KR100244576B1 - 제곱근 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제곱근 변환기에 관한 것으로서, 입력을 소정의 레벨로 증폭하는 입력증폭기와, 증폭된 입력을 출력과 전원 격리된 상태로 증폭시키는 격리증폭부와, 격리증폭부의 출력을 소정의 배율로 증폭시키는 버퍼/게인조정부와, 벼퍼/게인조정부의 출력을 제곱근으로 변환시키는 제곱근변환부와, 제곱근변환부의 출력을 받아서 스팬 폭을 조정하는 스팬조정부와, 기준전압을 발생하고 영점을 조정하기 위한 영점 전압을 출력하는 영점조정부와, 스팬조정부의 출력과 영점좀정부의 출력을 합하는 합산부와, 합산부의 출력을 전력증폭하여 부하를 구동할 수 있을 만한 출력으로 구동하는 출력구동부를 포함하여 이루어 진다.

Description

제곱근 변환기

본 발명은 원자력 발전소의 전자 제어 계통에서 주로 사용되는 제곱근 변환기에 관한 것으로서, 특히 입력에 대한 격리 계통의 출력을 제곱근으로 전압을 변환하는 회로에 관한 것이다.

원자력발전소에서는 핵연료를 사용하는 관계로 다른 일반 공장이나 발전소에 비하여 매우 안정되고 확실하게 동작되는 제어시스템을 가지고 있어야 하고, 이러한 제어시스템에서 사용되는 전자 제어 회로의 높은 신뢰도가 요구되고 있다.

이러한 원자력 발전소의 제어시스템에서는 여러 가지 물리량을 센서를 통하여 측정하고, 측정된 신호를 가공 처리하여 필요한 제어신호를 얻는데, 이러한 신호 처리과정에서 사용되는 회로에는 제곱근 변화기가 있다.

이 제곱근 변환기는 입력되는 신호를 그신호 크기를 제곱근으로 변환하여 출력하는 회로이다.

본 발명은 이러한 용도에 상용될 수 있는 제곱근 변환기에 관한 것이다.

이러한 제곱근 변환기는 높은 정밀도가 요구되고, 안정되게 동작되는 것이어야 한다.

종래에 사용되고 있는 제곱근 변환기는 전류소모가 많고, 입력과 출력의 격리를 위하여 트랜스를 사용하므로서 유지 보수의 어려움과 많은 전력소모에 의한 발열현상으로 온도가 높고, 통풍이 원활하지 못한 곳에는 사용할 수 없는 등의 문제가 있었다. 또 제곱근변환기에서 사용되는 DC/DC 콘버터도 트랜지스터나 UJT를 이용한 발진부와 트랜스를 가지고 있는데, 부품의 열화가 심하여 신뢰성이 낮았다.

본 발명은 종래의 제곱근 변환기가 가진 여러가지 문제점들을 해소하기 위하여 소모전력을 줄이고, 회로동작의 신뢰성을 높이며, 유지 보수에 편리하도록 카드로 제작하여 사용할 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 제곱근 변환 장치는, 입력을 소정의 레벨로 증폭하는 입력증폭부와, 증폭된 입력을 출력과 전원격리된 상태로 증폭시키는 격리증폭부와, 격리증폭부의 출력을 소정의 배율로 증폭시키는 버퍼/게인조정부와, 벼퍼/게인조정부의 출력을 제곱근으로 변환시키는 제곱근변환부와, 제곱근변환부의 출력을 받아서 스팬폭을 조정하는 스팬조정부와, 기준전압을 발생하고 영점을 조정하기 위한 영점 전압을 출력하는 영점조정부와, 스팬조정부의 출력과 영점조정부의 출력을 합하는 합산부와, 합산부의 출력을 전력증폭하여 부하를 구동할 수 있을 만한 출력으로 구동하는 출력구동부를 포함하여 이루어 진다.

제1도는 본 발명의 일 실시예를 보인 블록도이다.

제2도는 본 발명의 전원 수신부와 DC/DC 콘버터의 회로도이다.

제3도는 본 발명의 입력증폭부 및 격리증폭부의 회로도이다.

제4도는 본 발명의 버퍼/게인조정부와 제곱근변환부의 회로도이다.

제5도는 본 발명의 스팬조정부, 영점조정부, 합산부 및 출력구동부일 실시예를 보인 회로도이다.

