변속기의 콘덴서에 대하여....

변속기의 콘덴서에 대해 정리를 한번 해볼까 합니다.

많은 사람들이 LC FILTER나 콘덴서를 많이 달아서 사용하시고 긍정적인 효과도 많이 보시는걸로 알고 있습니다.

그렇다면 근본적인 원인에 대해 알아 보면서 설명을 조금 해볼까 합니다.

우선, 저는 이쪽에 전문적인 기술자도 아니고 수치적으로 얼마나 도움이 되는지 계산할 능력도 없습니다.

단지 비슷한 분야에서 업을 하면서 생긴 경험이나 노하우를 살짝 얹어 보도록 하는것이므로 실질적인 효과에 대해서는 장담할 수 없습니다.

조금이나마 정보가 될까 해서 시간내어 보도록 하겠습니다.

궁금하신 사항은 언제나 리플 달아 주시면 아는 한 설명 드려 보도록 하겠습니다.

우선, 변속기의 구조는 이렇습니다.

예전 제글에서도 설명을 여러번 드렸었지만 변속기는 3상 인버터라고 보시면 됩니다. 

위처럼 스위칭을 통하여 배터리의 (-)기준으로 사인파를 그리게 됩니다.

오늘 얘기의 포인트는 위 그림에서 보이시는 입력단의 콘덴서에 대해 얘기를 좀 해볼까 하는데요,

위 사진에서 sin 그래프를 그릴때 스위칭 주파수로 온오프를 반복하게 됩니다. 이때 스위칭 전류가 펄스형태로 발생하게 되고 전압에 노이즈 형태로 실리게 됩니다

사실 배터리도 등가회로로 보자면 콘덴서의 일종으로 보셔도 됩니다. 내부의 저항과 캐패시턴스가 직렬로 이루어져 있다고 보면 되지요, 따라서 배터리 자체가 콘덴서 역할을 하기 때문에 회로적으로만 보면 콘덴서의 역할이 크게 필요하지 않습니다.

하지만 우리는 변속기 뿐만 아니라 배터리를 활용하여 FC도 굴려야 하고 영상도 굴려야 합니다. 문제는 여기서 발생하게 되지요,

스위칭시 발생하는 노이즈를 잡아야 합니다.

배터리에서 변속기까지 흐르는 전선에는 노이즈가 가득할 수밖에 없습니다. 그래서 그 사이에 깨끗한 양질의 전원을 만들어야 할 필요성이 있는데요, 

이를 위해서는 크게 두가지 방법을 채택합니다.

1. LC 필터를 통과하여 전원을 사용합니다.

위와 같은 방법으로 결선하여 영상쪽에 깨끗한 전원을 넣어 주는 방법이구요, 노이즈는 사진상의 1000uF/25V 캐패시터 앞단까지 발생하겠지요... 그래서 5V BEC로 가는 선을 콘덴서에서 뽑았습니다. 사진상에서 다이오드는 어떤 의미로 넣었는지 모르겠네요... 역극 손상 방지용인것 같은데..

LC FILTER 사용시 주의사항으로는,

1. 사진상에 1000UF/16V 전해 캡을 사용하였지요, 4셀은 걸수 없습니다. 필히 사용하는 전압보다 큰 내압을 가진 캐패시터를 사용해야 합니다(일반적으로 적어도 20% 이상 마진을 가지고 설계합니다.).

2. 인덕터를 선택할때는 사용하는 전류량 이상의 용량이 되는지 확인하고 설계합니다. 인덕터는 코일이기 때문에 흘릴수 있는 전류량이 있습니다. 초과하게 되면 발열과 함께 포화하게 됩니다.

3. L과 C의 값이 무조건 크다고 좋은 필터는 아닙니다. LC 필터는 Lowpass filter로 적정 주파수를 필터링 할 수 있게 설계하면 됩니다.

우리는 콘덴서에 대해 얘기할 것이므로 LC FILTER는 이정도로 패스하겠습니다.

2. 스위칭 입력단에 캐패시터를 사용하여 스위칭 리플전류에 대한 노이즈를 상쇄 합니다.

우리가 알아볼것은 이것입니다.

그럼 어디에 달아야 하느냐? 

우선 변속기 사진을 한장 보시죠

많은 분들이 애용하는 Kiss 24A re 입니다. 사진에서 적색으로 표시한 부분이 콘덴서 입니다.

하지만, 이 콘덴서의 용량은 기껏해야 수~수십 uF 정도로 큰 용량이 아닙니다. 이 콘덴서가 잡지 못한 리플커런트는 고스란히 회로 전체에 타고 돌수밖에 없지요. 

그렇다면 근본적으로 달아야 하는 위치는 변속기의 DC+, DC- 양단입니다. 

용량, ESR, Impedance 이런것들 다 중요합니다만, 사이즈가 참 애메합니다. 게다가 프롭에 맞을수도 있고 외부충격이 가해질 수 있는 위치이기 때문에 설치가 상당히 멜롱합니다.

