본 발명은 직류 단전원을 사용하는 조절식 아날로그 전자스위치 회로에 관한 것으로, 여기전압을 공급하는 레귤레이터; 상기 레귤레이터로부터 출력되는 신호를 감지하여 출력신호를 출력하는 브리지 형태의 스트레인 게이지 센서; 상기 레귤레이터로부터 입력되는 신호에 근거하여, 서지, 방사 잡음 및 스위칭 잡음를 차단시키는 EMI 필터회로; 기준전압을 발생하는 기준전압 발생부; 상기 브리지 형태의 스트레인 게이지 센서로부터 입력되는 신호를 증폭하여 출력하는 차동 증폭기; 상기 차동 증폭기로부터
입력되는 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기; 상기 기준전압 발생부로부터 입력되는 신호가 설정된 아날로그 값에 도달 시 출력신호를 발생시키고 이 출력신호를 조절하는 전위차계(電位差計)(Potentiometer); 상기 증폭기 및 상기 전위차계로부터 입력되는 신호를 비교하는 비교기; 상기 스트레인 게이지 센서, 상기 차동 증폭기, 상기 증폭기 및 상기 비교기로부터 입력되는 신호에 근거하여, 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로; 상기 비교기에서 설정 포인트를 넘는 출력이 발생하면, 일정한 레벨의 신호를 공급하여 다른 제어기로 원하는 아날로그 값이 도달했음을 알려주는 디지털 신호를 발생시키는 출력신호 스위칭부를 포함한다. 직류 단전원을 사용하는 조절식 아날로그 전자스위치 회로{An Adjustable Analog Electronic Switch Circuit Using A Single Direct Current Power Source} 본 발명은 아날로그 전자스위치 회로에 관한 것으로, 특히 자여 발진(SELF OSCILLATION)이 발생할 위험을 제거할 수 있는 직류 단전원을 사용하는 조절식 아날로그 전자스위치 회로에 관한 것이다. 현재 센서신호를 증폭하여 각종 센서를 개발하는 전용 IC가
다수 존재하여 대부분의 설계 엔지니어는 이를 사용하여 개발시간을 단축시키고, IC 제조회사에서 각종 잡음 대책 등을 이미 마련하여 칩 하나에 내장시키는 기술이 대중화되었다고 판단된다. 하지만, IC 집적화에 따른 전용 IC는 가격이 비싸기 때문에 현재 가격 경쟁력을 낮추는 실정이다. 본 발명에 따른 이 전자스위치 회로를 개발하면서 독일의 3개 회사의 제품을 분석해본 결과, 2개 회사에서 제조한 제품은 본 발명에 따라 최초 제작한 완제품의 단가보다 약 2배 비싼 IC 칩(CHIP)을 사용하여 제작한 것을 확인하였으며, 또한 그것들은 원하는 값으로 설정되는 타입도 아닌 고정형이었다. 나머지 한 회사의 제품은 원하는 값으로 조절은 되나 조절하는 부위를 만들기 위한 금형이 최소 8개 정도 소요된 것으로 보이고 나머지 2개 회사보다 정밀도는 약간 떨어지지만 반복 시험 시 유도잡음에 다소 강한 측면이 있었다. 그래서, 본 발명은 독일의 3개의 센서 제조회사의
장점들보다 조금씩이라도 높은 스펙으로 개발하도록 목표를 설정하고 반값 이하의 원가로 제조할 수 있도록 설계되었다. 또한, 연산 증폭기(operational amplifier, 이하 OP-AMP라 함)와 비교기(COM -PARATOR)는 원자력 발전소 핵심설비의 아날로그 회로에 수십년간 널리 사용되어진 높은 신뢰성을 확보한 제품이 선정되었다. 일반적으로, OP-AMP는 양전원(+전원과 COM이 아닌 +전원과 -전원을 공급), DC ±15V 등을 공급하는데, 종래의 전자스위치 회로는 산업용으로 많이 사용되는 DC 24V 전원을 사용하도록 만들어져 별도의 -전원을 공급하지 않고, 가상접지를 사용하는(DC 24V를 +12V, -12V로 나누어 가상접지를 통한 아날로그 증폭)단전원을 사용하여 일반적인 전자회로 서적에서는 참고할 사항이 거의 없고, 특히 비교기의 전압 비교영역이 아주 작은 mV 단위의 정밀 비교조건이기 때문에 자여 발진(SELF OSCILLATION)이
