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STEP 17. 전압 맞추기

전원 계획을 깔끔한 두 경로로 다시 구성했지만, 뻔히 보이는 곳에 작은 문제가 숨어 있습니다: 이 프로젝트에서 같은 전압으로 작동하는 것은 아무것도 없습니다. 경로별로 어떤 문제가 있는지 살펴보겠습니다.

태양광 측:

1. 패널 — 정격은 12 V이지만, 햇빛이 강하면 피크 전압이 24 V를 넘어설 수 있습니다.
2. 배터리 — 4.2 V로 완만하게 충전됩니다.
3. 보드 — 5 V 이상을 필요로 합니다.

크랭크 측:

1. 발전기 — 2~25 V이며, 얼마나 세게 돌리느냐에 따라 전압이 올라갑니다.
2. 배터리 — 4.2 V로 충전됩니다.
3. 펌프 — 5 V를 필요로 합니다.

이 중 어느 두 개라도 직접 연결하면 전압이 맞지 않으므로, 다음이 필요합니다: 전압 변환 모듈. 우리가 선정한 제품을 사용해도 되고 직접 선택해도 되지만, 모듈마다 같지 않으므로 각 모듈의 입력 및 출력 범위를 반드시 주의 깊게 확인하세요.

우리 부품 중 네 개는 한 전압을 다른 전압으로 바꾸는 컨버터입니다:

1. CN3791 — 태양광 패널(12 V, 급격한 피크 발생) → 4.2 V로 변환하여 셀을 올바른 방식으로 충전합니다.
2. MT3608 — 배터리 3.0~4.2 V → 5 V 로 변환하여 개발 보드에 공급합니다.
3. XL6009 — 발전기 2~25 V → 5 V로 변환하여 크랭크에서 발생한 전압을 사용할 수 있는 수준으로 낮춥니다.
4. TP4056 — 그리고 이 모듈이 가장 흥미로운데요. 배터리는 충전과 방전을 동시에 할 수 없다고 했던 것을 기억하시나요? 실제로는 부하 공유 회로가 내장된 TP4056 모듈이 있어 바로 그 작업을 안전하게 처리합니다. 이 모듈은 XL6009와 펌프 사이에 위치하여 배터리의 충전과 방전을 한 번에 관리하므로, 원래라면 필요했을 스위치를 대신합니다. 다른 경로에는 스위치를 그대로 둡니다.

그리고 우리 부품 중 하나는 변환기가 아닌 측정기이므로 별도의 경로를 갖습니다. 바로 CW2015입니다. 이는 셀의 전압을 측정하고 그 값을 보드에 전달하는 초소형 배터리 연료 게이지로, 앞에서 남겨 둔 두 번째 미해결 과제까지 마침내 해결합니다.

이 부품들을 배치하면 완성된 회로는 지도처럼 나타납니다:

태양광 패널(12 V+) ──▶ CN3791(충전) ──▶ 배터리(3.7 V) ──▶ MT3608(5 V) ──▶ 보드

발전기(2~25 V) ──▶ XL6009(5 V) ──▶ TP4056(충전+방전) ──▶ 펌프

배터리 ──▶ CW2015 ──▶ 보드(전압 판독)

펌프에 관해 솔직히 말하면, 배터리의 최대 전압은 4.2 V이지만 펌프의 정격은 5 V입니다. 이론적으로는 펌프가 원하는 정확한 전압을 공급하기 위해 부스트 컨버터를 하나 더 추가할 수 있습니다. 하지만 실제로는 모듈을 추가하면 효율이 떨어집니다. 변환할 때마다 전력이 조금씩 소모되며, 독립형 시스템에서는 그 작은 손실도 빠르게 누적되기 때문입니다.

그래서 테스트해 보았습니다. 이 작은 펌프는 3.3 V에서도 아주 잘 작동했습니다. 물론 조금 느려지기는 하지만 물은 여전히 충분히 이동시킵니다. 선택은 분명했습니다. 펌프가 약간 느리게 작동하는 것을 받아들이거나, 최고 속도로 돌리기 위해 배터리를 더 많이 소모하는 것이었습니다. 우리는 전자를 선택했습니다. 아직 펌프는 불평하지 않았고, 식물들도 마찬가지입니다.

