안녕하세요, 여러분!
저는 B.Tech E.E.E. 학생 Ayushmaan입니다. 저는 평범한 전자 회로 실험보다는 실제 제품처럼 느껴지는 프로젝트를 만드는 것을 늘 좋아해 왔습니다.
이 프로젝트는 아주 단순한 아이디어에서 시작되었습니다:
“전기가 없을 때 스스로 전력을 만들어 내는 보조 배터리가 있다면 어떨까?”
물론 손으로 크랭크를 돌리는 방식이 벽면 충전기를 대신할 수는 없습니다. 하지만 다른 전원이 전혀 없을 때 전기를 만들어 낸다는 발상은 충분히 흥미로워서 직접 시도해 보기로 했습니다.
그렇게 RE:VOLT — 핸드 크랭크 비상용 보조 배터리 및 스마트 램프 가 시작되었습니다.
기어드 DC 모터는 핸드 크랭크를 돌리면 발전기로 작동하고, 생성된 전력은 조절된 후 충전식 18650 배터리에 저장됩니다. 프로젝트에 이미 배터리 팩이 있었기 때문에, 별도의 White 및 Warm White LED 채널이 있는 내장 램프도 추가했으며, Seeed Studio XIAO ESP32-C3 와 물리 버튼으로 제어하도록 구성했습니다.
LED 제어 시스템에는 원래 Arnov Sharma 가 자신의 Web-Controlled Desk Lamp With XIAO ESP32-C3 프로젝트를 위해 설계한 맞춤형 PCB를 재사용하고, 이 제작물에 맞게 개조했습니다.
그런 다음 전자 부품, 배터리, 모터, 기어 구동식 핸드 크랭크를 감싸는 외함을 설계하고 3D 프린팅했습니다. 최종 결과물이 서로 연결된 모듈의 모음이 아니라 실제 기기처럼 느껴지기를 원했습니다.
목표는 가장 실용적인 수동 발전기를 만드는 것이 아니었습니다. 그저 전력 생성, 배터리 충전, 임베디드 전자 장치, 기계 설계 를 재미있고 기술적으로 흥미로운 하나의 장치로 결합해 보고 싶었습니다.
그럼 시작해 보겠습니다!
다음은 RE:VOLT를 제작하는 데 사용한 모든 부품입니다. 이 프로젝트에는 여러 개의 개별 모듈과 다른 프로젝트에서 재사용한 맞춤형 LED 제어 PCB가 함께 사용됩니다.
전력을 생성하기 위해 작은 DC 기어드 모터를 사용했습니다. 핸드 크랭크로 모터를 회전시키면 모터가 발전기처럼 작동하여 단자 사이에 전압을 발생시킵니다.
손으로 크랭크를 돌리면 출력이 상당히 불규칙해지므로 간단한 다이오드-커패시터 보호 및 필터링 회로를 추가했습니다. 1N5408 다이오드 는 역전류가 모터로 되돌아가는 것을 방지하고, 1000µF, 36V 커패시터 는 소형 에너지 버퍼 역할을 하며 갑작스러운 전압 변동을 완화합니다.
또한 멀티미터를 사용하여 발전기 출력을 테스트했습니다. 예상대로 크랭크를 얼마나 빠르게 돌리는지에 따라 전압이 크게 변했습니다. 빠르게 회전할 때 출력은 약 20V에 도달했지만, 느리게 회전하면 훨씬 낮은 전압이 발생했습니다.
이 때문에 발전기를 배터리 충전 회로에 직접 연결할 수 없습니다. 배터리 충전에 사용하려면 먼저 출력을 조정해야 합니다.
발전기에서 직접 나오는 전압은 배터리 충전에 사용하기에 충분히 안정적이지 않습니다. 핸드 크랭크를 얼마나 빠르게 돌리는지에 따라 전압이 크게 변합니다.
이를 조정하기 위해 HW-688 DC-DC 벅 컨버터 모듈을 사용했으며, 이 모듈은 일정한 5V 출력을 제공합니다.
테스트 중에 모듈이 안정적으로 5V 출력을 제공하려면 발전기가 약 9V 이상 을 생성해야 한다는 것을 확인했습니다. 발전기 전압은 전적으로 크랭크 회전 속도에 따라 달라지므로 이 입력 전압을 유지하려면 핸들을 충분히 빠르게 돌려야 합니다.
입력이 충분한 수준에 도달하면 모듈이 발전기 출력을 배터리 충전 회로에 사용할 수 있는 5V 전원으로 변환합니다.
생성된 전력을 저장하기 위해 18650 Li-ion 배터리 2개를 병렬로 연결하여 사용했습니다. 셀을 병렬로 연결하면 전압은 동일하게 유지하면서 전체 배터리 용량을 늘릴 수 있습니다.
