AC 스폿용접기 제작과 성능 - 링코어 2차 권선 전압과 굵기에 대하여!!

 

 

 

1.5K 링코어에 2차 권선을 감고 가 테스트

 

 

들어가면서..

 

생활 DIY에 필요한 전기/전자 잡(?)지식을 조금씩 주어 들은지 두 해가 흘렀고, 돌이켜보니 스폿용접기 제작이 그 시작인 듯 싶다. 이 글을 작성하는 지금까지 스폿용접기는 총 10대를 제작했으며,,  3호기부터는 사용하면서 불편한 점들을 개선하고 오토스폿 기능을 더한 아두이노 회로를 직접 제작하여 사용하고 있다.

 

본격적인 성능 관련 글에 앞서 그동안 제작한 스폿기 - 뭐 그렇게 많은 건 아니겠지만 - 에 대한 히스토리 썰을 풀어보고 시작한다. 이유는 사용하면서 불편한 점을 조금씩 보완하면서 정착하게 된 제작 과정이라 도움이 될 듯 싶어서이고 목차에서 "스폿용접 원리"로 이동해서 거기서 부터 보면 될 듯 싶다.

 

 

 

납땜 vs 스폿용접

 

배터리의 극은 일반적인 인두기와 납으로는 작업이 힘들다. 납물이 배터리에 붙지않고 또르륵 굴러 떨어지는데 사포나 드레멜로 용접부위를 갈아내고 페이스트와 알미납 등을 사용하면 가능하기도 한데, 성능저하 혹은 다량의 배터리 작업시 능률문제로 일반적으로 스폿용접을 사용한다.

 

배터리 납땜과 스폿용접시 온도변화 영상이 있어 공유해본다.

 

처음 보면 대단해 보이는 스폿기도 조금의 정보를 수집하면 개인이 쉽게 제작한데 이것이 지금의 DIY가 활성화된 이유라고 해도 과언은 아니다.

 

 

 

 

제작 히스토리

 

처녀작

[DIY] 2K 구리 링코아로 AC 스폿용접기 제작기 - 처녀작 완성 ^▽^)/

캠핑용 랜턴의 배터리를 리필하고 싶다는 단순한 생각이 이 스폿기를 만들게 한 듯 싶다. 네오디움 자석과 철사로 병렬연결 후 테이핑해서 사용했다가 뭔가 위험해보여 무턱대고 정보를 수집하고 겁없이 만든 것이 가장 저렴한 중국산 회로를 사용한 위 처녀작이다.

 

주절주절 잡설이 참 많은 글인데, 하이박스 가공을 처음해보고 자신감이 붙어 이후 다양한 DIY로 이어지게 된 나름 기념비적인 작품이다. 6개월 정도 사용했으나 정밀한 타임 조정이 어려운 중국산 아날로그 방식이라 스폿 칠 때마다 폐 배터리에 스폿을 쳐보고 나서야 원하는 강도를 찾을 수 있었기에 늘 정밀한 타임으로 조절이 가능한 아두이노 스폿회로를 써보고 싶다는 생각을 했었다.

 

지금은 해체되어 없는 작품이다.

 

 

 

2호기

[DIY] 2K 트로이달 링코어로 미니(?) 스폿용접기 만들기 Ver 2.0 - 기존 불편함 해소를 위해 최대한 미

처녀작을 사용하면서 느꼈던 불편한 점을 해소하는 데 중점을 둔 스폿기다. 오토스폿을 지원하는 이훈섭님의 컨트롤러를 사용했고 비좁은 작업테이블에 놓기에는 크기가 부담되어 링코어만 겨우 들어가는 작은 케이스로 제작했다. 항상 작업대 위체 두고 언제든 쉽게 스폿을 칠 수 있게 되었는데 이에 큰 의미를 두고 있다. 다만 크레토스 위치가 아래에 위치한 게 또 불편하게 다가왔다.

 

훈섭님 회로를 사용하면서 시작시 화면에 개인 아이디를 넣으면 좋겟다는 생각에 아두이노 스폿회로를 공부하기 시작한 계기가 되었다. 또한 오토스폿의 편리함을 알게 되었고 이후 부터 수동은 더 이상 사용하지 않게 되었다. 현재 2호기는 개인 회로로 교체한 후 다른 분이 사용하고 있다.