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STEP 18. 보호 및 개선

이론상 회로는 작동하지만, 이론이 하드웨어를 보호해 주지는 않습니다. 배선 오류 한 번이나 전압 스파이크 하나만으로도 패널이 손상될 수 있습니다. 따라서 최종 구현 전에 보호 기능과 조정을 추가합니다.

보호 부품:

1. 퓨즈(자동 복귀형, 0.5 A) — 단락이 발생하면 끊어지고, 열이 식으면 다시 복귀하는 트립와이어입니다.
2. 쇼트키 다이오드 — 전류를 위한 일방통행문입니다. 전력이 소스로 역류하는 것을 막아 더 강한 소스가 더 약한 소스로 전류를 흘려보내지 못하게 합니다.
3. 마스터 스위치 — 가장 단순한 안전 장치입니다. 작업 중 모든 연결을 끊을 수 있는 큰 수동 전원 차단 스위치입니다.
4. 제너 다이오드(1N4744, 15 V) — 15 V 제너 다이오드가 패널 전압을 클램핑합니다. 전력을 낭비하는 무식하지만 확실한 방법이지만, 테스트 중에는 시스템을 안전하게 유지해 줍니다. 검증이 끝나면 제거하여 효율을 회복하세요.

개선 부품:

1. 전해 커패시터(100 µF 및 1000 µF) — 발전기의 불규칙한 출력을 안정적인 전원으로 다듬는 저장소입니다.
2. 세라믹 커패시터 — 큰 전해 커패시터가 걸러 내지 못하는 고주파 노이즈를 잡기 위해 모듈 옆에 배치하는 작은 필터입니다.
3. TVS 다이오드(SMBJ24A) — 빠르게 작동하는 스파이크 억제기입니다. 제너 다이오드가 차단하기에는 너무 빠른, 날카롭고 짧은 과전압 과도 현상을 잡아냅니다.
4. 추가 접지 단자 — 모든 접지가 만나는 전용 지점으로, 리턴 경로를 깔끔하게 유지하고 시스템 전체가 안정적으로 작동하도록 합니다.

이러한 보호 기능과 개선 사항은 제공된 회로도에서 직접 확인할 수 있습니다.

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STEP 19. 결합하기 전에 먼저 맞는지 확인하세요

커넥터도 한 가지 문제일 뿐입니다. 그렇다면 기판 자체에 커넥터에 맞는 구멍이 없다면 어떻게 해야 할까요? 바로 이럴 때 풋프린트가 필요합니다.

저도 예전에 같은 실수를 했습니다. 잘못된 커넥터를 샀더니 핀 헤더와 맞지 않았죠. 겉보기에는 같았지만 피치가 달랐습니다. 하나는 2.0 mm, 다른 하나는 2.54 mm라서 서로 맞물리지 않았습니다. VCC와 마찬가지로 커넥터도 종류가 매우 다양합니다. 서로 맞는 것을 선택해야 합니다. 다음은 우리가 사용한 일반적인 커넥터입니다:

1. 나사 단자(KF301) 는 피복을 벗긴 전선을 연결합니다. 태양광 패널과 발전기는 전선이 굵고 나사로 납땜 없이 단단히 고정할 수 있으므로 여기에 연결합니다.
2. XH2.54 는 브레드보드와 같은 간격의 표준 2.54 mm 헤더로, 펌프와 배터리 모니터 케이블을 연결하는 곳입니다.
3. PH2.0 는 간격이 더 좁은 2.0 mm 규격의 형제격 커넥터로, 배터리 박스를 여기에 연결합니다.
4. USB 는 누구나 이미 가지고 있는 방식으로, 보드에 전원을 공급하고 보드와 통신하는 데 사용합니다.

