엉터리 다이빙

DC-DC converter(DC-DC 컨버터) 실험을 해 보았습니다.
DC-DC converter 는 말 그대로 DC 전압의 크기를 변환해주는 회로입니다.
휴대용 모바일 기기의 수요가 증가하면서 DC-DC 컨버터 회로가 들어가는 곳이 많아졌습니다.
DC-DC Converter 가 들어가는 제품 중 대표적인 것이 PC 인데, CPU 주변이나 그래픽카드 주변에는 DC 전압을 변환시키기 위해서 콘덴서와 인덕터가 여러개 붙어있는 것을 발견할 수 있습니다.
DC-DC 컨버터는 동작 방식에 따라 여러 종류가 있지만, 인덕터를 이용한 비절연 방식으로 Buck converter, Boost converter, Buck-Boost converter 를 들 수 있습니다. (3종 세트?)
Buck converter 는 전압을 낮출 때 사용되고, Boost Converter 는 전압을 높일 때, Buck-Boost converter 는 전원전압보다 높거나 낮게 바꿀 수 있으며 극성을 반전시킬 때 사용됩니다.



1. Buck Converter

Buck converter 의 회로는 아래와 같습니다.

Buck converter 의 회로는 스위칭 부분과 다이오드, 인덕터 1개 로 이루어져 있습니다.
Buck converter 는 아래 그림과 같이 동작됩니다.

먼저 스위치를 닫았을 때에는 전원에서 인덕터를 통해서 부하로 전류가 흐릅니다. 인덕터는 전류의 흐름을 방해하는 성질이 있기 때문에 초기에 전류가 흐르기 시작할때에는 전원 극성과 반대방향의 기전력을 일으켜서 전원 전압에 대항하게 됩니다.

따라서, 전원전압에서 인덕터에 생겨난 기전력만큼 떨어진 전압이 부하에 가해지게 됩니다.
시간이 지나면 이 기전력이 점점 줄어들게 되는데, 줄어들기 전에 재빨리 스위치를 개방합니다.
스위치를 개방하면 전원에서의 전류의 흐름은 차단되지만 인덕터에 저장되어 있던 1/2LI²의 에너지로 인해서 역기전력이 발생합니다. 이 기전력으로 인한 전류는 다이오드와 인덕터를 통해서 부하에 가해집니다.

결국 스위치를 닫았을 때에는 인덕터에 에너지를 저장하면서 부하에 전력을 공급하고, 스위치를 열었을 때에는 인덕터에 저장되어 있던 에너지가 부하에 가해지는 원리입니다.
스위칭이 제대로 되지 않으면 전원의 전압이 그대로 부하측에 가해집니다.
실제 회로에서는 리플 전압을 줄이기 위하여 콘덴서를 부착합니다.

브레드보드에 회로를 꾸며 보았습니다. 스위칭은 555 타이머와 A1015 로 하였습니다. 전원의 전압은 5V 입니다.
3V 용 전구를 연결했더니 약하게 빛납니다.

3V 용 전구에 가해진 전압을 재어보니 1.3V 가 나옵니다. 전원의 전압에서 많이 떨어진 전압이 나오고 있습니다.


2. Boost Converter

두번째로 실험해 볼 회로는 Boost Converter 입니다. Boost Converter 는 전원의 전압을 올려야 할 때 사용됩니다.
Boost Converter 의 회로는 아래와 같습니다.

Boost Converter 또한 인덕터 1개, 다이오드 1개, 스위칭부분으로 이루어져 있습니다.
Boost Converter 는 아래의 그림과 같이 동작합니다.

먼저 스위치를 닫았을 때에는 인덕터와 스위칭 소자에 전류가 흐르게 됩니다. 이 때 1/2LI² 의 에너지가 인덕터에 저장되게 됩니다.
스위치를 떼면, 인덕터에는 역기전력이 발생하게 되는데, 그 기전력의 방향은 전원의 전압과 같은 방향이 됩니다. 따라서 전원의 전압과 인덕터에 생성된 전압이 직렬연결이 되어 부하측에 가해지게 됩니다.
스위칭이 되지 않으면 전원의 전압이 그대로 부하측에 가해지게 됩니다. 실제 회로에서는 리플 전압을 줄이기 위해서 콘덴서를 부착합니다.

브레드보드에 555 타이머 회로와 Boost Converter 회로를 꾸민 모습입니다. 스위칭용 트랜지스터는 C1815 를 사용하였습니다.

전원의 전압을 재어 보았더니 5V 가 나옵니다.

2차측에 부하를 걸지 않고 동작시켰더니 48V 까지 전압이 상승합니다. 이론상으로는 무한대로 상승시킬수도 있으나, 실제로는 어렵습니다.
블로킹 발진을 이용한 스위칭으로 만든 Boost Converter 회로는 아주 간단하므로 1.5V 로 LED 를 켜거나 하는 회로에 응용됩니다.


