전지를 전원으로 하는 전자기기를 설계하려면 사용할 전지의 전압 범위와 사용 가능한 최대 전류라는 기본 특성을 잘 이해해야 한다. 또 전지의 소모를 검출하는 회로와 전자기기의 안전성을 확보하는 보호 회로 등 일반적인 전원과는 다른 대책이 필요하며, 회로 전체의 저소비전력화도 관건이라 할 수 있다. 

이와 관련, 본지 특집에서는 배터리 기기용 회로 설계에 반드시 필요한 전지 전반의 기초 지식과 마이컴 주변 회로의 저소비전력화 기술, 즉시 사용할 수 있는 DC-DC 컨버터의 회로 예 등에 대해 해설한다.

전지를 안전하고 효과적으로 활용하기 위해

전지의 구조와 외장 파손 시의 주의점

망간 전지, 알칼리 전지, 니켈수소 전지의 구조

사진 1에 나타난 전극 구조만 보고 망간 전지와 알칼리 전지를 구별할 수 있을까? 똑같이 사용할 수 있는 전지라도 각각에 특징이 있다.

▲ 사진 1. 단3형 전지의 전극 부분

(이 외관만으로 망간 전지와 알칼리 전지를 구별하는 것은 어렵다)

액체 누설(누액)이나 단락사고 등의 예방을 위해 전지의 구조를 알아둘 필요가 있다.

1. 망간 전지의 구조

망간 전지의 구조를 그림 1에 나타낸다. 대부분의 망간 전지는 금속 외장이고, 그 외장 안쪽에 절연 필름이 있으며 또 그 안쪽에 마이너스극으로 된 캔 모양의 아연통이 있다.

▲ 그림 1. 망간 전지의 구조

플러스극으로 사용되고 있는 것은 탄소봉으로, 플러스극 캡의 안쪽에 있는 개스킷(패킹)으로 플러스극과 마이너스극을 절연 분리하고 있다. 전해액은 중성이다. 사진 2는 단3 망간 전지를 분해한 것으로, 외장 금속이 전기적으로 절연되어 있다는 것을 알 수 있다.

▲ 사진 2. 망간 전지의 분해 모습

2. 알칼리 전지의 구조

알칼리 전지의 구조를 그림 2에 나타낸다. 강알칼리성 전해액이 사용되고 있다. 외장 라벨을 벗기면 플러스극 단자와 연결된 금속 캔이 나온다. 플러스극 부분에는 이음매가 없다. 이 금속캔 전체가 플러스로 되며, 이 점이 망간 전지와 다른 점이다. 플러스극과 마이너스극은 마이너스극 측에 설치된 개스킷으로 절연되고 있다.

▲ 그림 2. 알칼리 전지의 구조

사진 3은 단3형 알칼리 전지를 분해한 것이다. 플러스극 금속이 전지 전체를 커버하고 있는 것이 보인다. 때문에 외장 라벨이 파손된 전지를 사용했을 때, 전지를 장착하는 상황에 따라서는 단락의 가능성이 나오게 된다(후술).

▲ 사진 3. 알칼리 전지를 분해한 모습

3. 니켈수소 전지

니켈수소 전지의 구조를 그림 3에 나타낸다. 부직포 세퍼레이터를 벗기면 플러스극의 니켈판과 마이너스극의 수소흡장합금이 샌드위치로 되어 있다. 이것이 감겨 마이너스극의 금속 캔에 채워져 있는 것이다. 니카드 전지도 마이너스극의 재료가 다르지만 같은 구조이다.

▲ 그림 3. 니켈수소 전지의 구조

플러스극과 마이너스극의 절연은 플러스극 캡 부분으로 되어있으며 외장 라벨을 벗기면 마이너스극이 나온다. 분해한 모습을 사진 4에 나타낸다. 충분히 방전한 다음에 해체한 것이지만, 전극재료가 단락, 발열하여 작업용으로 깔아둔 종이를 태워 버렸다(사진 5). 외장 라벨이 파손됐을 때에는 알칼리 전지와 반대로 마이너스극의 금속 캔이 노출된다.