핵심은 우리의 목록을 외우는 것이 아니라 실제 부품을 확인하는 것입니다. 각 전선의 피치를 살펴보고 기판의 단자와 맞는지 확인하세요. 아무리 세게 눌러도 2.0 mm 플러그는 2.54 mm 소켓에 들어가지 않습니다. 제 말을 믿으세요.(╥﹏╥)ﾉﾞ

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STEP 20. 직접 풋프린트 그리기

PCB 설계에서 아무도 미리 알려주지 않는 사실이 있습니다. 부품이 항상 라이브러리에 있는 것은 아닙니다. EasyEDA에는 수천 개의 풋프린트가 있지만 CN3791 같은 것을 검색하면 모듈이 아니라 베어 칩만 나옵니다(기능을 수행할 수 있는 것은 모듈뿐입니다). 따라서 직접 그려야 합니다.

그렇게 어렵지는 않습니다. 풋프린트는 핀이 연결될 위치를 그린 도면일 뿐입니다. 필요한 것은 부품의 크기와 핀 간격뿐입니다. 데이터시트를 구하고, 치수를 측정한 다음, 그리면 됩니다.

우리의 풋프린트를 사용해도 좋습니다. 단, 여러분의 부품이 우리의 부품과 정확히 일치할 때만 사용하세요. 그렇지 않다면 직접 다시 그리면 됩니다.

두 가지가 문제를 일으킬 수 있습니다. 첫째는 핀 번호입니다. 풋프린트는 회로도 심벌과 일치해야 합니다. 일치하지 않아도 소프트웨어가 경고하지 않으므로 기판이 잘못 만들어집니다. 둘째는 간격입니다. 불과 몇 분의 1 mm만 어긋나도 모듈이 들어가지 않습니다. 따라서 주의해야 합니다!

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STEP 21. PCB 레이아웃 가이드라인

이제 설계를 실제 기판으로 구현해 봅시다. 도면은 두 가지입니다. 전기적 연결을 나타내는 회로도와 물리적 배치를 나타내는 PCB입니다. 우리의 설계를 사용하거나 직접 그리면 됩니다.

직접 PCB를 그린다면 다음 사항을 염두에 두세요:

트레이스 폭 — 충전 경로에는 최대 1A가 흐를 수 있으므로 해당 트레이스의 폭을 최소 0.5mm로 설정하세요. 전원 트레이스는 1mm가 더 안전합니다. 폭이 넓을수록 전압 강하와 발열이 줄어듭니다.

구리 폴리곤 — 사용하지 않는 영역을 양면의 접지 구리로 채우고 비아로 서로 연결하세요. 이렇게 하면 리턴 임피던스가 낮아지고 노이즈가 줄며 냉각에도 도움이 됩니다.

열 관리 — CN3791은 충전 중에 뜨거워집니다. 아래에 구리 패드를 배치하고 열 비아를 사용해 반대쪽으로 열을 전달하세요. 주변의 구리가 많을수록 칩의 수명이 길어집니다.

배치 — 노이즈가 큰 부품(스위칭 노드, 인덕터)은 민감한 부품(피드백 분압기, 아날로그 센스 라인)에서 멀리 배치하세요. 방사 노이즈를 줄이려면 고전류 루프를 짧고 촘촘하게 유지하세요.

디커플링 커패시터 — 100nF 세라믹 커패시터를 각 IC의 전원 핀에 최대한 가깝게 배치하고, 접지 쪽은 접지 플레인에 직접 연결하세요. 벌크 커패시터(100µF, 1000µF)는 입력과 출력 근처에 배치합니다.

크기 — 작을수록 저렴하지만, 손납땜을 위해 부품 사이에 2–3mm의 간격을 남겨 두세요.

위 내용은 일반적인 PCB 요구 사항을 나열하고 간략히 설명한 것입니다. 더 자세한 요구 사항과 각 모듈의 데이터시트에 있는 PCB 권장 사항 및 제한 사항은 온라인에서 검색할 수 있습니다.