제6도는 본 발명의 일실시예를 보인 전체 회로도이다.

이하에서 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예를 구체적으로 설명한다.

도1은 본 발명의 제곱근 변환기의 블록도 이다.

본 발명에서는 도2에 보인 바와 같은, DC 24 V 또는 DC 26 V 를 받는 전원 수신부(10)와, 이 수신부(10)의 전원을 입력 받아서 격리 또는 비격리의 중성점(접지점)에 대하여 DC ±15 V를 출력하는 DC/DC 콘버터(11)를 가지고 다른 구성 부분에 +15V 와 -15V 의 전원을 공급한다. 본 원의 도면에서 아래로 뾰족한 삼각형은 접지를 표시하는 것이고 특히 ＆quot;I＆quot; 자로 표시된 접지는 격리된 전원의 접지를 의미한다. 전원 수신부(10)는 DC/DC 콘버터(11)에 전원을 공급해 주는 역할을 하며, 입력되는 전압이 비례적으로 출력되고, 이상전압이나 오버로드로부터 자체 보호하는 기능도 가지고 있다. 정상적인 전원공급이 이루어지고 있으면 DC/DC 콘버터(11)의 출력에서 신호램프(11-1)가 점등되고, 전원에 이상이 있어서 휴즈(10-2)가 절단되면 P-FAIL 단자의 전원으로 전원 이상을 알리는 신호램프(10-1)가 점등되고, 외부의 릴레이를 동작시키게 하여 경보를 울리게 하여도 된다. 종래의 DC/DC 콘버터(11)는 트랜지스터나 UJT를 이용한 발진부와 트랜스를 가지고 있는데, 부품의 열화가 심하여 신뢰성이 낮았다. 본 발명에서는 비격리 전원을 공급하기위하여 DC/DC 콘버터(11)는 콘버터 IC에 PM972를 사용하여 24V 또는 26V를 입력받아서 비격리 중성점에 대하여 항상 +15V , -15V 가 출력되게 하고, 또 격리된 전원을 공급하기 위하여 콘버터 IC에 PM972의 삼각형 접지 ＆quot;I＆quot;에 속한 전원을 공급 사용하여 24V 또는 26V를 입력 받아서 격리된 중성점에 대하여 항상 +15V, -15V가 출력되게 한다.

본 발명에서의 제곱근 변환 장치는, 도1에서 보인 바와 같이, 입력을 소정의 레벨로 증폭하는 입력증폭부(12)와, 입력증폭부의 출력을 받아서 격리증폭시키는 격리 증폭부(13)와, 격리증폭부의 출력을 제곱근으로 변환시키는 제곱근변환부(15)와, 제곱근변환부의 출력을 받아서 스팬 폭을 조정하는 스팬조정부(16)와, 기준전압을 발생하고 출력전압이 소정의 범위내에 있도록 영점을 조정하기 위한 영점조정부(17, 18, 19)와, 스팬조정부(16)의 출력과 영점조정부의 출력을 합하는 합산부(20)와, 합산부의 출력을 전력증폭하여 부하를 구동할 수 있을 만한 출력으로 구동하는 출력구동부(22)를 포함한다.

입력증폭부(12)와 격리증폭부(13)의 구체적 회로가 도 3에 도시되어 있다. 입력증폭부(12)는 필요로하는 출력 레벨을 얻을 수 있도록 연산증폭기(12-1, 12-2)단수를 설치하여 구성하고, 격리증폭부(13)는 AD210을 이용하여 구성한다. 이 격리 증폭부(13)는 입력 신호와 출력신호를 분리시켜서 최종 출력신호가 접지되는 사고나 단락되는 사고로부터 입력신호 전단을 보호할 수 있게 하는 것이다. 기존의 방식은 입력신호를 디지털로 변환하는 과정에서 파우워를 각각 분리시켜 공급하므로서 입력과 출력을 분리하였다. 이 종래의 방식은 입력 신호를 디지털로 변환하기 위해서는 입력신호를 VCO를 사용하여 펄수로 변화시킨 다음 디지털 입력 신호를 사용하였다. 이 때 입력 신호의 그라운드와 출력신호 그라운드는 분리되어 있다. 이것은 입력을 펄스로 변환하는 과정이나 디지털로 분리시키는 과정이 너무 복잡하고 여기에 따른 정비의 어려움과 부품의 구입에 따른 많은 어려움들이 있었다. 그래서 본 발명에서와 같이 압력과 출력 분리 방식을 입력신호를 직접받아 처리하므로 회로의 간편함과 전문적인 기술이 없는 사람도 쉽게 이해가 되도록 하였다. 도3에서 보인 바와 같이, AD210 IC 소자를 이용하여 격리 증폭기(13)를 구성하고 입력신호와 출력 신호가 분리되게 하였다. AD210의 동작은 버퍼를 이용하여 입력에 대하여 출력이 나오도록 되어 있다. 전압인가는 +15V, N 그라운드 전압을 AD210 에 공급하며, +IN은 입력전압(Vin)이 연결되고, -IN 와 FB는 서로 연결되어 게인이 1로 되며, 출력은 VO와 OCOM(OUTCOMMON) 단자로 나온다. 그래서 입력전압 +IN, POWERCOM에 대하여 출력전압은 VO 와 OCOM을 가지므로 입력과 출력 그라운드가 분리된 신호가 출력된다.