▲ 사진 4. 니켈수소 전지를 분해한 모습

▲ 사진 5. 전극재가 단락, 발열하여 종이가 탔다

전지의 누액

망간 전지의 액체가 나오는 일은 거의 없다. 누액되지 않고 20여 년 동안 보관된 망간 전지를 발견하는 경우도 있다.

이용 빈도가 높아진 까닭도 있겠지만, 곤란한 점은 알칼리 전지의 누액이다. 전술한 구조에 의해 플러스극 측에는 개구부가 없으므로 마이너스극 측에 누액이 발생한다. 플러스극 측에 생기는 누액 흔적은 절연 필름 안쪽을 따라 나온 것이다(사진 6).

▲ 사진 6. 알칼리 전지의 액체 누출(누액)

전해액이 강알칼리이므로 누출될 경우 전지 홀더의 전극금속이 부식되며, 늦게 깨달을 경우 심각한 상태로 된다. 장기간 사용하지 않을 때에는 기구에서 전지를 빼두는 것이 누액 대책의 기본이다. 상용 기기에서는 전지의 상태를 자주 체크하는 수밖에 없다.

외장 라벨을 손상시켰을 때의 단락

망간 전지의 경우, 내부의 절연 필름을 외장 금속으로 지키고 있다. 때문에 전지 홀더의 형상에 의한 단락사고의 가능성은 거의 없다. 그러나 외장 절연이 필름뿐인 알칼리 전지나 니켈수소충전지, 니카드 충전지를 다룰 때에는 주의해야 한다.

사진 7(a)와 같은 금속제 전지 홀더 혹은 사진 7(b)와 같은 전지 배치, 사진 7(c)와 같은 금속통 형태의 손전등을 사용할 때 전지의 외장 절연 필름이 파손되면 단락의 위험이 있다.

▲ 사진 7. 알칼리 전지의 외장 절연 필름이 파손됐을 때 단락의 위험이 있는 예

충방전을 반복하며 장기간 사용하는 충전지에서는 낙하 등 가벼운 충격으로도 사진 8과 같이 외장 라벨이 절단되거나 말려 올라가는 경우가 있다. 전극금속이 노출되어 있고 그 장소가 나쁘면 단락사고로 연결된다. 금속제 전지 홀더에서는 전지를 끼워 넣는 금속을 통해 단락이 일어날지도 모른다. 전지의 외장끼리 접촉될 가능성이 있는 형상의 전지 홀더에서는 그림 4와 같은 단락이 발생할지도 모른다. 금속제 손전등에서 외장 절연 필름이 벗겨지는 것은 치명적이다.

▲ 사진 8. 충전지를 장기간 사용하면 충격에 의해

외장 라벨이 파손되는 경우가 있다.

▲ 그림 4. 외장끼리 접촉할 가능성이 있는 형상의 전지 홀더에서 발생할 수 있는 트러블

외장 라벨이 파손된 건전지나 충전지는 사용하지 않도록 하고 또 단락의 위험이 없는 전지 홀더라는 것을 확인하고 사용해야 한다.

단3형 니켈수소 전지의 열화 실험

디지털 카메라의 전원에 사용된 단3형 니켈수소 전지 HR-3UG(산요전기)의 열화 상태를 소개한다. 이 카메라 DiMAG7i(미놀타)는 단3형 전지 4개로 동작한다. 대략 4.6V까지 전압이 저하되면 전압 감소 경보가 울리며 연사 조작을 할 수 없게 되고, 4.4V까지 내려가면 자동적으로 셧다운 되는 사양이다. 최소한 4V(전지 1개당 1V)까지라도 사용하고 싶지만, 낡은 카메라이므로 어쩔 수 없다.

카메라를 구입한 초기에는 2,000mAh 클래스의 니켈수소 전지가 주류를 이루고 있었다. 그로부터 대용량화가 진행, 충분히 도움이 되었다. 그러나 그러한 전지도 충방전을 반복하는 동안 열화가 시작된다. 그 모습을 방전 그래프와 함께 소개한다.