이러한 요구 사항을 얼마나 잘 준수하느냐에 따라 전원 보드 설계가 제대로 작동하는지가 크게 좌우됩니다. 이는 전압 레귤레이터 모듈처럼 민감한 부품에서 특히 중요하며, 특정 요구 사항이 기능에 직접적인 영향을 줍니다. 이것이 바로 모든 것을 처음부터 설계하는 대신 통합 모듈을 선택한 주요 이유 중 하나입니다. 솔직히 말해 우리 전원 보드에도 몇 가지 의문이 있습니다—문제를 발견했거나 더 나은 해결책이 있다면 언제든지 연락해 주세요!

한 가지 더 있습니다. EasyEDA는 매달 무료 프로토타이핑 혜택을 제공하므로 첫 번째 기판은 비용이 들지 않을 수도 있습니다. 단, 100×100mm 이내여야 하며 우리의 기판은 그 조건을 만족합니다.

이 모든 작업을 제대로 마치면 주문할 준비가 된 것입니다. 버튼을 클릭하고 일주일을 기다리면 납땜할 준비가 된 반짝이는 기판이 문 앞에 도착합니다. EasyEDA를 사용한다면 결제 전에 매달 제공되는 무료 프로토타이핑 쿠폰을 받는 것도 잊지 마세요.

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STEP 22. 부품 구매

부품이 실제로 존재하지 않는다면 완벽한 회로도도 아무 소용이 없습니다. 주문하기 전에 모든 심벌이 실제로 재고가 있는 실제 부품 번호와 연결되는지, 그리고 실제로 납땜할 수 있는 패키지인지 확인하세요. 그런 다음 아래의 BOM을 사용하거나 직접 작성하면 됩니다.

아니면 번거로운 일을 모두 건너뛰고 우리의 자재 명세표를 사용하세요:

시판 모듈

1. CN3791 — 태양광 MPPT 충전기
2. TP4056 — 충전/방전 복합 모듈
3. XL6009 — 부스트 컨버터
4. MT3608 — 부스트 컨버터
5. CW2015 — 배터리 잔량 측정기

PCB 부품

1. 100 µF 전해 커패시터 ×2(SMD)
2. 1000 µF 전해 커패시터 ×2(스루홀)
3. 1N5819 쇼트키 다이오드 ×2(SMA)
4. 1N4744A 제너 다이오드 ×1(15 V, DO-41)
5. SMBJ24A TVS 다이오드 ×1(SMB)
6. 0.5 A 자동 복귀형 퓨즈 ×2 (0805)
7. 나사 단자 5.0 mm, 2핀 ×3 (태양광, 발전기, GND)
8. PH2.0 커넥터, 2핀 ×3 (배터리)
9. XH2.54 커넥터, 2핀 ×2 (펌프, GND)
10. XH2.54 커넥터, 4핀 ×1 (배터리 모니터 → 개발 보드)
11. USB-A 암 커넥터(측면 장착) ×1
12. 슬라이드 스위치(SS-12D10L5) ×2
13. 0 Ω 저항 ×1 (0805)
14. 테스트 포인트 ×1
15. 2.54 mm 핀 헤더

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STEP 23. 납땜

기판이 반짝반짝하고 아무것도 장착되지 않은 채 공장에서 돌아옵니다. 이제 여러분이 작업할 차례입니다. 납땜이 무섭게 들릴 수 있지만, 금속이 들어간 뜨거운 글루건 접착제나 다름없습니다. 그리고 글루건처럼 익숙해지기 전에는 손가락을 한두 번 데게 될 겁니다.

순서가 중요합니다. 먼저 표면실장 부품부터 작업하세요. 카펫처럼 납작하게 놓이는 작은 퓨즈, 다이오드, IC입니다. 그다음은 스루홀 부품인 큰 커패시터, 단자, 스위치입니다. 항상 낮은 부품부터 높은 부품 순서로 작업하세요. 큰 커패시터가 뒤에 숨어 있는 작은 저항에 인두가 닿지 못하게 가로막는 것만큼 답답한 일도 없습니다.

