아두이노 NodeMCU 또는 우노로 전해 캐패시터의 충전 전압을 모니터링 하자.

캐패시터(콘덴서)의 전기 저장 원리를 파악하여 아두이노 NodeMCU에서 시리얼플로터 기능을 이용하여 시각적으로 캐패시터의 충전 전압 거동을 살펴보도록 한다.

그림은 전해 캐패시터의 구조이다. 전해 또는 전해질(electrolyte)이란 전압이 가해지면 전기적인 극성으로 분극되거나 이온화 해버리는 물질을 말한다.

납배터리의 경우에는 분극 정도가 아니라 아예 물속에서 황산이 이온화 되어 떨어져 나가기도 한다. 캐패시터에서는 그 정도는 아니며 그림에서처럼 떨어져 나갈 듯한 상태로서 배열된다.

이 전해 물질이 있을 경우 없는 경우에 비해서 훨씬 많은 전하를 저장할 수 있다. 전해 캐패시터와 일반 캐패시터와의 차이점은 전기적인 극성이 있다는 점이다.

캐패시터에 전압을 가하여 전류를 흐르게 하고 전기 에너지를 저장하는 방법은 공기통에 공기를 압축해 넣는 과정과도 비슷하다. 압축 펌프와 공기통 사이에 기압차가 커야 공기가 통으로 흘러 들어간다. 유량은 압력차의 루트에 비레한다. 반면에 전기에서는 그대로 옴의 법칙에 따라 전압차에 비례한다.

이미 미세먼지 측정기 빵판 배선에서 220uF 용량의 전해 캐패시터가 이미 사용되었다.  이 회로 배선과 유사한 배선에 의해 전해 캐패시터를 충전 과정을 그래픽 플로팅에 의해서 관찰해보자.

아두이노와 NodeMCU 내부적으로도 PULLUP 저항이라고 해서 큰 저항이 포함되어 있으나 초보자들이 이해하기 어려울듯하다. 알기 쉽게 100K옴 저항과 캐패시터를 직렬로 연결하는 아래와 같은 회로를 구성한다.

전기 저항과 전해 캐패시터 사이에서 아날로그 채널 A0 와 연결하고 있으나 아날로그 채널 A0 내부에 대단히 큰 전기 저항이 있어서 아날로그 전압은 가해지나 실제로 흐르는 전류는 거의 없다고 보면 된다. 그래서 결국 전기 저잘

과 전해 캐패시터는 직렬 연결된 회로를 구성하게 되는 것이다.

이회로는 NodeMCU 보드에 배선된 이 회로는 아두이노 우노 보드에도 수정 없이 그대로 적용할 수 있다는 점을 지적해 둔다.

이 블로그에서는 아두이노 우노 보드나 NodeMCU 보드 배선을 이용해서 코딩에 의해 그 결과를 관찰해 보도록 한다.

캐패시터 양단에 3.3V를 가할 수 있도록 NodeMCU GPIO 5번 핀(아두이노 우노에서도 5번 핀)을 배선하고 pinMode()를 출력(OUTPUT) 상태로 설정한다. 동시에 digitalWrite() 명령에 의해 HIGH로 두어 3.3V를 가한다.

loop()문에서 analogRead() 명령에 의해 0∼1023 범위의 정수 형 전압 값을 얻어내어 시리얼 모니터 또는 시리얼 플로터에 출력한다.

코드가 워낙 짧으므로 직접 입력하기 바란다.

처음에는 시리얼 모니터 관찰에 의해 숫자를 읽은 다음 다시 시리얼 플로터로 관찰하는 것이 좋을 듯하다. 쉽게 다음과 같은 그래프를 얻을 수 있을 것이다.

약 90초를 소모하여 거의 1023 기준 775 수준에 도달하며 전압으로 환산하면 2.5V 가 된다.이때부터는 더 이상 전압 증가를 관찰하기 힘들어 진다. 실제 멀티메터로 측정해본 결과 거의 비슷한 2.57V 가 측정되었다. 실제 전압으로 환산하기 원한다면 3.3*analogRead(A0)/1023.0 으로 코드를 수정하면 된다.

이 캐패시터 및 전기저항 배선에서 최종 전압을 멀티메터로 측정한 결과 캐패시터 및 직렬 연결된 전기 저항에 가해진 전체 전압은 3.3V 이며 캐패시터만의 전압은 2.5V 로 측정되었다. 즉 100K옴 저항에도 0.8V의 전압이 걸려 있는 상태이다.

 

이 실험의 기본 전제로서 아날로그 채널A0에서 전압 모니터링에 따른 전류 흐름이 거의 없는 것으로 가정했었으나 실험 결과 무시 못 할 정도라는 결론이 얻어진다. 즉 캐패시터는 더 이상의 전압 변도이 없으며 아울러 전류 흐름이 없는 상태에 도달해 있으나 100K옴 저항에 0.8V의 전압이 걸려 있다는 점은 그림의 붉은 색 화살표처럼 미약한 전류가 아날로그 채널 A0로 흘러 들어간다는 결론이다. 옴의 법치으로 이 전류 값을 계산해 보면 E = I⚫R에서 I 값을 계산하면 0.008mA 즉 0.01mA 수준으로 대단히 작은 값일지도 모르겠으나 고급 오실로스코와 같은 측정기 기준으로 본다면 그리 작은 값은 아닌 듯하다.