방전기(1)는 직접 제작한 것인데, 전지전압 저하를 1분 단위로 기록하여 FET에서 스위치하는 1Ω의 저항으로 방전, 4개의 전지를 독립적으로 제어한다(사진 9). 정저항 방전이지만 측정전압에서 추측한 전류를 적산하여 mAh값을 산출, 표시하고 있다.

▲ 사진 9. 실험에 사용한 방전기

1. 신제품(미충전)의 방전과 처음 충전 후의 방전

구입한 후 아직 한 번도 충전하지 않은 전지를 방전한 것이 그림 5, 그리고 처음 충전한 후에 방전시킨 것이 그림 6이다. 4개 모두 특성은 분산되지 않았다. 1.15V 이상을 유지하고 있는 시간도 길어 안심하고 사용할 수 있다.

▲ 그림 5. 신제품(구입한 후 아직 한 번도 충전하지 않음) 전지의 방전 특성

▲ 그림 6. 처음 충전한 후의 방전 특성

(4개 모두 특성이 흐트러지지 않았다. 1.15V 이상을 유지하는

시간도 길기 때문에 안심하고 사용할 수 있을 것 같다)

2. 충전 후 방치하여 자기방전을 본다

충전한 다음 방치해 놓고 어느 정도 자기방전이 있는지 확인해 보았다. 4개를 한데 모아 충전하고 그 직후에 1개를 방전시켜 특성 기록, 이어서 1주 후, 2주 후, 4주 후에 1개씩 방전시켜 데이터를 얻은 것이 그림 7에 나타난 그래프이다.

▲ 그림 7. 4개 모두 충전한 후 1개씩 방전시킨 방전 특성

(Bat1 : 충전 직후에 방전, Bat2 : 1시간 후 방전,

Bat3 : 2주 후 방전, Bat4 : 3주 후 방전)

14회째는 충전 후, 3주간 방치하고 4개를 모아 방전시켰다(그림 8). 1.15V 이상을 유지하고 있는 기간도 길고 4개 모두 특성이 갖춰져 있었다. 또한 이 실험은 2006년 말부터 2007년 초봄에 걸쳐 시행되었다.

▲ 그림 8. 충전 후 3주간 방치한 후 4개 모두 방전시킨 방전 특성

(14회째 방전. 1.15V 이상을 유지하는 기간도 길고 4개 모두 특성이 일치한다)

3. 38회째 방전에서 열화의 징조가 나타났다

어떤 이벤트를 촬영하다가‘앗, 전압감소경보가 빨리 울리네’라고 생각하며 이 전지의 열화를 알아차렸다. 일단 방전시킨 후 충전하고 그 후에 방전 특성을 구한 것이 이 그래프이다. 38회째 방전되었다. 충전 직후 이와 같은 상태에서는 내 카메라를 사용할 수 없다(그림 9).

▲ 그림 9. 38회째 충전 직후의 방전 특성

39회째 방전은 충전 후 2일간 방치한 다음부터 시행했다. 전지간 분산도 크게 되어 있다(그림 10).

▲ 그림 10. 39회째 충전 직후의 방전 특성 (충전 후 2일 방치)

그림 11은 충전 후 5일간 방지한 다음에 시행한 40회째 방전이다. 방전 유지시간은 그런 대로 있으므로 에너지는 축적되어 있지만, 전지의 내부저항이 커져 있을 것 같거나 전압강하가 심해져 대전류가 필요한 기기에서는 사용할 수 없다.

▲ 그림 11. 40회째 충전 직후의 방전 특성 (충전 후 5일 방치.

전압 하강이 심해져 대전류가 필요한 기기에서는 사용할 수 없다)

열화의 징조를 감지한 것은 2007년 초겨울이었으며, 대략 1년 밖에 사용할 수 없었다. 충방전 횟수는 40회였다.