도4는 버퍼/게인조정부(14)와 제곱근변환부(15)를 보인 회로도이다.

버퍼/게인조정부(14)는 도4에 도시된 바와 같이, 격리증폭기(13)의 출력노드 (13-0)으로부터 입력신호를 받아서 두개의 연산증폭기(14-4, 14-5)로 증폭하여 출력한다. 게인은 가변저항기(14-2)를 조절하여 소정의 크기로 조정하고, 가변저항기(14-1, 14-3)는 옵셋(OFFSET)을 조정하는 것으로서 연산증폭기(14-4, 14-5)의 입력을 가하지 않은 상태에서의 출력전압을 OV로 조정함으로서 입력전압을 출력으로 보낼때 연산증폭기(14-4, 14-5) 내의 미세전압에 의해 출력 차가 생기는 것을 없애기 위해 가변저항기(14-1, 14-3)를 조정한다. 여기서 게인은 2 내지 2.5 배 정도를 조절하여 최대 출력은 12.5V 소정의 전압이 되도록 한다.

버퍼/게인조정부(14)의 출력은 그대로 제곱근변환부(15)로 연결된다.

제곱근변환부(15)는 AD534 IC를 사용하여 구성하고 다이오드 D1을 사용하여 +전압만 출력되게 하였다. 출력은 출력노드(15-0)에서 출력이 되는데 그 크기는 Vout=√(10V × Vin)으로 된다. 즉 입력신호 크기의 제곱근을 취한 것이 출력신호가 된다. 출력전압 10V를 얻기 위하여는 10V 소정의 입력전압이 필요하다는 것을 알수 있고, 다음단의 스팬조정을 위하여는 출력 전압을 더 높게 설정할 수도 있다. 기존의 제곱근 변환기는 디지털 방식을 사용하여 출력값을 다시 아날로그로 변환하는 방식을 사용하는 것이었다. 이 종래 방식은 회로가 복잡하여지고 신뢰성이 낮은 결함이 있었기 때문에 본 발명에서와 같이 개량한 것이다.

도5는 제곱근변환부(15)의 출력을 받아서 스팬 폭을 조정하는 스팬조정부(16)와, 기준전압을 발생하고 영점을 조정하기 위한 영점 전압을 출력하는 영점조정부(17, 18, 19)와, 스팬조정부(16)의 출력과 영점조정부의 출력을 합하는 합산부(20)와, 합산부의 출력을 전력증폭하여 부하를 구동할 수 있을 만한 출력으로 구동하는 출력구동부(22)의 구체적인 회로도를 도시한 것이다

제곱근변환부(15)의 출력노드(15-0)은 스팬조정부의 가변저항기(16-1)에 연결되고 이 가변저항기의 가변단자가 연산증폭기(16-2)의 입력에 연결된다. 이 연산증폭기는 전압추종기로 설정되어 버퍼 역할을 한다.

영점조정부는 기준전압발생부(17)와 인버터(18) 및 영점부(19)를 포함한다.

영점(ZERO)조정부는 출력전압이 소정의 범위 이상으로 커지는 것을 막기 위한 것으로서, 본 실시예에 의하면 ±500mV 정도까지 정밀하게 조정할 수 있게 설계되어 있다. 이 영점조정부는 정전압 IC인 REF02 를 이용한 기준전압발생부(17)와, 기준전압발생부(17)의 출력 전압을 반전시켜서 출력하는 인버터(18) 및 영점부(19)로 이루어지는데, 영점부(19)는 기준전압발생부(17)의 출력과 인버터(18) 출력 사이에 연결된 가변저항기((19-1)와 전압추종기(voltage follower)(19-2)로 구성된다.

