일렉트릭 기타 이펙터로 Line6사의 POD 1.0을 사용하고 있는데 전원입력이 특이하게도 DC가 아닌 9V AC이다. 배터리로도 사용 가능하도록 개조해 보려고 이펙터 본체 배를 따고 내부를 들여다 보니 7815와 7915 두개를 사용해 ±15VDC를 만들고 있었다. POD 1.0과 유사한 POD 2.0의 서비스 매뉴얼을 구해 전원 입력부 회로를 보니 9VAC를 입력받아 Charge-Pump회로를 이용해 승압시키고, 7815와 7915를 사용해 ±15VDC 전압을 만들어 내부 신호 처리 구동용으로 사용하고 기타 78xx 시리즈들로 5V, 3.3V 등을 만들어 내부 로직 전원을 만들고 있는 구조였다 [Fig. 1].
±15VDC 양전원을 배터리로만 구성하려면 직렬 연결 수도 많아지고 충전도 번거롭다. 차량용 인버터를 개조하여 적용해 보기로 했다. 개조 방식은 '12VDC -> 110VAC' 인버터를 '12VDC -> 12VAC'로 개조를 하는 것이다. 먼저 개조에 사용할 인버터를 분해하여 내부 구성을 확인하는 것으로 시작 한다.
I'm using POD 1.0 electric-guitar effector, but it's not usable without AC wall adaptor since it accepts only 9V AC power for input. As you can see the power input schematics from the service manual, charge-pump circuits are applied to generate ±15VDC with 7815 and 7915 linear regulators for analog signal conditioning [Fig. 1]. Also you can see other 78xx series in the power section schematic for digital logics such as DSP unit.
(Above service manual is for POD 2.0 not for POD 1.0, but the power input schem. is same)
So, I decided to modify a small car inverter from '12VDC -> 110VAC' to '12VDC -> 12VAC' to make my POD 1.0 works with battery.
[Fig. 1] POD's Power Input Section
[Fig. 2] Target Car Inverter (12VDC to 110VAC)
[Fig. 3] 150Vp Output of the Inverter (5V-Div. with 10x Probe, 5ms-Div.) 사용 할 인버터는 80W급으로, 비교적 소형에 안성맞춤이다. 인버터 동작을 위한 주요 구성품들을 확인해 보니 HRF3205 FET 2개, IRF640B FET 4개, KA7500B PWM 제어기 2개, LM358 OPAmp. 1개, 그리고 Boost Converter용 트랜스포머 1개로 구성되어 있었다. KA7500B PWM 제어기 1개와 HRF3205 FET 2개 및 트랜스포머로 약 150V까지 Boost Converting을 하고 정류기로 정류한 다음, IRF640B FET 4개로 구성된 H-Bridge에 인가하여 50~60Hz 110VAC로 변환하는 방식이었다. 나머지 KA7500B PWM 제어기 1개는 H-Bridge 구동용이고, OPAmp.는 입력 전압 확인용으로 파악 된다. 인버터에 5VDC 출력 기능이 있는데 이를 위한 7805도 부착되어 있었다.
개조 방식은 단순하다. 50~60Hz 출력용 H-Bridge의 DC-Bus에 Boost Converting된 High-Voltage대신 12VDC를 인가해 주면 된다. Boost Converting용 소자들은 모두 필요 없으므로 KA7500B 1개, HRF3205 2개와 트랜스포머는 모두 걷어내면 된다. 하지만, 나중에 마음이 바뀌어 110VAC 인버터용으로 다시 사용하게 될 수도 있기에 트랜스포머만 제거하고 개조를 진행 하였다. 트랜스포머 제거 후, [Fig. 8]과 같이 H-Bridge의 DC-Bus +측에 입력 전압인 12VDC의 +측을 연결해 주는 것만으로 개조는 간단하게 끝났다. 배터리 입력은 4.2V 리튬 베터리 3개를 직렬 연결하여 적용 하였다.
[Fig. 2] shows the target inverter which is small enough with 80W output capability and I performed an autopsy on this inverter to make modification plan. It has 2 of KA7500B PWM controller, 2 of HRF3205 FETs, 4 of IRF640B FETs, 1 LM358 OPAmp. and a transformer for boost-converting. I figured out that a KA7500B PWM controller is dedicated to control the H-bridge (4 IRF640Bs) to generate 50~60Hz alternating current and another KA7500B PWM controller is works for boost-converting to generate 150V high-voltage with 2 HRF3205s and a transformer. This high-voltage is fed to the DC-bus of the IRF640B H-bridge after rectified to direct current.