그렇다면,

어쩔수 없이 기체 내부로 들어와야 한다면 위 사진에서 1번 위치가 가장 최적입니다. 하지만 우리는 PDB를 사용하면서 1번 위치나 2번 위치가 같아지게 되지요. 따라서 커넥터 바로 옆에 콘덴서를 붙이게 되는데요, 어쩔수 없는 선택이 되겠습니다.

따라서,

각 변속기마다 콘덴서 설치 > PDB에서 각 변속기로 가는 DC 패턴마다 각각 콘덴서 설치 > XT 60 커넥터 옆

이 되겠네요..... 

그렇다면 콘덴서의 선택은?

1. 콘덴서의 ESR, Low Impedance?

아까전에 배터리나 콘덴서나 회로적으로 같다고 봐도 된다고 했는데요. 우리가 사용하는 배터리의 C rate(방전율)이 결정되는 것은 배터리의 내부저항에 의해서 결정됩니다. 내부저항이 커질수록 방전전류가 낮아 지게 되겠지요. 

콘덴서도 마찬가지입니다. 내부 저항정도로 생각하면 되는것이 콘덴서 내부에 존재합니다. 이게 낮을수록 리플전류를 쪽쪽 빨아먹게 되는데요. 임피던스로 표현하며 단위는 저항과 같이 옴 이지요.

그렇다면 무조건 낮은게 좋은건인가?

맞습니다. 하지만, 우리가 생각해야 할게 있습니다.

XT60 커넥터 앞에 콘덴서를 달았다고 가정합니다. 이미. PDB에서 변속기까지 가는데 선로상의 저항이 있습니다.

사실 우리가 쓰는 PDB나 실리콘 와이어들은 100A가 넘는 전류를 감당할 수 없을정도로 상당히 타이트하게 설계되어 있습니다.

만약 PDB에 1시간동안 100A를 꾸준히 흘린다면 어찌 될까요? 장담하는데 손도 못댈정도로 어마어마한 발열이 발생할 것입니다.

우리가 쓰는 실리콘 와이어 12~14AWG에 100A를 1시간동안 흘린다면 어떻게 될까요? 안전에 문제가 될 정도로 엄청난 발열이 발생할 것입니다.

잠깐 잠깐 피크로 때리는 것이니 버티는 것이지 연속적이라면 불가능합니다.

이것을 다시 말하면 선로 저항이 크다고 할수 있습니다. 따라서 선로 저항이 ESR, 임피던스보다 더 크다면 의미가 있을까요?

물론 변속기 바로 앞에 단다고 가정하면 분명 낮을수록 좋은것은 맞습니다.

2. 용량.

그렇다면 캐패시터의 용량은 얼마가 적정한가요?

정답은 가능한 환경에서 클수록 좋습니다. 비용, 크기, 공간 등이 결정되는한 클수록 좋지요

아래 표를 보시지요

드론에서 잘 쳐준다는 파나소닉사의 Series : FR Type : A의 데이터 시트입니다.

파란색은 허용전압(내압) 이구요, 빨간색은 캐패시터의 용량, 초록색은 임피던스 입니다.

제조사 혹은, 제품군에 따라 임피던스가 다른데요, 당연히 낮은 제품이 고성능입니다.

위표에서 보면 470uf 와 1000uf는 대략 절반정도의 임피던스를 가져옵니다. 

결국 470uf 두개를 병렬연결하면 1000uF 하나를 단것과 비슷한 효과를 볼수 있을 것입니다.

캐패시터의 용량은 병렬연결하면 더해지지요,

1000uF을 XT60 커넥터 옆에 다는것과 220uF 4개를 변속기 옆에 다는것은 비슷한 효과를 낼것이라 추측할 수 있겠습니다.

여기서 주의할것이 있습니다.

캐패시터를 크게 달수록 배터리 커넥터를 꼽을때 스파크가 크게 튀게 됩니다. 이는 임피던스가 낮을수록 더 크게 튈 것이며 이때 흐르는 전류는 어마무시 합니다.

이를 해결하기 위해서는 콘덴서 앞단에 L를 추가하는 방법이 있구요(L이 급격하게 흐르는 전류를 억제시켜 줍니다). 이렇게 하게 되면 LC 필터가 되겠지요.

저항을 활용하여 초충시키는 방법이 있습니다.

https://www.msuk-forum.co.uk/forums/topic/153065-how-to-fit-antispark-to-your-esc/

이곳에 설명이 조금 있네요. 저항을 통하여 전류제한하여 캐패시터를 충전시킨후 커넥터를 연결하는 방법입니다.

또는 적정하게 스파크가 튀도록 타협? 하여 캐패시터를 설치하는 방법이 있겠지요. 사실상 이방법이 가장 현명해 보입니다.

3. 온도?

캐패시터를 보면 항상 85? 105? 이런 온도가 표시되어 있습니다. 이는 시간과 더불어 캐패시터의 수명?을 나타냅니다. 기본적으로 비용에 영향이 없다면 높을수록 좋습니다. 뭐 X7R 이니 X5R이니 이런얘기는 패스하겠습니다.

일반적으로 105도에 8000시간, 오차율 +- 20% 내외면 상급 콘덴서라 보시면 되겠습니다.

여기까지 해서 변속기 콘덴서에 대해 얘기를 마치겠습니다.