발생할 위험이 아주 큰 편이었다. 히스테리시스 특성(출력이 온(ON)되는 아날로그값과 온(ON)에서 오프(OFF)로 전환되는 아날로그값의 차이)은 타사 제품이 약 2V 정도인데, 이는 값 설정시 상당히 여러번 반복해야 하는 번거러움이 있어서 2V의 50% 이하가 되도록 설계하면 원하는 값을 설정할 때 비교적 수월하게 설정이 가능하다. 이 히스테리시스의 범위는 저항 변경을 통해 조정이 가능하다. 본 발명에 따른 이 회로의 특징은 실험실의 시험환경이 아닌 현장 중심의 악조건을 고려한 설계로 독일 제품보다 우수한 신뢰성을 확보하기 위한 시험조건으로 설계에 임하였다. 한편, 전류 과부하(current overload)에 대해 고속 및 자동으로 리플렉스처럼 응답(quick, automatic, reflex like response)하게 설계된 전자 스위치가 개발되어 한국등록특허 10-0411914호로 등록된 바 있다. 또한, 차량의 엔진을 시동시키기
위해 스타터에 설치되며 전자제어회로가 내장된 전자기 스위치가 개발되어 한국등록특허 10-1034321호로 등록된 바 있다. 그러나, 상기 출원들로는 상기 문제점을 해결할 수 없었으며, 상기 문제점을 해결할 수 있는 아날로그 전자스위치 회로가 없었다. KR10-0411914B1KR10-1034321 B1 본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 자여 발진(SELF OSC -ILLATION)이 발생할 위험을 제거할 수 있는 직류 단전원을 사용하는 조절식 아날로그 전자스위치 회로를 제공함에 그 목적이 있다. 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 직류 단전원을 사용하는 조절식 아날로그 전자스위치 회로는 여기전압을 공급하는 레귤레이터; 상기 레귤레이터로부터 출력되는 신호를 감지하여 출력신호를 출력하는 브리지 형태의 스트레인 게이지 센서; 상기 레귤레이터로부터 입력되는 신호에 근거하여, 서지, 방사 잡음 및 스위칭 잡음를 차단시키는 EMI 필터회로; 기준전압을 발생하는 기준전압 발생부; 상기 브리지 형태의 스트레인 게이지 센서로부터 입력되는 신호를 증폭하여 출력하는 차동 증폭기; 상기 차동 증폭기로부터 입력되는 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기; 상기 기준전압 발생부로부터 입력되는 신호가 설정된 아날로그 값에 도달 시 출력신호를 발생시키고 이 출력신호를 조절하는 전위차계(電位差計)(Potentiometer); 상기 증폭기 및 상기 전위차계로부터 입력되는 신호를 비교하는 비교기; 상기 스트레인 게이지 센서, 상기 차동 증폭기, 상기 증폭기 및 상기 비교기로부터 입력되는 신호에 근거하여, 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로; 상기 비교기에서 설정 포인트를 넘는 출력이 발생하면, 일정한 레벨의 신호를 공급하여 다른 제어기로 원하는 아날로그 값이 도달했음을 알려주는 디지털 신호를 발생시키는 출력신호 스위칭부를 포함한다. 또한, 상기 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로는 상기 스트레인 게이지 센서로부터 입력되는 신호에 근거하여, 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 제1 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지부; 상기 차동 증폭기로부터 입력되는 신호에 근거하여, 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 제2 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지부; 상기 증폭기로부터 입력되는 신호에 근거하여, 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 제3 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지부; 상기 비교기로부터 입력되는 신호에 근거하여, 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 제4 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지부; 접지에 연결되어 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 제5 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지부를 포함한다. 