 

 

 

3호기

3K 링코어 AC 오토스폿용접기 자작 회로를 이용한 제작기 - 아두이노 스케치 파일 커스텀 버전 소

우연히 3K 링코어를 구하게 되어 만들어 본 스폿기인데 성능이 2K만 못하다. 다양한 원인이 있을 텐데 일단 링코어의 출처가 불분명하고 상태 또한 노후화 된 것이 문제였다. 물론 0.2t도 스폿이 가능하지만 명세기 3k 급이 10ms를 넘어가니 돈 받고 분양하기에는 조금 찝찝해 이홈메이드 카페 회원분에게 무료로 분양했다.

 

 

 

4호기

1.5K 링코어 AC 아두이노 오토 스폿용접기 4호 완성

2호기에서 불편한 점이 또 눈에 띄어 이를 개선하고자 만든 버전으로, 용접봉 크레토스셋 체결 위치를 상단에 배치하고, 커버 양쪽에 링나사를 이용하여 거치대를 만들었다. 성능도 2K 링코어를 사용한 2호기와 대동소이하고 권선 두께를 키워 수지형 1.5K 링코어로 만든 타 스폿기 대비 월등하다고 생각된다.

특히 수지형 1.5K 링코어는 정부시책과 맞물려 인증을 거친 제품이라 타 변압기 대비 효율이 뛰어나 2K급 이상의 성능을 낸다고 알려져 있다.

이 스폿기 역시 다른 분께 분양한 상태인데 돈을 받고 분양한 두 번쩨 스폿기다.

 

 

 

5호기

4호기와 완전 판박이로 4호기 분양을 요청하시는 분이 있어 직접 사용하기 위해 제작했는데 4호기와 판박이라 따로 포스팅하지는 않았다. 역시 6호기를 제작하면서 분양됐다.

 

 

 

6호기

 

아두이노 스케치를 LCD 겸용으로 업그레이드 하면서 MCU 스케줄링 방식을 개선했는데 이를 테스트하기 위한 목적으로 만든 스폿기다. 4awg 실리콘 케이블을 사용한 제작비(?)가 가장 많이 들어간 스폿기다.

6th 스폿기 - 수지형 1.5K 링코어로 괴물급(?) 아두이노 오토스폿용접기 제작

이후 의뢰를 받아 이 글을 쓰는 지금까지 15대를 추가 제작했고, 더 이상 수정할 부분이 없다고 판단 모두 6호기와 대동소이한 디자인이다.

 

 

 

 

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서두가 길었다. 각설!!
이제 본격적으로 스폿기 성능에 관련된 요소를 하나씩 살펴보자!!

 

 

스폿용접 원리

 

배터리 위에 니켈플레이트를 대고 위에 끝이 뾰족한 용접봉을 누른 채로 전기를 흘리면, 배터리와 용접봉이 접촉한 지점에서 열(Joule 발열)이 발생하여 모재인 니켈플레이트가 녹게 되는데 이때  위에서 누르는 압력에 의해 배터리극에 붙게 된다.

 

성능과 직접 관련된 요소는 전류량, 접촉저항. 온도(Joule 발열) 그리고 용접 시간 등이고, 그 밖에 용접재의 재질과 용접봉의 스팟 크기등 꽤 많은 요소가 유기적으로 작동한다. 하나씩 살펴보자.

 

먼저, 스폿용점의 전원은 AC와 DC가 있는데 공통적인 부분도 있겠지만 이하 AC스폿용접기에 한하여 설명한다.

 

 

 

 

 

 

접촉저항과 줄열(Joule 발열)

 

 

 

 

스폿용접은 스폿지점의 저항을 이용한 저항용접이다.

 

스폿지점의 접촉저항이 커야 열로 변환되는 전류량이 커지고 니켈을 녹일 정도의 온도가 확보되는데 용접봉을 누르는 힘에 의해 이 저항이 변화하여 성능에 영향을 주게 된다.

