폐품의 재활용 - 블랙박스로서의 보조배터리팩 회로기판 (External Battery Pack Circuit as a Black Box)

초등학교 때, 처음 수학을 배우기 시작할 때 이런 그림 보았던 기억이 나시나요?

들어가는 숫자에 +4를 해서 출력하는 블랙박스(Blackbox)네요.

저 상자에서 어떤 일이 일어나는지 알 수는 없지만, 어쨌든 무엇인가 넣으면 일정한 규칙을 가지고 출력을 내어 놓고 있습니다. 이와 같이 내부의 원리는 알 수 없지만, 기능은 알고 있는 장치를 블랙박스(Blackbox)라고 합니다. 여기에서는 우리 집 차에 달려 있는 녹화장치(정확하게 이 장치는 차량용 녹화장치, 또는 Car DVR이라고 부릅니다)나 비행기의 비행기록장치를 의미하는 것은 아닙니다. 

우리가 분해한 폐품 보조배터리팩도 굳이 내부의 원리를 이해하지 못하더라도 재활용은 할 수 있습니다. 대략 어떤 부품들이 들어 있는지나 살펴볼까요?

분해하였던 보조배터리팩 회로에는 대략 이런 역할의 부품들이 들어 있네요. 부품 표면의 표식을 기초해서 인터넷 검색을 하면 찾을 수 있습니다.습니다

오른쪽 아래에 있는 DC-DC 컨버터(DC-DC Converter)라고 표시한 부분은 배터리 전압은 충전 상태에 따라서 계속 변하기 때문에 이것으로부터 5V의 일정한 전압을 만들기 위한 회로입니다. 

그 왼쪽으로 솔라 패널이 연결되는 부분(커넥터;Connector라고 부릅니다)의 왼쪽으로 있는 부품이 배터리를 충전하기 위한 회로를 구성하는 부분입니다. USB를 통한 5V나 솔라 패널에서 어느 쪽이든 전원이 있으면 충전회로로 연결이 되게 되어 있네요. 사진에서 녹색 원으로 표시한 부품이 다이오드(Diode)입니다. 다이오드의 일종인 LED(Light Emitting Diode)는 이야기했었죠? 전기적으로 유사합니다. 정방향바이어스(forward biased) 되었을 때에만 전기가 통하게 되어 있죠. 역시 정방향전압($V_F$;Forward Bias Voltage) 이상 되어야 정방향바이어스가 만들어지고요. 어떻게 USB를 통한 5V나 솔라 패널의 전원 중 하나만 있으면 충전회로로 연결이 되느냐는 그림처럼 연결이 되어 있기 때문이죠. 이것을 논리회로에서는 Wired-OR라는 이름으로 부르기도 합니다. 여기에서 다이오드를 언급하는 것은 다이오드가 이러한 용도로도 사용이 된다라고 이야기하고 싶어서요. 

처음 보는 회로 기호라고 당황하지 마세요. 처음 나오는 기호는 빨간색으로 무슨 뜻인지 표시해 두었습니다. USB 5V가 연결되지 않은 경우에는 다이오드가 정방향바이어스가 되어 솔라패널 출력이 충전회로로 연결이 됩니다. USB 5V가 연결이 되고, 솔라패널의 출력 전압이 높지 않은 경우에는 역방향바이어스가 되어서 전류가 흐르지 않습니다.

그 왼쪽 위로는 왼쪽 위에 있는 LED 2개를 켜기 위한 회로가 있네요. 또 그 왼쪽으로 다리가 14개 있는 부품은 OP-AMP, 다리 16개짜리 부품은 카운터(Counter)인데, 배터리 잔량을 표시하거나 보조배터리의 On/Off 동작을 하기 위한 회로 조합으로 보입니다. 그런데, 우린 뭐 별로 관심을 가지지 않아도 될 것 같습니다. 이 회로가 필요한 것은 아니니까요.

뭐 여러 가지 살펴보았지만, 뭐 내부야 어떻게 되든 별로 상관없습니다. 무슨 헛소리냐고요? 우리는 이 전체를 우리는 블랙박스로 생각해서 그냥 전체를 하나로 보면 되니까요. 그 전체가 어떻게 동작하는지 알고 활용하기만 해도 되니까요.

보조 배터리팩의 내부가 어떻게 되어 있든 바깥에서 각 기능만을 이해한다면 충분히 활용할 수 있습니다.

외부에서 5V를 가하거나 솔라 패널에 충분히 전압 출력이 나오게만 해 주면 리튬이온 배터리 충전할 수 있고, 그 충전된 배터리로부터 다시 5V를 얻어낼 수 있습니다. 5V 전원을 사용하는 휴대용 장치를 만들 수 있죠. 푸시버튼(Push Button)은 평소에는 열려 있다가(NO; Normally Open) 누르면 회로가 닫히는 스위치(Switch)입니다. 한 번씩 누를 때마다 5V 출력이 On/Off 되도록 동작하는군요.