또한, 상기 스트레인 게이지 센서의 J2가 커넥터로서, 회로의 외부에 위치한 브리지 센서와 연결된다. 그리고, 상기 기준전압 발생부의 가변저항에서 공급되는 기준전압의 최대치는 5V이며, 이 값과 상기 센서로부터의 출력과의 비교값이 높거나 낮을 때 상기 비교기의 출력은 온/오프(On/Off)된다. 또한, 상기 조절식 아날로그 전자스위치 회로에는 전원 확인용 램프, 출력신호 확인용 램프가 내장된다. 그리고, 상기 조절식 아날로그 전자스위치 회로에는 오(誤)결선 시 회로의 파손을 방지하는 파손방지회로가 내장된다. 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명은 자여 발진(SELF OSCILLATION)이 발생할 위험을 제거할 수 있는 직류 단전원을 사용하는 조절식 아날로그 전자스위치 회로를 제공하는 효과가 있다. 그리고, 본 발명은 스트레인 게이지 증폭용 OP-AMP 또는 전용 IC의 한 개 가격에 해당하는 가격으로 본 발명의 완제품을 생산할 수 있는 경제적인 효과가 있다. 또한, 본 발명은 초저원가 산업용, 방산용 센서회로를 제작 가능한 효과가 있다. 도 1은 본 발명의 직류 단전원을 사용하는 조절식 아날로그 전자스위치 회로의 구성을 도시하는 블록도. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 직류 단전원을 사용하는 조절식 아날로그 전자스위치 회로의 구성을 도시하는 블록도이고, 도 3은 본 발명의 직류 단전원을 사용하는 조절식 아날로그 전자스위치 회로의 구성을 구체적으로 도시하는 회로도이다. 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 직류 단전원을 사용하는 조절식 아날로그 전자스위치 회로는 여기전압을 공급하는 레귤레이터(20); 상기 레귤레이터(20)로부터 출력되는 신호를 감지하여 출력신호를 출력하는 브리지 형태의 스트레인 게이지 센서(40); 상기 레귤레이터(20)로부터 입력되는 신호에 근거하여, 서지, 방사 잡음 및 스위칭 잡음를 차단시키는 EMI 필터회로(10); 기준전압을 발생하는 기준전압 발생부(30); 상기 브리지 형태의 스트레인 게이지 센서(40)로부터 입력되는 신호를 증폭하여 출력하는 차동 증폭기(50); 상기 차동 증폭기(50)로부터 입력되는 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기(60); 상기 기준전압 발생부(30)로부터 입력되는 신호가 설정된 아날로그 값에 도달 시 출력신호를 발생시키고 이 출력신호를 조절하는 전위차계(電位差計)(Potentiometer)(80); 상기 증폭기(60) 및 상기 전위차계(80)로부터 입력되는 신호를 비교하는 비교기(70); 상기 스트레인 게이지 센서(40), 상기 차동 증폭기(50), 상기 증폭기(60) 및 상기 비교기(70)로부터 입력되는 신호에 근거하여, 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로(200); 상기 비교기(70)에서 설정 포인트를 넘는 출력이 발생하면, 일정한 레벨의 신호를 공급하여 다른 제어기로 원하는 아날로그 값이 도달했음을 알려주는 디지털 신호를 발생시키는 출력신호 스위칭부(90)를 포함한다. 상기 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로(200)는 상기 스트레인 게이지 센서(40)로부터 입력되는 신호에 근거하여, 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 제1 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지부(102)를 포함한다. 