 

누르는 힘이 강하면 접촉저항이 줄어들어 배터리쪽으로 이동하는 전류가 많아지면서 열로 변하는 에너지가 작아지고, 너무 약하게 누르면 두 용접재가 완전한 접촉이 안된 상태에 퍽!! 하는 소리와 함께 불꽃쇼를 볼 수 있다. 따라서 여러 번 테스트로 지긋이 눌러준다는 느낌의 적당히 센(?) 힘을 찾는 것이 중요하다.

 

열로 변환되는 전류량이 충분하지 않은 상태로 스폿 시간을 늘리면 열화만 생길뿐 배터리에 잘 붙지 않는다. 따라서 전류량이 중요한데 경험상 250A이상이면 0.2t 작업까지는 무난하다.

 

제작시 2차 권선에서 용접팁사이 연결부 손실분을 감안해 1.5KVA 이상의 코어를 사용하는 것을 추천하고 그 이하는 2차 권선과 용접선을 직결하여 손실을 최소화 하도록 한다.

참고로 니켈보다 저항값이 매우 낮은 구리의 경우 저항용접으로는 한계가 있어 현재까지 구리 플레이트를 용접할 수 있는 자작인의 용접기를 본적은 없다.

 

 

 

 

스폿 시간(Spot Time)

 

용접 시간은 스폿포인트 열화와 직접적인 관련이 있다.

 

일반적으로 용접한 스폿 포인트 테두리와 아래까지 검게 탄(열화)부분이 없고 손으로 떼어냈을 때 찢어질 정도를 기준에서 가장 짧은 시간에 이루어지는 것이 좋다.

 

니켈 플레이트를 용접할 경우 배터리와 강하게 붙는 시간적 구간이 존재하는데 두께 대비 수 배 이상의 열량이 필요하고 이것는 아래 설명하는 순간 전류량(에너지)과 관련이 있다.  전류량이 부족한 상태에서는 시간을 늘려도 열화만 커질뿐 0.2t나 0.3t는 절대 붙지 않는다.

열화없이 붙지를 않는다면 코어의 출력이 약하거나 2차 권선에서 용접팁 사이 연결부 어딘가에 손실이 있다고 보면 됩다.

※ 킥보드나 자전거 드릴류와 같은 높은 전류의 배터리 팩은 스폿포인트에 열화가 심하면 사용하면서 탄화가 증식되어 충격에 의해 쉽게 떨어질 수 있으니 주의를 요한다.

 

 

 

순니켈 허용전류

 

 

 

 

 

 

2차 권선

 

 

최대 전류는 변압기 코어 출력과 권선수에 따라 좌우된다.

☞ P=VI 공식에 따라 같은 파워에선 전압을 높이면 유도되는 전류량은 낮아짐

 

같은 출력의 변압기도 벤더마다 천차만별이므로 효율 좋은 변압기의 선택이 스폿용접기 제작의 시작점이라고 할 수 있는데 보통 10바퀴 기준 2차 전압이 7V가 나오는가 아닌가? 따라 어느 정도 가늠할 수 있다.

 

2차 전압은 권선비로 결정되는데 알루미늄과 같이 효율이 떨어지는 코어는 1차 턴수가 많아 2차도 상대적으로 더 감아야하기때문에 10턴을 감으면 6V 초반으로 나오는 경우가 많다.

 

 

더 설명하면 2K (2000VA) 링코어를 사용할 때, 10바뀌를 감아 2차 전압이 7V가 나왔다면 에너지불면의 법칙에 따라 2000/7=285.7A의 전류가 유도된다고 생각할 수 있다. 물론 이론적인 수치이고 역률과 손실 분 감안하면 대충 수지형 1.5K 링코어의 경우 97.1%이고 EI 트랜스의 경우 대충 80~85% 정도이지만 용접자체가 쇼트동작이라 실출력을 조금 상회한다고 보면 될듯 싶다.

 

이 이론치를 기준으로 조금은 보수적으로 2차 권선의 두께를 선택해보자.

참고로 단권형 링코어를 복권형으로 사용할 경우 원래 절(1/2)반으로 효율이 떨어진다는 얘기가 있어 찾아봤지만, 승합형 코어의 경우 그런 설계가 있을 수 있지만 강압형에서는 관련 정보를 찾지 못해 계산에 넣지는 않았다.

