하는 정도라면 별 문제가 없겠지만, 심야에 경사가 급하고 험한 산길에서의 라이딩이라면 좀더 밝은 램프가 필요할 것으로 보인다. 미국의 메일오더 샾에 보이는 수백불 정도의 라이트 들은 대략 6W, 10W, 20W, 심지어 35W 짜리의 할로겐 램프를 사용하고 있다.

전문가용 라이트

    - 참고로 본인이 갖고 있는 소니사의 캠코더용 라이트의 경우 10W 짜리 할로겐 램프가 두알 들어있고, 한 알만 켜거나 두 알을 모두 켤 수 있도록 되어 있는데, 이 정도의 밝기라면 심각한 야간 라이딩에 충분하리라는 생각이 든다.

10W X 2 캠코더용 라이트	3W 캠코더용 라이트

     - 소니사의 라이트 카탈록에 보면 3W, 5W 짜리 할로겐 램프도 보이는데 5W 짜리 두알로 라이트를 만들고 평상시엔 한알, 좀더 밝은 빛이 필요할 때는 두알을 켜는 라이트를 만들면 밝기와 밧데리 사용시간을 모두 고려한 좋은 선택이 아닐까 생각이 들지만 램프를 어디에서 구해야 하는지에 대해선 아직 아이디어가 없다. 소니의 한국 소비자 보호 센터나 용산이나 청계천에서 구할 수 있을라나.. 쩝...

 

  2) 밧데리의 선정

   - 충전식 밧데리의 선정은 어떤 종류의 램프로 몇시간을 켤 것인가가 정해진 다음에야 결정할 수 있다.

   - 밧데리의 특성중 가장 중요한 것은 정격전압과 방전 용량이며 방전용량은 Ampere - Hour로 표시된다. 1 AH라면 1A의 전류로 1시간 방전할 수 있는 용량이지만 일반적으로 고률 방전시 용량이 줄어들므로 밧데리의 종류에 따라 다르긴 하지만 실제 방전시간은 훨씬 짧게 된다. 용량의 1/10률(0.1C), 즉 0.1A로 방전하게 되면 10시간 정도방전이 가능하게 되어 전체 용량을 사용할 수 있게 되는 것이다.

   - 또 하나 무시해선 안될 항목은 저온 방전 특성이다. 주위 온도가 영하 10도 정도로 내려 가면 납 축전지의 경우 1C 방전시 25%, 0.2C 방전시 전체 용량의 40% 밖에 꺼낼 수 없으나 리튬 이온 전지의 1C 방전시 65%, 0.5C 방전시에는 85%까지 방전시킬 수 있다.

   - 정확히 가장 적합한 밧데리를 선정하려면 밧데리의 데이터 시트를 입수하여 비교하는것이 필수적이다. 스캐너가 없어 데이터 시트를 첨부하지 못하니 더 구체적인 것이 필요한 분은 인터넷 상으로 찾아 보시기 바란다.   

    - 밧데리의 종류와 특성, 가격은 천차만별이다. 간단히 설명한다면;

 

      a) 니카드 전지 (Nickel Cadmium Battery)

        가장 흔하게 볼 수 있는 충전지이다. AA type의 경우 정격전압이 1.2V, 용량이 보통 600mAH로 0.5A로 약 1.2시간 방전이 가능한 용량이나 실제로는 훨씬 짧다.

         완전히 방전하지 않고 재충전할 경우 방전용량이 줄어드는 메모리 효과가 있다. 후래쉬용 램프를 쓰는 라이트의 경우 사용 가능하나 용량이 작아 점등시간이 짧아 비 실용적이다.

      b) 니켈 수소 전지 (Nickel Metal Hydride Battery) 

        정격전압은 니카드와 같은 1.2V이나 Sanyo의 Twicell의 경우 용량이 1500mAH (AAtype)로 니카드의 2.5배에 달한다. 메모리 효과가 작으나 니켈 수소 전지용 충전기를 사용하여야 한다. 잘 설계된 충전기로는 1시간 정도로 급속 충전도 가능하다. 청계천에서 Sanyo의 Twicell AA type 4알을 10000원 이하로 구입이 가능했던 걸로 기억이 나는데.. 하두 오래된 일이라 서리..