상기 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로(200)는 상기 차동 증폭기(50)로부터 입력되는 신호에 근거하여, 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 제2 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지부(104)를 포함한다. 그리고, 상기 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로(200)는 상기 증폭기(60)로부터 입력되는 신호에 근거하여, 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 제3 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지부(106)를 포함한다. 또한, 상기 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로(200)는 상기 비교기(70)로부터 입력되는 신호에 근거하여, 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 제4 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지부(108)를 포함한다. 그리고, 상기 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로(200)는 접지에 연결되어 주변의 유도기 전력이 강하게 발생하는 환경에서 오동작을 방지하고, 특정 아날로그 변위에서 발생되는 기생 잡음 때문에 출력으로 펄스가 나오는 현상을 방지하는 제5 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지부(110)를 포함한다. 부연 설명하자면 다음과 같다. 도 2(a)는 본 발명의 실시예에 따른 기본 센서 스위치회로의 구성을 도시하는 회로도이며, 도 2(b)는 본 발명의 실시예에 따른 센서 연결도이다. 도 2(a), 도 2(b) 및 도 3를 참조하여 설명하자면, 이 회로에서는 12V의 레귤레이터(도 3의 U1)로 센서 전압을 공급한다. 변위가 발생하면 sig+, sig-에서 차(差)신호 전압이 발생하여 이를 차동 증폭기(pre amplifier)(50)로 입력받는다. 상기 스트레인 게이지 센서(40)의 J2가 커넥터로서, 회로의 외부에 위치한 브리지 센서(400)와 연결되는 부위이다. 상기 스트레인 게이지 센서(40)의 PG와 연결되는 상기 제5 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지부(110)의 커패시터들은 대단히 중요한 필터 역할을 한다. PG는 조립 공정 중에 하우징에 별도로 연결된다. 이 때문에 센서는 4핀인데 5가닥의 전선이 사용된다. 상기 기준전압 발생부(30)에서의 기준전압이 꼭 5V일 필요는 없다. 기준전압은 EXC_V(센서 여기전압)보다 같거나 작아도 무방하다. 상기 비교기(70)용 상기 증폭기(60)의 최대 출력전압보다 기준전압이 크면 된다. 하지만, 기준전압이 정전압이어야 가변저항(전위차계)로 조정한 값이 변하지 않기 때문에 상기 기준전압 발생부(30)의 U2는 비교적 양호한 정전압 레귤레이터를 사용하여야 한다. 상기 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로(200)의 커패시터의 용량은 각 회로에 상호 영향을 준다. 즉, 상기 커패시터의 용량값이 너무 높거나 비율이 맞지 않으면 출력신호가 발진을 일으키고 커패시터의 용량값이 너무 낮으면 솔레노이드 동작 시 출력에서 오(誤)신호가 출력된다. 상기 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로(200)는 유압회로에 직결된 유도 기전력이 상당한 솔레노이드 밸브의 여자 소자 시 발생되는 잡음으로부터 안정된 동작을 보장한다. 또한, 상기 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로(200)는 전자방해 서지 억제필터(EMI SURGE SUPPRESSOR FILTER, EMI 필터회로라고도 함)(10)에서 못 잡는 잡음을 잡아주기 때문에 상기 증폭기(60) 및 상기 비교기(70)에 모두 영향을 준다. 