배터리를 충전하기 위해 TP4056 USB-C 리튬 배터리 충전 모듈을 사용했습니다. 조정된 HW-688의 5V 출력 을 TP4056의 입력에 연결하면 TP4056이 배터리 팩의 충전 과정을 처리합니다.
TP4056은 단일 셀 리튬 이온 배터리 충전용으로 설계되었으므로 18650 셀 2개를 병렬로 사용하면 두 셀이 하나의 1S 배터리 팩처럼 작동합니다.
이렇게 하면 핸드 크랭크로 생성된 전력이 먼저 5V로 변환된 다음 배터리를 안전하게 충전하는 데 사용됩니다.
조명 부분에는 원래 Arnov Sharma 가 자신의 프로젝트인 Web-Controlled Desk Lamp With XIAO ESP32-C3를 위해 설계한 커스텀 PCB를 재사용하기로 했습니다.
기존 PCB는 Seeed Studio XIAO ESP32-C3 를 기반으로 설계되었으며 두 LED 채널을 제어하기 위한 별도 섹션이 포함되어 있었습니다. 이 설계에는 이 프로젝트에 필요한 대부분의 요소가 이미 갖춰져 있었기 때문에 다른 PCB를 처음부터 설계하는 대신 재사용하기로 했습니다.
RE에는 한 채널을 화이트 LED 에 사용하고 다른 채널을 웜 화이트 LED에 사용했습니다. PCB에는 별도의 MOSFET 드라이버 회로와 물리 버튼 2개도 포함되어 있어 두 채널을 독립적으로 제어할 수 있습니다.
설계가 프로젝트에 놀라울 정도로 잘 맞았기 때문에 기존 PCB를 제 요구 사항에 맞게 수정하기만 하면 되었습니다.
PCB 설계가 완료되어 이제 조립할 차례가 되었습니다.
저항과 AO3400A MOSFET을 포함한 작은 SMD 부품부터 납땜하기 시작했습니다. 이 PCB는 LED 채널마다 하나씩, 서로 분리된 두 개의 MOSFET 회로를 사용합니다.
그다음 LED, 택타일 푸시 버튼, 그리고 Seeed Studio XIAO ESP32-C3에 필요한 헤더를 납땜했습니다.
두 LED 채널은 각각 별도로 구성했으며, 한 세트에는 White LEDs 를, 다른 세트에는 Warm White LEDs를 사용했습니다.
모든 부품의 납땜이 끝나자 PCB는 테스트하고 통합할 준비가 되었습니다.
각 부분이 모두 준비되었으므로 이제 모든 것을 서로 연결할 차례였습니다. 발전 회로는 충전 및 배터리 시스템에 연결하고, 안정화된 전원은 LED control PCB로 연결했습니다.
배터리 팩이 주 시스템에 전원을 공급하며, 재사용한 XIAO ESP32-C3 LED PCB가 두 MOSFET 회로를 통해 White 및 Warm White LED 채널을 제어합니다.
이제 핸드 크랭크 발전기, 전원 회로, 배터리 팩, smart lamp PCB 등 분리되어 있던 모든 부품이 마침내 하나로 합쳐졌습니다.
PCB 조립이 끝났으므로 이제 Seeed Studio XIAO ESP32-C3를 프로그래밍할 차례였습니다.
코드는 PCB의 두 MOSFET을 사용해 White 및 Yellow LED 채널을 독립적으로 제어합니다. 램프는 물리 버튼이나 간단한 Wi-Fi 웹 인터페이스를 통해 제어할 수 있습니다.
핀 구성은 기존 PCB 설계를 따릅니다.
연결은 다음과 같습니다:
두 LED 채널 모두 밝기 제어에 PWM을 사용합니다. 미리 정의한 밝기 단계는 다섯 가지입니다:
따라서 버튼을 누를 때마다 다음 순서로 전환됩니다:
OFF → 25% → 50% → 75% → 100% → OFF
두 LED 제어 핀에 다음을 사용해 PWM을 연결합니다:
그런 다음 PWM 듀티 사이클을 변경해 밝기를 제어합니다.
두 버튼은 ESP32의 내부 풀업 저항을 사용합니다.
각 버튼은 해당 LED 채널을 제어합니다. 버튼을 누를 때마다 밝기 단계가 증가하며, 100%에 도달한 후 다시 누르면 LED가 OFF로 전환됩니다.
Yellow LED 채널에도 동일한 로직을 사용합니다.
XIAO ESP32-C3는 Wi-Fi 네트워크에도 연결됩니다.
연결되면 ESP32가 웹 서버를 시작하고 Serial Monitor에 IP 주소를 출력합니다.
브라우저에서 IP 주소를 열면 램프의 웹 인터페이스에 접속할 수 있습니다.