      c) 납 축전지 (Lead Acid Battery)

        용량대비 가장 값싼 충전지이나 무게가 장난이 아니다. 과방전 상태로 방치하면 용량이 급격히 감퇴하므로 주의가 필요하다. 정격전압은 Cell당 2V이고 전류 용량은 밧데리의 크기에 따라 다양하다. 참고로 일반 승용차용 밧데리는 12V 45AH 정도이다. 오토바이용은 6V 5AH - 8AH 정도가 아닐까 생각한다.

         잔차에 쓰기에는 이런 형태의 밧데리는 곤란하다. 전해액이 황산이고 누액의  가능성이 높기 때문이다. 잔차가 넘어 지면 당연히 전해액이 흘러 나올 수 있고 특히 전해액이 강산성이기 때문에 차체나 옷을 쉽게 상하게 한다.

           이런 단점을 보완한 것이 밀폐형 납축전지이다. 전해액이 젤 형태로 되어 있어 누액이 없다.

       d) 리튬 이온 전지 (Lithium Ion Battery)

        가장 이상적인 충전지라고 생각이 든다. 가볍고, Cell당 전압이 3.6V로 높고 고률방전이나 저온 방전시에도 용량 감소가 적다. 특히 메모리 효과가 없어 관리가 쉽다. 부피나 무게 대비 용량이 가장 커 잔차 마니아에게는 가장 알맞은 밧데리 라고 생각하나 값이 아주 비싸 아마츄어가 감당하기에는 어려움이 많다. 캠코더 밧데리 팩의 경우 7.2V 3.0AH 짜리가 무려 10만원을 넘는 걸로 알고 있다. 집에 캠코더가 있어 놀고 있는 밧데리 팩이 있는 경우엔 문제가 다르겠지만.. 쩝.

소니사의 Litnium Ion 밧데리 팩

         일부 구형 핸디폰에 사용되던 대용량 전지팩 (거의 흉기에 가깝지만..)에는 1.35AH 용량의 Cell이 2알 들어 있어 이를 활용하는 것도 방법이 되겠지만 최근의 핸디폰은 모두 저용량의 Cell을 사용하므로 별로 도움이 되지 않는다.

        이 전지는 충전이 까다롭다. 규정전압 이상으로 충전할 경우 폭발의 위험이 있고 1.0V 이하 까지 방전하게 되면 음극이 파괴되어 용량이 줄어들게 된다.

 

3) 라이트의 자작  

 

    a) 기성품의 라이트를 활용

 

      후래쉬 정도의 밝기로 만족하는 경우에는 기성품의 라이트를 사용하는 것이 가장 손쉬울 것 같다. 잘 알겠지만 기구물을 자작한다는 건 쉬운일이 아니기 때문이다.

       일반적인 기성품 라이트의 경우 밧데리의 수납공간이 일체화 되어 있기 때문에 일반 건전지 대신에 니카드나 니켈 수소 충전지로 교체하면 된다. 충전기도 기성품을 사서쓰는 것이 아마츄어에게는 번거롭지 않을 것이다. 이 경우의 문제점이라면 램프가 일반 전지의 전압에 맞춰 있어 니카드나 니켈 수소 전지를 쓸 경우 전압이 낮아져 밝기가 떨어진다는 점이다. 전지 4알 짜리 라이트라면 램프를 정격 4.8V 짜리에서      3.6V(전지 3알용) 으로 바꾸면 되겠지만 이 경우 가해지는 전압이 되려 램프의 정격을 넘게 되므로 저항이나 다이오드를 직렬로 넣어 램프가 끊어지지 않게 할 필요가있다. 다이오드를 램프에 직렬로 넣으면 다이오드 한 개당 약 0.7V의 전압이 강하하며, 만약 충전지 4 알에 연결한다면 1.2V X 4 - 0.7V = 4.1V로 일반전지 3개로 쓸때 가해지는 전압 4.5V 보다 0.4V정도가 낮으므로 램프가 끊어지지 않게 된다.