 

 

 

 

구글링을 이용하여 계량기 선택시 참고하는 표를 옮겨왔는데 두 가닥 2C기준이라 1C와는 약간의 차이가 있겠고, 제조사 혹은 케이블마다 저항치가 일정하지 않아 대충의 가늠값으로 사용하면 될 것이다.

 

25SQ - 149A
35SQ - 158A
50SQ - 225A

각각의 심선 면적에 따른 허용전류다.

 

- 참고 -
허용전류는 전선의 저항에 반응하여 발생하는 열에 피복이 녹아 화재로 이어지는 것을 방지하기 위한 안전전류?이고 피복은 PVC, 실리콘 등 다양한 소재에 따라 내열성의 차이로 허용전류가 차이가 난다. 하지만 변환된 열 또한 그 만큼의 전류가 손실 된다는 점에서 실제 부하까지 전달되는 전류는 더 낮게 보는 것이 맞다.

 

 

위의 표만 보면 285.7A이므로 70SQ(289A)를 사용하는 것이 좋겠지만, 스폿용접기 특성상, 수 ms 단위로 매우 짧다는 점과 또 전선은 일반적으로 허용전류보다 훨씬 많은 전류(실전류+열변환 전류)가 흐를 수 있다는 점을 고려할 수 있다.

따라서 조금 하향 선택해도 무방한데 개인적으로 오래 사용하려면 50SQ 정도면 충분하다고 판단된다. (처음 제작하는 분들은 대부분 가격을 이유로 35sq를 많이 사용한다.)

 

 

정리하면, 케이블 굵기로 허용전류를 충분히 커버하는 것이 가장 좋겠고, 사용한 권선이 35sq 이하라면 전압을 조금 높여 전류량을 조금 줄이는 대신 전력으로 손실분을 보상하는 방법을 추천한다.

 

즉 2차 권선이 충분히 두껍다면 6V 초반, 그렇지 않다면 7V 중반까지 높여 작업하는 게 이득이다. 전압을 너무 높히면 전류량이 줄어드니 가급적 7V 중반을 넘지 않는 것이 좋겠다.

 

 

 

 

 

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기타!!

 

스폿 용접봉까지 손실없이...

 

전자렌지 EI 트랜스는 보통 600~700VA급이고 링코어 대비 효율 자체도 평균 10% 정도 떨어지지만 25sq로 6턴에 6V정도로 맞추고 용접봉까지 직결하면 도금니켈 0.2t까지 가능하다고 알려져있다.

 

따로 크레토스 단자를 이용해 체결식으로 만들면 연결 부위에 접촉저항이 증가해서 스폿포인트에 집중되어야할 전력이 분산되 성능이 떨어지는데 용접봉과 용접선, 크레토스단자, 2차 권선과 링단자 체결부위 등등 모든 꼼꼼하게 작업하여 중간 지점 연결부 접촉저항을 최소화 한다.

AC 링코어 스폿용접기 용접봉 고장(?) 문제점 튜닝 수리 후 성능 대폭 향상

용접팁은 니켈이랑 접촉하는 부위를 둥글게 타원으로 가공하면 깔끔한 용접 자국을 볼 수 있다. 아래 관련글 참조

 

 

 

권장 사항

 

이상과 같은 이유로,,
가정용 스폿용접기 DIY시 권장하는 재원은 다음과 같다.

 

링코어 : 1.5K~2K
8~10 바퀴를 감았을 때 7V대가 나와주는 링코어면 훌륭하고 KIV 50sq이상의 권선으로 여유롭게 작업이 가능하다.
부피와 무게를 생각하면 일반 가정에서는 1.5K~2K가 가장 적합하다. 특히 당시 승압사업시 정부시책과 맞물려 공급된 효율 97.1%인 수지형 1.5K 추천!! (실제 2KVA급의 성능이 나옴)하고 3~ 5KVA급의 링코어는 크고 무거워 스폿양이 많은 곳에 적합하다.