표면실장 작업에서는 핀셋과 플럭스가 최고의 동반자입니다. 부품을 배치하고, 한 핀을 납땜해 고정한 다음 나머지를 납땜하세요. 패드를 납으로 흠뻑 적시지는 마세요. 두 핀 사이에 생기는 납땜 브리지는 흔히 발생하는 "이런" 실수이며, 대개 납을 조금 과하게 사용했다는 뜻입니다.

스루홀 부품은 더 간단합니다. 리드를 구멍에 끼우고, 기판을 뒤집었을 때 빠지지 않도록 살짝 구부린 다음 뒷면에서 납땜하고 남는 부분을 잘라내세요. 손톱을 다듬는 것처럼 만족스럽습니다.

뭔가 망쳤나요? 당황하지 마세요. 납땜 브리지는 납땜 제거용 심지나 흡입기로 없앨 수 있습니다. 탁하고 알갱이처럼 보이는 접합부는 플럭스를 조금 묻혀 다시 가열하면 납이 흘러 반짝이는 상태로 돌아옵니다. 연기가 나는 마법이죠.

마지막으로 한 가지 더: CW2015의 BAT+ 핀을 테스트 포인트에 점퍼로 연결해야 합니다 — 그래야 기판이 배터리 전압을 읽을 수 있습니다. 놓치기 쉽지만, 다른 모든 부품을 이미 납땜한 뒤에는 디버깅하기가 정말 골치 아픕니다. 두 번 확인하세요. 미래의 여러분이 고마워할 겁니다.

납땜하기 전에 모듈이 올바르게 작동하는지 반드시 확인하세요. 납땜 후에는 즉시 회로를 테스트하여 단락과 같은 이상 상태가 발생하지 않았는지 확인하세요.

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STEP 24. 인클로저 설계 및 재료

무언가를 자르기 전에 두 가지 질문을 던졌습니다: 이 상자는 무엇을 해야 하는가? 그리고 크기는 어느 정도여야 하는가?

인클로저에 필요한 것은 무엇인가? 순서대로 세 가지입니다:

1. 보여주기 쉬울 것. 이 장치는 숨겨두는 기기가 아니라 전시용 작품이므로 식물과 전자 부품이 모두 보여야 합니다.
2. 제법 보기 좋을 것. 벽이나 선반에 놓일 것이므로 부품 더미처럼 보여서는 안 됩니다.
3. 가능한 한 단순할 것. 복잡한 짜맞춤이나 레이저 커팅 부품 없이, 손으로 자를 수 있는 평평한 패널만 사용합니다.

조사. 영감을 얻기 위해 온라인에서 벽걸이 화분과 우편함을 살펴봤습니다. 가장 마음에 들었던 형태는 전형적인 벽걸이 우편함이었습니다. 물이 흘러내리는 경사진 지붕, 세 개의 벽, 그리고 내부를 볼 수 있는 열린 앞면으로 구성된 형태입니다.

디자인. 앞면이 열려 있고 세 개의 벽으로 이루어진 경사진 지붕 상자입니다. 기본적으로 식물을 위한 작은 우편함입니다. 경사는 단순히 보기 좋게 하기 위한 것이 아닙니다. 태양광 패널을 기울어진 각도로 설치할 수 있고, 지붕 위에 빗물이 고이는 것도 막아줍니다.

크기는 어느 정도로 할까? 크기는 역으로 정한 것이 아니라 배치에 따라 정했습니다. 먼저 각 부품을 어디에 둘지 결정했습니다:

1. 브레드보드와 ESP32-S3 개발 보드 — 나란히 좌우로 배치하고 뒷벽에 장착.
2. 전원 보드 — 바닥의 오른쪽 쪽에 배치.
3. 식물 — 바닥의 왼쪽 쪽에 배치.
4. 워터 펌프 — 왼쪽 벽 바깥에 배치.
5. 손잡이식 발전기 — 앞쪽 또는 오른쪽 벽 바깥에 배치.
6. 태양광 패널 — 지붕에 배치.