3. Buck-Boost Converter

Buck-Boost Converter 는 전압의 극성이 반전되면서 전압을 변환할 수 있는 회로입니다. 전압의 극성이 반대가 되므로 전원전압과의 직렬연결로 또다른 전압을 얻을 수도 있고, 양전원을 필요로 할 때에도 사용할 수 있습니다.
Buck-Boost Converter 의 회로는 아래와 같습니다.

Buck-Boost Converter 또한 인덕터 1개와 다이오드 1개, 스위칭소자 부분으로 이루어져 있습니다.
Buck-Boost Converter 의 동작은 아래 그림과 같습니다.

먼저 스위치를 닫았을때, 전류는 스위치와 인덕터를 통해서 흐르게 되고, 1/2LI²의 에너지가 인덕터에 저장되게 됩니다.
스위치를 열게 되면 인덕터에는 역기전력이 생기게 되고 그 기전력으로 인해서 생긴 전류는 인덕터와 다이오드를 통해서 부하에 가해지게 됩니다.
이 회로에서는 부하측에 전원의 극성과 반대인 전압이 가해지므로 전원 전압과의 직렬연결을 통해서 또 다른 전압을 얻을 수도 있고, (+),(-) 전압의 양전원을 얻을 수도 있습니다.
스위칭이 제대로 되지 않으면 부하에는 전압이 나오지 않게 됩니다. 또한 이 회로에서도 리플전압을 줄이기 위해서 콘덴서를 부착합니다.

Buck-Boost Converter 회로를 브레드보드에 꾸민 다음 전원을 가해 보았습니다. 전원 전압은 5V 입니다.
부하로는 12V 에서 사용하도록 만들어진 차량용 LED 모듈을 이용하였습니다.
스위칭용 트랜지스터는 A1015 를 사용하였습니다.

부하측에 가해진 전압을 재어 보았더니 9.9V 가 나옵니다. (+) 리드봉을 댄 곳이 전원 전압의 (-) 입니다.

부하측의 (-) 부분과 전원의 (+) 사이의 전압을 재었더니 전원의 전압과 부하측 전압이 합쳐진 전압이 측정됩니다.

이외에도 DC-DC Converter 에는 Fly-Back 방식이나, Charge-Pump 방식 등이 있습니다.

출처: http://thomson.tistory.com/440 글쓴이: 범상인

우유가 플라스틱이 되는 원리

우유 속에 들어 있는 단백질 가운데 약 80%가 카제인 단백질입니다.

이 카제인은 열이나 산에 굉장히 약해서 가열한다든가 식초를 넣게 되면 변성이 일어나 굳게 되는것을 이용하면 프라스틱을 만들수 있답니다.

 
이 카제인의 형상은 마치 구슬 같아서 "혼자 있는 분자"라는 뜻으로 모노머라고 합니다.

이 구슬이 모여 사슬 모양으로 연결이 되면 폴리머라고 합니다.

고로 카제인과 산의 반응은 아교처럼 접착성이 생기기 때문에 플라스틱을 만들 수 있으며,

이런 성질을 이용해 깨진 그릇을 붙일 수도 있는 접착제 역활을 합니다. 

정상 상태의 우유에는 이런 모노머 상태의 카제인이 둥둥 떠다니게 됩니다.

그렇지만 모노머가 폴리머로 변하게 하려면 식초를 넣으면 되는데,

그것은 음이온 상태의 모노머가 식초 속의 양이온인 산과 만나 모노머 상태의 카제인이 서로 달라붙어 폴리머로 변하게 됩니다.

물론 식초를 넣지 않더라도 오래된 상한 우유를 보면, 덩어리가 지는 것을 볼 수 있는데,

이런 현상도 같은 원리랍니다.
그 이유도 우유 속의 젖산균이 젖산을 만들어내 우유가 산성이 되므로 카제인이 응고되는 것입니다.

그래서 많이 상해서 덩어리진 우유에는 이미 응고가 일어났기 때문에 약간의 식초로도 플라스틱을 만들 수 있겠지만,

상한 냄새가 지독하니까 그리 추천 할만한 건 아닙니다.

그리고 참고로 말하자면 우유가 상하면 암모니아도 생기는데,

암모니아는 때를 잘 녹이는 성질이 있고 휘발성분도 있기 때문에 상한 우유로 타일이나 마룻바닥을 닦는데 사용하는게 낮겠지요...

그리고 천연가스나 석유로 만드는 플라스틱과는 다를것은 없읍니다.

어떻게 보면 우유로 만든 프라스틱이 요즘에 나오는 프라스틱의 원조라 할 수 있죠..

그래서 옛날에는 카제인으로 단추 같은 간단한 플라스틱을 만들어 사용했는데,

카제인으로 만드는 것보다 석유나 천연가스로 만드는게 값이 싸기 때문에 더 이상 만들지 않게 된 것이랍니다.

앞으로는 간단한 프라스틱 조형물이 필요하다면  아래와 같은 방법으로 만들어 보시길...

[실험방법]

1. 우유를 냄비에 넣고 적당히 뜨거울 때까지 끓인다.

   너무 끓으면 응고가 되므로 많이 끓이지 않도록 조심하자.