4. 열화는 내부저항의 증대

열화된 후에도 무부하라면 1.35V 이상의 전압이 나온다. 또 0.3A 정도의 경부하라면 0.1V도 드롭되지 않는다. 그것이 0.5A 이상의 전류를 나오게 하려고 하면 전류가 급속히 떨어져버리는 것이다.

전지에 에너지가 축적되어 있지만 내부저항 증대이기 때문에 전류가 나오지 않는 상태일 것이다. 방치 시의 자기방전도 에너지가 빠져나간다는 것보다 내부저항이 날마다 커지는 까닭에 방전전압이 내려가는 것이라 추측할 수 있다. 이와 같은 열화상태로 되면 ‘전지를 리프레시 방전’해도 회복되지 않는다.

또한 충전조작에도 영향이 나타난다. 급속충전기에서 충전할 수 없다는 현상이 나타난다. 내부저항 때문에 충전 시의 전지전압이 상승하여 급속충전기의 전압 상한 체크에 걸리게 될 것이 다. 완전 충전되지 않았는데 충전이 끝나버려 충전이 진행되지 않는다. 그러나 급속충전기가 아닌 옛날 그대로의 10시간율 충전기를 사용하면 충전은 가능하다. 어느 정도 충전이 진행된 후에는 급속충전기로도 충전이 가능해진다.

전지 홀더는 구조와 형상에 주의해서 선택한다

배터리 기기에서 빠질 수 없는 것이 전지 홀더이다. 현재, 다양한 전지 홀더(사진 10)를 구할 수 있지만 사용 시 몇 가지 주의해야 할 사항이 있다.

▲ 사진 10. 구입할 수 있는 다양한 단3형 전지용 전지 홀더

1. 전지 홀더의 역삽입 방지 구조

일부의 전지 홀더는 전지의 ＋/－를 반대로 장착했을 때, 회로에 역전압이 인가되지 않는 구조로 되어 있다. 사진 11에 플러스 극 측 단차를 나타낸다. 사진 12와 같이 역삽입했을 때, 이 단차에서 전지의 마이너스극과 플러스극 단자의 접촉을 끊어 회로에 역전압이 가해지지 않도록 하는 구조이다.

▲ 사진 11. 전지 홀더의 역삽입 방지 구조

▲ 사진 12. 망간 전지를 역삽입한 모습

그러나 전지의 마이너스극 형상에 따라 이 구조가 제대로 작동하지 않는 경우도 있다. 전지의 마이너스극이 나와 있는 알칼리 전지의 경우, 역삽입했을 때 이 단차가 있어도 마이너스극이 단자에 접촉돼 버린다(사진 13). 역삽입 방지 구조가 있다고 해서 안심할 수만은 없다.

▲ 사진 13. 마이너스극이 돌출되어 있는

알칼리 전지를 역삽입한 모습

2. 역삽입 방지 구조가 접촉불량의 원인이 되는 경우도 있다

또 한가지, 구조에도 주의가 필요하다. 이 단차 때문에 전지를 맞게 장착했음에도 불구하고 플러스극이 단자에 닿지 않는 경우가 있다. 사진 14와 같이 망간 전지를 넣었을 때에는 괜찮지만, 니켈수소 전지를 넣으면 플러스극과 단자간에 틈새가 생겨 닿지 않는다(사진 15). 니켈수소 전지 플러스극의 높이가 부족하기 때문이며, 전지의 어깨부분이 역삽입 방지 구조에 해당된다.

▲ 사진 14. 망간 전지를 삽입한 모습

▲ 사진 15. 플러스극 캡의 높이가 부족한 니켈수소 전지를 삽입한 모습

언뜻 보기에 괜찮을 것 같지만, 이 구조가 문제되어 충분한 접촉을 얻을 수 없는, 예기치 못한 트러블의 원인이 된다. 사용하는 전지 홀더의 형상에는 주의를 기울여야 한다.