       니켈 수소의 경우 기존의 니카드 충전기로는 충전이 곤란하므로 필히 전용 충전기를 사용하기 바라며 가능하면 급속 충전이 가능한 것을 사는 게 좋을 것 같다. 참고로 자작할 분을 위하여 Motorola의 MC33340 IC를 사용한 니카드/니켈 수소 겸용 급속충전기의 회로도를 별첨 하였다.

       본인도 캣아이사의 가장 값싼 라이트를 사용하고 있지만 외부에 리튬이온 밧데리를 장착하여 사용하고 있다. 밧데리의 전압은 7.2V이고 램프는 4.8V 이기 때문에 DC-DC converter를 사용하여 램프에 가해지는 전압이 약 5.6V 정도가 되게 맞추어 사용하고 있다. 전압을 6V가 아닌 5.6V 정도로 한 이유는 밝기가 조금 떨어지긴 하지만 램프의 수명이 6V때 보다 훨씬 길어지기 때문이다. 참고로 ST  Microelectronics 사의 DC-DC converter IC L5971를 사용한 컨버터의 Application을 첨부 하였다. 리튬이온 전지를 이용한 이유는 충전용량이 커 장시간 사용이 가능하기 때문이었고, 마침 구형 핸디폰에 사용하던 전지가 있었기 때문이었다.  

   b) 자작 라이트

      후래쉬 정도의 밝기로 만족하지 못하는 분은 전문가용 라이트를 구입하거나 자작하는 수 밖에 없을 것 같다. 자작을 위해선 목표로 하는 전문가용 라이트를 참고로 하는것도 좋을 것이다.

       일반적으로 전문가용 라이트는 최소 6W, 보통 10W 정도의 램프를 2개 정도 사용하여 필요에 따라 한 개 혹은 두 개의 램프를 켜도록 하고 있으며, 일반적으로 니카드나 니켈 수소, 납 축전지를 사용하고 있는 것 같다.

       자작 라이트의 가장 어려운 점은 기구물의 제작이다. 램프의 반사판을 만든다는 것은 아마츄어로 거의 불가능할 것이어서 기존품을 개조하여 쓰는 방법을 찾아야 겠다.

    가장 좋은 것은 기존의 라이트 킷트중 라이트 부분만 구입할 수 있으면 좋겠지만 썩 쉽지 않을 것 같다. 청계천이나 용산을 뒤져 3W - 6W 정도의 반사갓 일체형   할로겐 램프를 구할 수 있으면 껍데기를 만들어 붙일 수 있을 것 같기도 하다만 쉽게 구할 수 있을 지 의문이다.

 그래서 결정한 것이 캠코더용 라이트를 개조하는 것이다. 소니사의 캠코더용    라이트중 3W나 5W 정도의 라이트 2개를 구입하여 적당한 기구물로 묶는 것이 가장 손 쉬울 것 같다. 모형 자동차의 차체에 사용하는 Epoxy 수지로 램프를 에워 싸는 하우징을 좌측의 라이트와 비슷하게 만들면 상당히 프로페셔널 하게 보일 것 같기도 하다. 반사갓이 없는 형태의 할로겐  램프를 별도로 구할 수 있다면 일반 건전지용 라이트의 램프 삽입 부분을 개조하여 사용할 수도 있을 것이며 이 경우 상당히 값싸게 고품질의 라이트를 만들 수 있을 것이다.

          램프를 3W나 5W로 결정한 것은 소비전력이 너무 클 경우 밧데리가 고가가 되어 주머니가 가벼운 우리들이 감당하기 어렵기 때문이다.

       밧데리는 손가락 굵기의 리튬이온 밧데리를 사용하기로 했다. 3W 램프의 경우, 2알의 리튬이온 밧데리의 정격은 7.2V X 1.35AH = 9.8W로 3W 램프를 약 2시간 20분 정도켤 수 있을 것으로 보인다. (실제 계산은 3.26시간이나 컨버터의 효율과 0.3C 정도의 고률방전을 고려하면 사용 가능시간이 줄어 든다.) 두등을 켜서 6W로 사용하면 당연히 사용시간은 1시간 10분대로 떨어 진다.