As you can see [Fig. 6], target inverter's internal structure has been identified. The modification strategy is quite simple, just remove all boost-converting elements and apply 12VDC power to the DC-bus of the IRF640B H-bridge circuit. I just removed only boost-converting transformer and kept it for recovery. My modification was finished just after connected the positive line of the 12VDC input to the positive line of the H-bridge DC-bus. That's all [Fig. 8].
The battery pack is assembled with 2P-3S (2-parallel, 3-series) connected 18650 lithium cells.
[Fig. 4] PCB Top Side
이제 이펙터가 개조된 인버터와 배터리만으로 정상 동작하는지 확인 하면 되는데, 파손의 우려가 있으므로 개조된 인버터의 출력 특성을 간단하게 먼저 확인하는 절차를 거쳤다. 우선, 원래 사용되는 9VAC 어댑터의 출력 특성을 확인해 봤다. [Fig. 13]과 같이 깨끗한 정현파가 관찰되고 14Vp (28Vpp), 9.7Vrms로 측정된다. 개조된 인버터의 출력은 [Fig. 9]와 같이 정현파가 아닌 구형파로 관찰이 된다. H-Bridge의 DC-Bus는 입력 전압과 동일하므로, 피크 전압은 입력 전압을 따라 간다. 또한 구형파의 형태이므로 RMS 값은 거의 입력 전압과 유사하다. 이펙터 전원 입력부는 커패시터 및 다이오드로 Peak-to-Peak Charge Pump를 하고 7815 및 7915로 정류를 거치게 되므로 정현파가 아니더라도 문제 되지는 않는다. KA7500B PWM 제어기는 최소 전압이 10VDC이므로 셀당 3.3VDC에서 동작이 멈춘다. 배터리 에너지가 충분히 사용되는것으로 볼 수 있다. 최대 전압은 12.6VDC (셀당 4.2VDC) 이므로, 이펙터에 가해지는 전압 범위는 약 10.0Vrms ~ 12.6Vrpm가 된다. 이펙터 7815/7915에 입력되는 전압은 각각 +20VDC ~ +25.2VDC와 -20VDC ~ -25.2VDC가된다. 7815 및 7915의 입력 범위는 최대 ±30 ~ ±35VDC 정도 되므로 정격 범위에 든다는 것을 이론적으로 확인 할 수 있다. 이제 이펙터에 연결하여 동작되는지 확인하면 된다.
Now, battery power source is ready to play with POD 1.0 but before connect it, simple calculus should be performed for safety. Initially, I've checked out the original 9VAC wall adaptor. The adaptor's output is pure sine wave with 14Vp (28Vpp) and 9.7Vrms. My power source has square wave, so the RMS voltage value is almost same as input voltage value. But because of the Peak-to-Peak Charge-Pump circuit with 7815/7915 regulator in the POD 1.0, the waveform shape doesn't matter.
The KA7500B PWM controller works at least 10V, it means that discharge would be occured until 3.3V per cell therefore, the lower-bound limitation charaterisic is good enough. The maximum output is 12.6V (4.2V per cell) and this is doubled by Charge-Pump, so the input voltages of the 7815 and 7915 are +25.2VDC and -25.2VDC. The input maximum tolerance of the general 78xx series linear regulator is form 30VDC to 35VDC, so the upper-bound limitation chratoristic is also good for safety.
[Fig. 5] PCB Bottom Side
[Fig. 6] Simplified Block Diagrams
[Fig. 7] Block Diagram for Modification
[Fig. 8] PCB Modification
[Fig. 9] 13VAC Output Test with 13VDC Input (5V-Div., 5ms-Div.)
[Fig. 10] 2P-3S Battery Pack
[Fig. 11] Final Result
[Fig. 12] Original Line6 Wall Adapter
[Fig. 13] Output of the Wall Adapter (5V-Div., 5ms-Div.)
[Fig. 14] RMS Measurement of the Wall Adapter's Output
[Fig. 15] Fully Charged Battery Level (Inverter Input)
[Fig. 16] RMS Measurement of the Modified Inverter's Output (Full-Chg.)
[Fig. 17] Integration Test (Only Battery Powered Instrumental Set)
[Fig. 17]과 같이 실제 기타와 앰프를 연결하고 테스트를 진행해 봤다. 크게 소리의 변화는 느끼지 못했으며 잘 작동 되었다. 이펙터 동작시 배터리 소비전류는 약 500mA정도로 계측 되었다. [Fig. 10]과 같이 18650배터리를 2P-3S로 구성했는데 18650 용량이 보통 2000mA~3000mA 정도 이므로 대략 7-8시간 정도 연속 사용이 가능 할 것으로 기대 된다.
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It's time to go. [Fig. 17] shows the integration test with battery powered guitar amplifier. There are no sound differences between wall adapter and the modified inverter. Approximately 500mA current consumption was measured in normal operation, therefore almost 7hr. ~ 8hr. operation time could be expected.
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