앞서 언급했지만 알루미늄코어는 효율이 떨어져 2차 턴수가 상대적으로 많은 편이라 투자비(권선 1미터 추가)가 조금 더 든다. 변압기 현업 전문가에게 자문 결과 매우 짧은 순간 흐르는 전류량도 구리와 차이가 있다. 스폿이 안되는 건 아니지만 같은 값이면 다홍치마의 개념이다. 여튼 권선에 코팅된 색이 진한 검붉은 갈색이면 알루미늄일 확률이 높은데 끝부분 에나멜코팅을 커터로 벗겼을때 은색이면 알루미늄이다.


2차권선 : 50sq
경헝상 수지형 1.5K에 적당하고, 이 이상은 극적인 성능항샹을 가져오지 않는다.
3~5KVA는 70sq 이상을 권장한다.


크레토스 셋을 이용한 탈착식 (이건 옵션, 1.5KVA이상에서..)
아무래도 크레토스셋이 편하고 관리도 편하다.
다만 접촉부 손실때문에 제법 큰 성능 하락이 있으니 가급적 핸들에 CRETOS마크가 새겨진 정품을 추천한다.
참고 : https://mindeater.tistory.com/2575


용접선 : 실리콘 4awg를 사용하여 가급적 짧게
개인적으로 1m를 사서 50cm씩 작업하면 동봉 길이이와 더해져 책상위에 올려두고 쓰기 딱 적당하다.
금전적 여유가 된다면 2awg를 사용하는 것도 좋겠지만 묵직한 무게로 장타를 칠 경우 작업 부담은 있다.


35sq 터미널 슬리브와 3mm 크롬동봉과 드릴척
다양한 스폿팁이 있지만 수선을 위해 팁의 탈착이 가능해야하고, 언제든 쉽게 구할 수 있는 것이 3mm 크롬동봉이다.
참고로 성능이 매우 우수한 것이 알려진 홍공주아빠님표 동봉도 추천한다.

홍공주아빠님의 스폿팁은 2mm인데 냄비뚜껑과 같이 용접 시간이 길어지면 마모가 심해 마모와 변형이 있으니 가급적 배터리에만 사용하는 것이 좋다.


스폿 컨트롤러 : 국내 아두이노 스폿회로
가급적 국내에서 제작한 회로를 추천한다.
중국산 회로의 경우 조정과 계산이 어렵고 회로 고장이나 특히 스위칭 소자인 트라이악의 파손 문제가 잦다. 최소타임(1cycle / 30%)  5ms로 다소 길다는 점에서 2~3KVA이상에 사용하면 0.1t 사용이 힘들 수 있어 전자렌지 트랜스에 적합한 회로다. 참고로 오래 사용하려면 정품 BTA41로 교체하면 좋다.


아두이노로 제작된 스폿회로들의 성능차이??
HW는 부품의 정품여부 그리고 최대 5KVA까지 커버할 수 있도록 안정적으로 설계되어 있는지 살펴보면 될 듯 싶다.
SW는 제로크로싱의 정확한 검출과 스폿 타임 산출, 그리고 조작 편의성과 HW의 이상 현상을 보완하는 디바운싱 매카니즘의 지원 유무로 차이가 발생할 수 있는데 주로 기본 동작보다는 안정적인 운용과 관련이 있다.
중국산 아두이노(일명 짭두이노)의 경우 센싱 오류로 스폿이 퍽!하고 터지는 문제가 발생하기도 한다. (V2.9F에서 패치된 이슈)

 

 

 

이상이 그 동안 스폿용접기를 제작하면서 링코어 성능을 최대한 끌어내기 위해 정리해본 내용들이다.

가능 불가능의 이야기가 아니고 상향 타협의 결과다. 스폿기를 전문적으로 제작/판매하시는 분들은 대부분 1K에 25sq, 1.5k이상에서 35sq를 사용하는 편인데 실 사용과 가성비를 따진 결과다.

 

 

+
혹 잘못된 정보의 경우 댓글로 알려주시면 적극 반영하도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

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일독을 권하는 글

 

AC 스폿용접기 성능(팁, 강도, 슬롯)에 관하여 - 엔지니어링 저널 기고문 참고!!

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