특히, 상기 비교기(70)의 설정전압과 비교되는 전압을 분해해 보면, mV 혹은 uV에서 동작점이 결정되므로 필터를 잘못 설계하면 일부 동작 구간의 발진 출력이 생긴다. 상기 유도잡음 필터 및 자여 발진 방지회로(200)의 커패시터들 중 한 개 혹은 두 개 이상 빠지게 되면 인덕티브 부하의 작동 시 오작동, 기생 발진출력 발생, 오(誤)작동 등이 발생한다. 상기 증폭기(60)에서 증폭된 전압의 최대값은 상기 기준전압 발생부(30)에서 발생된 기준전압 5V(도3의 U2)보다 약간 낮다. 상기 기준전압 발생부(30)의 가변저항에서 공급되는 기준전압의 최대치는 5V이며, 이 값과 센서로부터의 출력과의 비교값이 높거나 낮을 때, 상기 비교기(70)의 출력은 온/오프(On/Off)된다(on을 사용할 수도 있고 off를 사용할 수도 있다). 상기 출력신호 스위칭부(90)는 상기 비교기(70)에서 설정 포인트(설정값은 가변저항으로 미리 맞춰 놓는다)를 넘는 출력이 발생하면, 24V 등의 신호를 공급하여 다른 제어기로 원하는 아날로그 값이 도달했음을 알려주는 디지털 신호를 발생시키는 회로이다. 위의 24V는 정해진 것이 아니고 고객이 사용하는 콘트롤 전원을 의미한다. 대부분의 경우, 프로그램 가능 논리 컨트롤러(programmable logic controller, PLC)의 입력이 직류 24V를 사용하고 있고, 공작기계 등 산업용 장치들의 전원을 24V로 채택하고 있기 때문에 24V로 제작된다. 직류 48V, 직류 125V 등의 제품도 본 발명에 따른 이 회로를 통해 제작이 가능하다. 예를 들어, 현재 압력 스위치를 제작하여 100 BAR, 200 BAR, 400 BAR, 600 BAR 제품이 제작되었다. 여기서, 압력 수치는 최대 설정가능 압력범위를 의미한다. 상기 4개의 제품은 회로부품의 변경 없이도 브리지 센서만 변경하여 구현이 가능하다. 또한, 브리지 센서가 아니고 한 개의 스트레인 게이지로 하여도 무방하다. 그 이유는 나머지 3개는 고정저항으로 브리지 회로를 구현하면 간단하기 때문이다. 가변저항으로 설정하여 사용하고자 하는 압력이 30 BAR이면 100 BAR 제품을 사용하여 설정하면 되고, 30 BAR로 설정된 제품은 0 BAR에서 30 BAR가 도달하기 전까지는 출력신호가 없다가 30 BAR가 되는 순간 출력신호가 나가고 출력 LED가 온 (ON)되는 것이다. 현재의 제품은 두가지 압력을 설정할 수 있도록 설계되어 있다. 이 회로에서 여분의 한 개 비교기를 사용하고 가변저항 및 약간의 회로가 추가되어 있다. 이 제품의 경우에는, 30 BAR, 70 BAR로 설정시 30 BAR에 도달하였을 때, 채널 1이 온 (ON)되고, 70 BAR에 도달하면 채널 2까지 온(ON)되는 동작형태부터 반대의 동작형태까지 가능하도록 제작될 수 있다. 발진은 대단히 중요한 문제로, 만일 30 BAR로 설정하였을 때 물리적 압력이 29.80000~29.99999의 범위에서 출력됐다가 출력되지 않았다가 하는 현상이다. 즉, 채터링(chattering) 비슷한 동작을 하는 것을 의미한다. 실제의 비교기에서 비교되는 전압이 uV~mV 수준이기 때문에 필터회로를 잘 설계하지 않으면 미세구간에서 이런 현상이 발생한다. 상기 출력신호 스위칭부(90)로는 기기의 입력전압이 사용될 수도 있고, 또는 개방형 콜렉터(OPEN COLLECTOR), 개방형 드레인(OPEN DRAIN), 포토 트랜지스터(PH -OTOTRANSISTOR) 출력, 포토 릴레이(PHOTO RELAY) 출력 등이 다양하게 사용될 수도 있다. 본 발명은 아날로그 전자스위치 회로이기 때문에 본 발명의 주목적은 센서로부터의 출력값이 설정값에 도달하면 상기 출력신호 스위칭부(90)가 출력신호를 내보내는 것이다. 또한, 본 발명의 아날로그 전자스위치 회로에는 전원 확인용 램프, 출력신호 확인용 램프가 내장되며, 오(誤)결선 시 회로의 파손을 방지하는 파손방지회로도 내장된다. 10 : EMI 필터회로 20 : 레귤레이터 Claims (7)
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