사용 시간을 5시간 정도로 필요로 하고 6W로 계속 점등한다면 필요한 전지의 숫자는 2알 X 4 = 8알 정도로 생각된다. 10W 램프로 시험한 결과 전지 4알로 약 1시간 20분 정도 점등할 수 있었다.

       소니사의 밧데리 팩의 값은 10만원을 상회하므로 알 전지를 구입하여 사용하는 것이 훨씬 경제적이다. 청계천에 있는 밧데리 팩 리필 가게에 문의한 결과 3.6V 1.35AH의 전지 하나에 팔천원이라고 하니 전지 값만 모두 6만 4천원 정도가 되는군... 쩝..

      3W로 당분간 견딘다면 두 알 내지 네 알로 견딜 수도 있을 것 같지만... LG에서 나오는 전지는 같은 크기에 1.8AH라고 하니까 사용 가능 시간이 훨씬 길어지겠지만 어디에서 구해야 하는지 알 수 없군요..

       다음에 필요한 것은 효율이 높은 DC-DC 컨버터이다. 전지의 전압정격은 두알을 직렬로 했을 때 7.2V이고 (만충전시 8.4V 정도..) 램프는 6V용이기 때문에 전압을 맞추지 않으면 램프에 무리가 가기 때문이다. 가장 간단한 방법은 램프에 직렬로 다이오드 두개를 연결하여 램프에 가해지는 전압이 6V 전후가 되도록 하는 방법 이지만 전압차이를 다이오드에서 열로 발산 시키는 것이기 때문에 컨버터보다 비효율적이다. 참고로 다이오드 두 개를 직렬로 연결하면 약 1.4V의 전압강하가 일어나 5.8V 정도(만충전시 7V 정도..)가 램프에 가해지게 된다.

       별첨한 STMicroelectronics사의 L5971의 어플리케이션 노트를 참고하여 약 3Cm X 3Cm 정도의 만능기판에 조립하였는데 효율이 90%를 상회하였다. R4를 2K Ohm 으로 하고 R3를 20K Ohm 의 가변저항으로 하여 출력 전압을 정확히 6V로 조정하면된다.

       충전기는 National Semiconductor사의 LM3420을 사용하였다. 별첨 어플리케이션 노트중 14페이지에 있는 펄스 방식의 충전장치를 만들었었는데 아주 만족하고 있다.

      전원은 구형 모토롤라사의 핸디폰용 충전기에 쓰던 12V 어댑터를 활용하고 있다. 회로를 개조하여 한 알 혹은 두 알을 충전토록 하였는데 환상이다.

       충전기를 만들 때 명심하여야 할 것은 충전 전압이 절대로(!!) 4.2V/Cell이 넘어선 안된다는 것이다. 잘못하면 폭발하거니 발화의 위험이 있기 때문이다. 직렬의 경우 Cell 간의 전압 Balance 가 상당히 중요하므로 충전된 전지와 방전된 전지를 섞어서 충전해서는 안되겠다. 가장 좋았던 방법은 동일시기에 구입한 밧데리를 병렬로 하여 충전한 다음 이를 직렬로 하여 사용하면 이런 문제가 발생하지 않을 것이다. 핸디폰  용 밧데리 팩은 이런 문제를 방지하기 위한 보호회로가 설치되어 있다.

       전지는 2알씩 단위로 직렬로 하여 사용하여도 되고, 장시간 사용이 필요한 경우엔 병렬로 4알씩 묶음으로 한 다음에 그 묶음 두 개를 직렬로 하여도 되겠다.

 

             아마 상당수의 독자들은 이 내용 만으로 컨버터나 충전기를 만들기가 쉽지 않을것이다. 추후에 보다 상세한 자작기를 올릴 예정이니 기다려 주시길 바란다..

 

Data Sheet Download (Adobe Acrobat Reader가 필요합니다)

MC33340 / LM3420 / L5971