전지 홀더 레그 단자의 과열에 주의한다

수지제 전지 홀더에 리드선을 납땜했을 때, 래그 단자(사진 16)의 취급에 주의해야 한다. 사진 17과 같이 전지가 접촉되는 안쪽 전극부분과 래그 단자의 접속에 홀드패스트가 사용되고 있다.

▲ 사진 16. 전지 홀더의 래그 단자

▲ 사진 17. 래그 단자를 고정하는 고리 형태의 금속

리드선을 납땜하여 빼낼 때, 이 부분을 과다 가열하면 수지가 연화된다. 때문에 전극과 래그 단자의 접촉이 불안정해져 버린다. 수지가 차가워져 경화된 후 체크해 보기 바란다. 홀드패스트가 헐거워진 것 같다면 문제이다.

1. 납땜 전후의 접촉저항

사진 18은 납땜 전의 접촉상태를 조사하는 모습이다. 플러스 극 단자에 전류 1A를 흘리고 그 부분의 전압강하를 보고 있다.

대략 10mΩ의 저항이 있다는 것을 알 수 있다. 전지 홀더에 장착되어 있는 검은 것은 더미 전지이다.

▲ 사진 18. 납땜 전의 접촉 상태 측정. 접촉 저항은 10mΩ

사진 19는 리드선을 납땜한 후의 모습인데, 래그 단자 주변의 수지가 느슨해질 정도로 가열했다. 사진에서는 대략 3배의 접촉저항으로 되어 있지만 래그 단자를 움직이면 접촉 상태가 변한다.

▲ 사진 19. 납땜 후의 접촉 상태 측정. 접촉 저항은

34mΩ으로 납땜 전의 3배

2. 전지를 장착한 채 납땜해서는 안 된다

또 전지를 장착한 채 납땜하면 스프링 전극의 압력으로 전지가 눌리고, 가열에 의한 연화로 래그 단자 주변의 수지가 나빠져 버린다.

이와 같은 전지 홀더의 납땜은 다시 실행하기가 어려운 만큼 신중한 작업이 요구된다. 아무쪼록 지나치게 가열되지 않도록 해주기 바란다.

경우에 따라서는 홀드패스트와 래그 단자를 납땜해 버린다. 이 경우, 땜납의 플럭스가 전극부분에 부착되지 않도록 주의하기 바란다.

전지 홀더 전극의 저항은 50m~200mΩ이나 된다.

1. 코일 스프링 전극의 전기저항

배터리 기기에서는 약간의 저항이라도 동작시간에 영향을 미칠 수 있다.

의외로 간과하기 쉬운 것이 전지 홀더 전극의 저항이다. 시판 제품 중 구할 수 있는 대부분의 전지 홀더의 마이너스극 측 전극에는 코일 스프링(도금한 피아노선을 스프링 형태로 가공한 것)이 사용되고 있다(사진 20).

▲ 사진 20. 전지 홀더의 마이너스극 측 전극에 사용되는 코일 스프링

몇 개의 전지를 직렬로 하여 사용할 때, 이 코일 스프링 전극의 전기저항이 영향을 미치는 경우가 있다.

또 대부분의 전극에서 접속선을 꺼내는 데 홀드패스트가 사용되고 있어 이 접촉 상태에도 신경이 쓰인다. 그래서 전극의 저항을 측정해 보았다.

2. 전극의 저항을 측정한다

전극에 직류 1A를 흘려 전압강하를 측정했다. 4단자법으로 측정하여 클립의 접촉저항이나 접속 전선의 저항은 무시할 수 있다.

(1) 코일 스프링 접속 전선의 납땜 단자까지의 저항

사진 21은 코일 스프링에서 접속 전선 납땜 단자까지의 저항을 측정하는 모습이다. 50m∼60mΩ이라는 값으로 되어 있다.

▲ 사진 21. 코일 스프링에서 접속 전선 납땜 단자까지의 저항 측정

실제로 전지를 장착하면 코일 스프링이 수축되어 코일부분이 각각 접촉되므로 저항은 작아지는 방향으로 된다. 그러나 예상과 달리 내려가지 않는다. 거의 변화 없이 양호하며 2/3 정도밖에 되지 않는다.