노이즈 얘기가 나온김에 한가지 추가하겠습니다.

영상의 전원을 배터리 전원을 바로 넣는것이 좋을까요? 아니면 BEC(스위칭 레귤레이터)를 통해서 넣는것이 좋을까요?

일반적으로 정전압을 만드는 방법은 두가지가 있지요.

잘 알고 계시듯이. 스위칭 레귤레이터가 있고 리니어 레귤레이터(LDO 포함)가 있지요.

영상전원으로 리니어 레귤레이터를 쓰는건 현명하지 못한 생각이니 가볍게 패스하구요.

(영상 전원은 영송기와 카메라가 합쳐서 약 300~600mA 이상의 전류가 소모됩니다. 만약 4S 16V를 가지고 12볼트를 만든다고 치면 4V * 0.6 = 2.4w. 즉 2.4와트의 발열을 가져옵니다. 이는 손으로 만질수 있는 양이 아닙니다. 열좀 나면 어떠냐. 라고 생각하면 드릴말씀은 없습니다만,)

스위칭 레귤레이터를 사용하면 장단점이 어떻게 될까요?

위 사진은 우리가 BEC라고 알고 있는 BUCK converter 입니다.

전압을 낮추는 역할을 하지요, 이놈도 변속기와 같이 스위칭을 합니다.

그렇다면 이놈의 장단점은 무엇일까요?

1. 리니어 레귤레이터는 전압의 차이를 발열로 소모합니다. 스위칭 레귤레이터는 스위칭을 하여 정전압을 유지하기 때문에 스위칭 손실외 발열은 없습니다(다이오드, 인덕터의 손실분 포함). 다시 말하면 에너지를 필요한 만큼만 소모합니다.

2. 이놈도 스위칭을 하는놈이기 때문에 노이즈를 만들어 냅니다. 입출력단에 충분한 콘덴서가 있어야 합니다.

저는 영상전원을 배터리에서 직접 입력하는것보다 스위칭 레귤레이션 해서 넣는것을 추천합니다. 이유는 아래와 같습니다.

위 Buck converter 사진을 자세히 보시면 아래와 같이 생긴 어디서 많이 본 그림이 포함되어 있습니다.

이게 뭘까요? 바로 LC 필터입니다. BEC(BUCK converter)에 LC 필터가????? Buck converter에는 회로적으로 LC 소자가 LC Filter와 같은 구성으로 들어갑니다.

당연히 노이즈를 제거할만한 충분한 양의 필터는 아닙니다.

그리고 위에서 말씀드렸듯이 BEC 자체가 노이즈를 만들어 내기도 합니다.

따라서 전제조건이 붙습니다,

BEC에서 노이즈를 최소한으로 만들어 낼만큼 충분히 잘 설계 되어있는 BEC를 사용합니다. 충분치 못하다면 12V에도 22uf, 47uf 등의 캡이 추가로 붙어야 할수도 있습니다.

그렇다면 변속기에서 만들어낸 노이즈를 스위칭 레귤레이터가 한번 더 걸러줄수 있습니다.

영송기든 카메라든간에 내부에 BEC와 같은 전원소자가 또 들어있습니다. 한번더 정제(?) 하긴 합니다.

자 그럼 정리하겠습니다.

1. 콘덴서는 스위칭 소자(변속기) 앞에 가장 가깝게 달수록 스위칭시 발생하는 리플전류를 상쇄하며 결국 스위칭 노이즈의 영향을 감소시키는데 영향을 줍니다. 따라서 되도록 ESC에 최대한 가깝게 달수록 좋습니다.

2. 우리가 달아야 하는 콘덴서는 전해콘덴서로 극성에 매우 유의해서 설치해야 합니다. 만약 반대로 설치할경우 하얀 연기와 함게 배가 부르며 폭발음과 함께 누액을 발생하며, 소손될 것 입니다.

3. 무턱대고 큰 용량의 콘덴서를 사용할경우 배터리를 초기 결선할 경우 콘덴서의 돌입전류로 인하여 결선되는 커넥터쪽에서 스파크가 발생할 것입니다. 더구나 저임피던스일수록 스파크양이 증가합니다. 초충회로를 설계하거나 적정량을 사용하는것이 좋겠지요.

4. 설치할때 리드를 길게 해서 설치할경우 진동에 의해 리드가 손상될 가능성이 높습니다. 리드는 되도록 짧게하고 되도록 콘덴서를 움직이지 않도록 고정하는것이 중요할 것이라 생각됩니다.

5. 콘덴서의 온도는 결국엔 수명에 연관이 있습니다. 콘덴서의 경우 용량의 정확도와 온도를 가지고 등급?을 나누는데요, 여기에 시간이 더해져서 콘덴서의 수명과 성능이 됩니다. 일반적으로 85, 105도 짜리가 주로 사용되며 105도, +-20% 오차율 정도를 고급형? 정도로 생각하시면 될것 같습니다.

마지막으로,

https://www.youtube.com/watch?v=ZhvuQJPGHzU

도움이 될만한 동영상의 링크를 드리며 마치도록 하겠습니다.