페이스북에서 어느날 성수님이 손의 체온만으로도 켜지는 LED 손전등에 대한 정보를 알려왔습니다.
펠티어 소자로 미량의 전력을 얻고, 그걸 승압해서 LED를 켜는 것인데요.
http://pashiran.tistory.com/516 에도 언급한 바 있지만 펠티어 소자의 효율은 참 극악합니다.
그래서 저는 이 소자의 가능성에 대해 부정적인 편이었는데, 이게 가능하더군요 --;
이 놀라운 발명품을 만든 사람은 놀랍게도 15세 여고생이고,
구글 사이언스 페어에 등록해서 실제로 제품을 제작해 보였습니다.
동영상은 대부분 설명이고, LED 켜지는 부분은 1:55 부터 보시면 됩니다.
구글 사이언스 페어의 해당 링크는 http://goo.gl/OBk7V 입니다.
핵심 부분은 6페이지에 있죠.
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(Step 1 was research oriented, so it is not included here).
Step 2: Characterizing the Peltier Tiles:
Two sets of cheap, different sized tiles were obtained6. Tile 1 had an area of 1.36 cm2 and an internal resistance of 5 ohms, and Tile 2 was 4 cm2 and had an internal resistance of 2.4 ohms. I tested the power generated by each Peltier stack on a per cm2 basis.
To do this, I taped each tile onto a square aluminum tube. One side of the Peltiers was cooled by an ice pack, and the other was heated with a 12-volt light bulb connected to a variable power supply. The temperature difference between the sides of the Peltier tile was measured. Both Peltier tiles produced enough power to light an LED, but only at 50 and 73 mV.
I needed 2500 mV to light the flashlight LED.
Step 3: Boosting the Voltage.
Direct Current cannot be multiplied, but if the DC is changed to AC, the voltage can be stepped up with a transformer . The answer lay in constructing a simple oscillator circuit with a step-up transformer.
To do this I constructed a feedback oscillator with a field effect transistor and wound my own transformers with step-up ratios of 5:125.
The oscillator worked, but the LED did not light up until the Peltier voltage was 120 mV. I needed it to light up at about 50 mV (voltage produced at a 5°C temperature difference).
Searching the Internet, I came across an article about energy harvesting7 and the use of a power converter integrated circuit, LTC31088. The circuit contained FET’s that would oscillate at voltages as low as 20mV. When used with a recommended transformer, the IC would provide well over 2.5 volts AC.
The IC also worked fine as a very low voltage transistor oscillator. My circuit now had only 4 components: The IC, the step-up transformer, a 47µF capacitor, and the LED. With the LED across the transformer, I was able to obtain good LED brightness with only 50 mV DC input across the oscillator. The efficiency of the converter to be about 50% at 100 mV.
Step 4: Physical Flashlight Design.
I decided to make the flashlight with dimensions of 25mm in diameter and 125mm long. Four of the large Peltier tiles covered 16cm2, and four of the smaller tiles had a combined area of 5.4cm2 .
Tiles were mounted on a milled area of 25mm diameter aluminum tubing, and placed inside a larger PVC pipe, insulated from it by air. The hand griped the tiles through an opening in the PVC pipe. Air flowing through and around the aluminum tube cooled the flashlight. The circuit was mounted in the front, and the LED was centered in the middle of the tube. The PVC pipe was wrapped with insulating foam. I made two flashlights, the F1 with 4 smaller tiles, and F2, with 4 larger tiles. |
불행히도 이건 DIY 강좌가 아니라서 인체의 면적당 열에너지 발산과 펠티어의 효율에 대한 설명과
이론을 바탕으로 회로를 제작했을 때 결과치를 측정함으로서
이론과 측정치가 얼마나 일치하는 가에 대한 설명은 있는데..
핵심적인 회로도는 없네요;;;
하여간 핵심 회로도는 없고 하다 보니 결국 승압회로는 다시 찾아봐야 했는데
이때 다시 성수님이 페이스북에 TPS 61201 에 대한 정보를 올려주심.(0.3V를 3.3V로 승압하는 칩)
데이터쉬트를 보아하니 그럭저럭 가능할 듯... 도 해서 일단 질러놓고
펠티어 소자가 도착해서 일단 간단하게 방열판 붙이고 전압 테스트를 해봅니다. 0.03~0.05V 나오네요
4개 샀는데 전부 직렬해도 0.1~0.2V 간신히 넘는 수준밖에 안됩니다... 최대 250mV 정도?