인터페이스를 통해 두 LED 채널을 독립적으로 제어할 수 있습니다. 각 채널의 밝기를 높이거나, 개별 LED를 OFF로 전환하거나, 두 채널을 함께 제어할 수 있습니다.
예를 들어 다음 코드는 White LED의 밝기를 높이라는 요청이 있는지 확인합니다:
Yellow LED 채널도 같은 방식으로 작동합니다:
메인 루프는 물리 버튼과 수신되는 웹 요청을 모두 계속 확인합니다.
따라서 램프는 물리 버튼이나 Wi-Fi 웹 인터페이스를 통해 제어할 수 있습니다.
전자 부품이 준비되자 Fusion 360에서 인클로저를 설계했습니다. 모터, 배터리, PCB, 핸드 크랭크 메커니즘을 하나의 인클로저 안에 넣는 것이 목표였습니다.
부품을 위한 전용 공간을 설계하고, 기어로 구동되는 핸드 크랭크를 인클로저에 직접 통합했습니다. 크랭크 손잡이는 사용하지 않을 때 접을 수도 있습니다.
이 프로젝트는 특별히 컴팩트하지 않습니다. 모터, 기어 메커니즘, 배터리, 전자 부품을 내부에 넣으려면 상당한 공간이 필요했기 때문입니다. 그래도 최종 디자인은 좀 더 상용 제품 처럼 보이도록 했으며, 상자 안에 전자 부품을 넣어 둔 것처럼 보이지 않게 했습니다.
모든 것이 제대로 맞는지 확인하기 위해 몇 가지 조정을 거친 후, 조립을 진행했습니다.
설계가 완료된 후 Fusion 360에서 모든 부품을 내보내고 3D 프린팅을 위해 준비했습니다.
외함은 PLA를 사용해 출력했으며, 본체는 검은색으로 출력하고 전체적인 디자인에 맞추기 위해 일부 부품은 빨간색으로 출력했습니다.
원래는 LED 디퓨저를 투명 PLA로 출력하고 싶었지만 당시에는 사용할 수 있는 재료가 없었습니다. 그래서 결국 흰색 PLA 로 출력했습니다. 여전히 디퓨저로서 잘 작동하지만, 최종 외관은 원래 생각했던 것과 확실히 조금 다릅니다.
출력 후 부품을 다듬고 결합 상태를 확인한 다음 최종 조립으로 넘어갔습니다.
출력된 모든 부품이 준비되자 드디어 모든 것을 조립할 시간이 되었습니다.
모든 전자 부품과 3D 프린팅 부품이 준비되자 드디어 모든 것을 조립할 시간이 되었습니다.
먼저 모터와 손잡이 크랭크 장치를 설치한 다음 배터리와 전원 관리 모듈을 장착했습니다. 이후 LED 제어 PCB를 전용 위치에 고정했습니다.
모든 부품을 연결한 후 디퓨저를 설치하고 외함을 닫았습니다.
모든 개별 부품이 마침내 실제 완제품처럼 보이기 시작했기 때문에, 아마도 프로젝트에서 가장 만족스러운 부분이었을 것입니다.
모든 것을 조립하고 나니, RE:VOLT 가 마침내 완성되었습니다.
손잡이 크랭크가 DC 기어드 모터를 구동하여 전기를 생성합니다. 생성된 출력은 보호 및 필터링 회로를 통과한 후 조정되어 배터리 충전 회로로 전달됩니다. 두 개의 18650 배터리가 생성된 에너지를 저장하고, 내장 램프는 백색 및 전구색 조명을 제공합니다.
램프는 물리 버튼을 사용하거나 Wi-Fi 웹 인터페이스를 통해 독립적으로 제어할 수 있습니다.
물론 이 프로젝트에는 몇 가지 한계가 있습니다. 가장 큰 한계는 손잡이 크랭크 발전기 자체입니다. 출력은 크랭크를 얼마나 빠르게 돌리는지에 크게 좌우되며, 손으로 상당한 양의 에너지를 생성하려면 시간과 노력이 필요합니다. 현재의 충전 방식도 그다지 빠르지 않습니다.
향후 버전에서는 USB 충전 모듈 을 업그레이드하고 전반적인 충전 시스템을 개선하여 장치를 더욱 실용적이고 효율적으로 만들고 싶습니다.
그렇지만 이 프로젝트는 기존 보조 배터리를 대체하려는 목적이 아니었습니다. 저는 주로 전력 생성, 배터리 충전, 임베디드 전자 장치, 기계 설계 및 3D 프린팅 을 하나의 장치에 결합하면서, 실제 완제품처럼 보이고 작동하도록 만들고 싶었습니다.
솔직히 말해서 RE:VOLT 가 잘 완성되어 꽤 만족스럽습니다.
https://www.instructables.com/Handcrank/