   (200ml는 한 3분 정도면 끓는다.)

2. 데워진 우유에 식초 1티스푼을 넣고 잘 저은 다음 식힌다.

3. 우유가 식어서 하얗게 알갱이가 생기면 체로 거른다.

   체가 없으면 못쓰게 된 스타킹을 이용하면 된다.

   이때 물기를 너무 많이 제거하면 빨리 건조되나 모양 만들기가 어렵고,

   너무 물기가 많으면 건조시간이 오래 걸리므로 적당히 조절하자.

4. 걸러 낸 내용물을 여러 가지 도구를 이용해 원하는 모양을 만든다.

   (반죽을 많이 하면 알갱이들이 잘 뭉쳐 원하는 모양을 예쁘게 만들 수 있다.)

 
5. 바람이 잘 통하는 장소에 놔둬 말리자.

   짧게는 2일 길게는 일주일 정도면 딱딱하게 굳는다.

   (드라이기나 전자레인지를 사용하면 빨리 만들 수 있다.)

[실험 동영상 보기]

글 : 김맑아 과학전문 기자

* 압력(Pressure) :

임의의 물체의 표면에 대하여 단위 면적에 가해지는 수직으로 받는 힘의 크기

압력단위 환산방법

수치는 알고 있는데 압력단위가 틀리게 나와서 당황스러운 일이 발생 할 수도 있지 않을까요??? 

현재 국내의 가스관계법 및 기타 법령에서 공식적으로 허용되는 압력단위는 국제표준규격에 맞는  파스칼(Pa)입니다.

따라서 그동안 가스산업현장에서 일반적으로 사용되었던 kg/cm2 또는 수주(水柱:mmH2O) 와는 어딘지 모르게 낯설고 그 크기가 어느 정도인지 짐작하기가 어려운 점이 있는 것도 사실이다.

그래서 암산으로도 간편하게 사용할 수 있는 환산방법을 소개한다.

우리가 보편적으로 알고 있듯이 kg/cm2은 수주인 mmH2O보다 큰 단위이다.

따라서, 통상적으로 큰 단위인 kg/cm2은 MPa로, 작은 단위인 mmH2O는 KPa로 상호 환산한다.

※ Pa앞에 붙이는 접두사

M은 Mega, 즉 100만을 뜻하며,

K는 Kilo, 즉 1,000을 뜻한다.
따라서 1MPa  = 1,000 KPa = 1,000,000Pa이며,

                            1 Kpa = 1,000Pa이다.

(1) kg/cm2 → MPa : 10으로 나눔
     kg/cm2 ← MPa : 10을 곱함
(예) 10 kg/cm2 ≒ 1 Mpa
1 kg/cm2 ≒ 0.1 Mpa
2 Mpa ≒ 20 kg/cm2
0.2 Mpa ≒ 2 kg/cm2

(2) mmH2O → Kpa : 100으로 나눔
     mmH2O ← Kpa : 100을 곱함
(예) 2,500 mmH2O ≒ 25 Kpa
         250 mmH2O ≒ 2.5 Kpa
33 Kpa ≒ 3,300 mmH2O
3.3 Kpa ≒ 330 mmH2O

이상과 같이 이러한 환산방법을 활용한다면 근사치로 압력단위 환산을 빠르고 간편하게 할 수 있으며,

막연했던 Pa단위의 수치가 과거의 kg/cm2 또는 mmH2O에 비하여 어느 정도의 크기를 가지고 있는지 판단할 수 있을 것이다.

물론 보다 정확한 환산방법은 다음과 같다. 

압력환산표

bar MPa atm kgf/ Ibf/ (psi) mHg InHg mAq (m O) KPa 1 0.1 0.9869233 1.0197162 14.503729 0.750064 29.530079 10.179162 100 10 1 9.8692327 10.197162 145.03729 7.50064 295.30079 101.97162 1000 1.01325 0.101325 1 1.0332275 14.695904 0.76 29.92126 10.332275 101.325 0.980665 0.0980665 0.9678411 1 14.2233 0.7355592 28.959025 10 98.0665 0.0689476 0.0068948 0.068046 0.070307 1 0.051715 2.0360222 0.7030717 6.8948 1.33322 0.133322 1.31579 1.359506 19.336662 1 39.370079 13.59506 133.322 0.0338638 0.0033864 0.0334211 0.0345315 0.4911538 0.0254 1 0.3453145 3.3864 0.0980665 0.0098067 0.0967841 0.1 1.42233 0.0735561 2.8959105 1 9.8067

(절대압)

             = 10.332m H2O(수두)

             = 10.332m aq(아쿠아)

             = 76cmHg ( 수은주 )

             = 14.7lb/in2 a ( 파운드퍼 스퀘어 인치 = psi )

             = 1atm

             = 1기압

             = 1013.25m bar( 밀리바아)

             = 1.01325 bar (바아)

             = 101325pa (파스칼)

             = 101.325kpa ( 킬로 파스칼)

             = 1013.25 hpa ( 헥토 파스칼)

             = 0.101325 mpa ( 메가 파스칼)