그런 다음 모듈을 측정하고 다음과 같은 패널 크기를 정했습니다(모두 cm):

1. 바닥: 25 × 25
2. 뒷벽: 25 × 30
3. 측벽(×2): 사다리꼴 — 아래쪽 25, 뒤쪽 높이 30, 앞쪽 높이 25, 그 사이를 연결하는 경사진 윗변
4. 지붕: 25 × 25.9(경사진 면)

재료. PVC 폼 보드(Sintra/Foamex)입니다. 가볍고 공예용 칼로 깔끔하게 자를 수 있으며, 형태를 유지할 만큼 충분히 단단하고 인클로저와 모형 제작에 흔히 사용되는 재료입니다.

도구 및 준비물:

1. PVC 접착제 + 접착제 제거제(디본더)
2. 투명 테이프
3. 강력한 양면테이프
4. 가위와 커터칼
5. 황동 스탠드오프(보드를 약간 띄워 장착하기 위한 것)
6. 자와 연필

마감. 겉면에 나뭇결 접착 필름을 붙이면 평범한 흰색 폼보드가 제대로 된 작은 나무 우편함처럼 보입니다.

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STEP 25. 외함 조립

이제 상자를 실제로 조립할 차례입니다. 여기서는 조립 순서가 중요합니다. 각 패널이 아직 평평하고 손이 닿기 쉬울 때 모든 부품을 장착하는 편이 완성된 상자 안으로 전선을 밀어 넣는 것보다 훨씬 쉽습니다.

1. 먼저 뒷벽. 개발 보드와 브레드보드를 뒷판에 장착합니다(나사나 황동 스탠드오프를 사용하면 작은 공기층이 생깁니다). 그런 다음 뒷벽을 바닥에 직각으로 붙입니다. 이 두 부품이 상자 전체의 기준이 되므로 모서리가 정확히 직각인지 확인하세요.

2. 왼쪽 측벽. 구멍을 뚫고 워터 펌프를 통과시켜 펌프가 호스를 자유롭게 둔 채 왼쪽 벽 바깥에 오도록 합니다. 이 작업은 반드시 먼저 벽을 붙이기 전에 하세요. 평평한 상태에서 구멍을 뚫는 편이 훨씬 쉽습니다.

3. 오른쪽 측벽. 원래는 손잡이식 발전기를 오른쪽 벽 바깥에 달 계획이었지만 전선 길이가 짧았습니다. 연장선을 이어 붙이는 대신 상자 앞쪽으로 옮겼습니다. 오른쪽 벽은 그대로 비워 둡니다.

4. 지붕. 지붕을 뒷벽에 빈틈없이 붙이지 마세요. 위쪽에 작은 틈을 남겨 두세요. 그 틈으로 태양광 패널 전선과 DHT22 전선이 안쪽으로 들어갑니다.

5. 남은 모듈. LED와 토양 수분 센서 및 해당 전선을 제자리에 고정합니다. 전선을 패널을 따라 배선하고 테이프로 고정하여 마지막 벽을 붙일 때 아무것도 늘어지거나 눌리지 않게 하세요.

6. 식물과 전원 보드. 식물은 바닥 왼쪽에, 전원 보드는 바닥 오른쪽에 놓은 다음 전원 보드를 다른 모든 부품에 연결합니다.

7. 조정 및 전원 켜기. 배선을 마지막으로 점검한 다음 전원을 켭니다. LED를 확인하고 테스트 웨이크 사이클을 실행한 뒤 이상해 보이는 부분을 조정하세요.

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STEP 26. 읽어 주셔서 감사합니다

끝까지 오셨네요. 함께해 주셔서 감사합니다.

이 모든 것은 저와 두 친구(雒丹语&吴浩源)가 약 한 달 동안 만든 것이라 완벽과는 거리가 멉니다. 실수를 발견했거나 더 나은 방법을 알고 있다면 언제든 알려 주세요. 진심으로 여러분의 의견을 듣고 싶습니다.

그리고 우리 모두 조금 더 친환경적인 삶을 살게 되기를 바랍니다. 🌱