(2) 코일 스프링을 구성하는 피아노선의 저항

사진 22는 전지 홀더에서 코일 스프링 전극을 벗겨내고 단체로 측정하는 모습이다. 코일 스프링을 구성하는 피아노선 그 자체가 저항으로 되어 있다.

▲ 사진 22. 코일 스프링 전극 단체에서 저항 측정

(3) 코일 스프링과 판 스프링의 비교

사진 23은 마이너스극 단자가 코일 스프링이 아닌 판 스프링으로 된 전지 홀더를 조사한 모습이다. 코일 스프링이 사용된 경우보다 저항이 낮아 1/2∼1/6의 값으로 되어있다.

▲ 사진 23. 마이너스극 단자가 판 스프링 타입인 저항 측정

(4) 전지 스냅의 저항

전지 홀더를 떼어낼 수 있도록 하기 위한 전지 스냅(사진 24)도 신경이 쓰이는 곳이다. 사진 25는 코일 스프링 전극에서 전지 스냅의 리드선을 포함하여 측정한 값이다. 예상 밖으로 큰 저항이었다. 사진 26은 전지 스냅 단체로 측정한 값이며 가는 리드선의 저항이다.

▲ 사진 24. 전지 스냅과 전지 스냅 대응의 전지 홀더

▲ 사진 25. 코일 스프링 전극부터 전지 스냅의 리드선을

포함하여 저항 측정

▲ 사진 26. 전지 스냅 단체에서 저항 측정

사진 27은 코일 스프링 전극에서 전지 스냅 접속 캡까지의 저항이다. 큰 저항값으로 되어있었다. 갖고 있던 전지 홀더 몇 개를 시험해봐도, 이렇게까지 큰 값을 가진 것은 없었다.

▲ 사진 27. 코일 스프링 전극에서 전지 스냅 접속 캡까지의 저항 측정

코일 스프링과 접속 캡을 코킹하고 있는 부분이 나쁜 게 아닌지 추측할 수 있다. 그러나 누르거나 늘려도 큰 변동이 없으므로 접촉불량을 일으킨 것은 아니다.

(5) 3연 타입 전지 홀더의 중간 접속단자 저항

단3 전지 3연 타입의 전지 홀더에서 기울어진 중간 접속단자(사진 28)의 저항을 측정해 보았다(사진 29). 전극 스프링이 늘어나 접속선으로 사용되고 있다. 이 부분의 저항이 커져 있다.

▲ 사진 28. 중간 접속선을 사용하고 있는 3연 타입의 전지 홀더

▲ 사진 29. 중간 접속단자의 저항 측정

3. 코일 스프링 전극의 전지 홀더를 사용할 때 주의해야 할 점

① 전지의 수만큼 스프링의 저항이 직렬로 들어간다. 미소전류에서는 별 영향이 없지만, 큰 전류를 다루는 전원에 사용할 경우에는 전압강하에 주의해야 한다. 예를 들어, 전지 4개에서 정격 6V, 코일 스프링 전극의 저항을 50mΩ이라고 하면 4개 분에서 0.2Ω이고, 전원전류 0.5A에서 스프링 부분만 0.1V의 전압강하가 발생한다.

② 전극과 전선 접속단자(래그 단자나 전지 스냅 등)의 코킹 부분도 주의해야 한다. 땜납 인두의 열 등으로 전지 홀더가 변형(열로 수지가 연화)되면 코킹압이 약해져 이 부분의 접촉저항이 증가하거나 불안정해지는 경우가 있다.

③ 도금된 스프링 전극이 접속단자로 나온 전지 홀더인 경우, 납땜의 열로 도금이 모재에서 박리되는 경우가 있다. 도통이 불안정해지는 등 예기치 않은 영향이 발생한다.

④ 대전류를 다루는 기기에서는 판 형태의 전극이 사용된 전지 홀더를 선택하는 쪽이 좋을 것이다.

本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌(2008年6月號)와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.