결국 저 여학생이 썼던 LTC3108 칩을 다시 사야하나..
트랜스포머등 부품은 대체 어떻게 해야하는건가.. 하고 다시 데이터 쉬트도 보다가
LTC3108 칩을 검색하고 그러다 보니 한 논문 PDF가 나오더군요.
읽다보니 회로도가 그냥 54P~56P 에 딱.
부품 목록까지 표시되어 있어서 그대로 베꼈습니다.
아무래도 전자회로에 능숙한 사람들이 그린게 아니다 보니 일부 부품은 약간 추측해야 했지만
트랜스포머와 LTC3108 칩은 라이브러리가 없어서 그리느라 시간이 좀 걸렸네요.
일부는 갖고 있는 부품이었고 일부는 없어서 구매해야 했는데
어차피 LTC3108과 트랜스포머는 해외주문 상품이라 같이 구매했습니다.
디바이스마트에는 해당 부품이 없고 엘레파츠에는 해외주문으로 구매 가능하더군요.
아마 ICBANK 에서도 구할 수 있을 것 같은데 확인은 못했네요.
이것저것 찾다보니 완제품도 판매하는게 있었습니다
http://www.crispytronics.com/collections/energy-harvesting/products/energy-harvester-breakout-20-mv-startup
물론 부품 가격보다 배송비의 압박이 심합니다
엘레파츠에서 주문한 부품들로
회로를 몇개 만들었는데 이상하게 제대로 동작하지 않아 한참을 고생하던 중,
어이없게도 오픈소스로 회로도를 공개한 분을 발견했습니다.
그간의 고생이 좀 허무하긴 하지만 그래도 제작자께 감사드립니다.
https://github.com/wa7iut 이곳에서 회로도와 자료를 다운받을 수 있습니다.
다운받은 후, CNC로 깎기 쉽도록 레이아웃을 약간 변경했습니다.
회로는 제작이 무척 힘듭니다. LTC3108칩은 자작 PCB에선 거의 한계에 가까운 0.4mm 정도의 도선폭과
그 절반밖에 안되는 0.2mm 정도의 핀 사이 간격이 있습니다.
안될때마다 기판을 다시 세팅하고 CNC도 다시 세팅하고 하는 것도 일입니다.
그나마 예전에는 에칭으로 했던걸 요즘은 CNC로 하니 제작상의 고난은 좀 줄어들긴 했습니다만
전에는 끝이 약간 뭉툭하게 된 조각날이라도 PCB 깎을 때는 별 문제가 없었는데
이번에는 워낙 정밀하다 보니 세팅잡는데 시간도 많이 걸리고 피드값 잡느라 조각날도 5개나 날려먹었네요..
(팁 끝이 0.1mm 라 끄트머리 살짝 부러지면 끝..)
그래도 고생한 보람이 있어 마지막에 봐줄만한 물건이 나왔습니다.
피드를 엄청 줄이는 바람에 여백을 깎아내지 못해 납땜시 주의해야 겠습니다.
그리고 콧노래를 부르며 납땜을 하고
테스트를 짠 했더니
전압이 안나와.... OTL
제작중 계속 배선체크해가며 한건데 왜;;; 인지 대체 모르겠습니다만 하여간 출력전압이 안나오네요
그냥 이렇게 된거 아예 샘플보드를 주문넣어서 보드도 뜨고 부품도 어떤게 불량인지 알 수 없으니
부품도 싹 새로 다 사서 리셋해볼까 하는 생각도 했습니다만
일단 마지막 테스트라 생각하고
다시 변환기판에 LTC3108을 납땜했습니다. 보드프리에서 무료로 받은 기판입니다.
그런데 작동안됨..
입력전압 이상없고 모든배선 전부 테스터 찍어봐도 합선도 없고
서너번씩 다시 체크했는데 배선오류도 없고 전극 착각한것도 아닌데
안됨
잠시 절망에 빠져있겠습니다.
2부는 나중에.
** 1월부터 간간히 작업하던 것인데 반년간 띄엄띄엄 작업하다가 결국 실패했네요.
보드만 한 다섯개 만든듯.
2차 작업기는 또 언젠가 올라올겁니다.
2부(클릭)
U8glib.zip
Havesting Thermal Energy to Agricultural Sensors .pdf