영점의 조정은 기준전압발생기의 5V의 출력과 이를 인버터에서 반전시킨 -5V로 변환된 출력을 서로 연결하여 가변저항기의 어떤 점에서 ZERO조정 이 되게 한다.

ZERO조정범위 VR1(19-1)이 +5V 전압으로 미칠 때,

기준전압 * 25K / (20K + 25K )

+인버터 출력 * 20K / (20K + 25K ) = +0.556V

VR1이 2.5K에서,

기준전압 * 22.5K / (22.5K + 22.5K )

+인버터 출력 * 22.5K / (22.5K + 22.5K ) = OV

VR1이 -5V 전압으로 미칠 때,

기준전압 * 20K / (20K + 25K )

+ 인버터 출력 * 25K / (20K + 25K ) = -0556V

ZERO조정 범위는 ±0.5V조정범위를 가지며, 이 출력 전압은 합산부(20)에 공급된다.

스팬조정부(16)는 제곱근변환부(15)의 출력단자(15-0)에 연결된 가변저항기(16-1)를 조절하여 스팬을 조정하고, 버퍼를 통하여 출력되도록 한다.

스팬출력 전압은 출력단자(15-0)의 전압을 스팬부에서 전압을 조정하여 10V에 대하여 ±0.5V의 전압범위에 있게 한다.

스팬출력 조정은 가변저항기(16-1)를 조정하여 출력을 내며, 이 조정값은 3가지 방법으로 계산한다.

첫 번째 방법은 7.15K

과 45K

의 저항 중간에 직렬로 가변저항기(18-1)를 두고, 가변저항기(18-1)의 저항위치를 7.15K

에 위치되게 하였을 경우 저항분배는 7.15 K

과 (5 + 45)K

의 저항값을 가지므로, 스팬출려은 전압분배에 의해 구해진다.

OUT = 12V * 50K / (7.15K + 50K ) = 10.499V

두 번째 방법은 7.15 K

과 45K

의 저항 중간에 직렬로 가변저항기(18-1)를 두고, 가변저항기(18-1)의 저항위치를 중간에 위치되게 하였을 경우 저항분배는 7.15K

+ 2.5K

= 9.65 K

과 (2.5 + 45=47.5)K

의 저항값을 가지므로, 스팬출력은 전압분배에 의해 구해진다.

OUT = 12V * 47.5K / (9.65K + 47.5K ) = 9.97V

세번째 방법은 7.15 K

과 45 K

의 저항 중간에 직렬로 가변저항기(18-1)를 두고, 가변저항기(18-1)의 저항위치를 45 K

에 위치되게 하였을 경우 저항분배는 7.15 K

+ 5 K

= 12.15 K

과 45 K

의 저항의 저항 값을 가지므로, 스팬출력은 전압분배에 의해 구해진다.

OUT = 12V * 45K / (12.15K + 45K ) = 9.449V

그래서 스팬조정 범위는 약 10V ±0.5%의 조정 범위를 가진다.

입력이 0~12V폭으로 변화할 때 SPAN 조정 범위를 조정하여 VR1을 2.5K로 한 다음 출력을 0~10V로 낼 수 있다.

합산(SUMMING)부(20)는 스팬조정부(16) 출력전압과 영점부(19) 출력전압을 합하는 기능을 한다. 이 합산부는 연산증폭기를 사용한다. 스팬조정부(16) 출력전압을 연산증폭기의 +입력에 연결하고 영점부(19) 출력전압을 연산증폭기의 - 입력에 연결하여 두 전압을 합한 전압이 출력되도록 한다. 즉 스팬조정부(16) 출력전압을 조정하는 VR(16-1)을 50% 범위에서 조정한 다음 영점부(19) 출력전압을 조정하는 VR(19-1)을 스팬출력전압에 대하여 미세 조정하여 합산부(20)의 출력을 0~10V의 출력전압을 가지도록 한다.

합산부(20)의 출력은 출력구동부(22)에 인가된다.

최종 출력은 최대 부하 공급을 고려하여 최대 20mA의 공급 능력이 가능한 파우워 OP 앰프(POWER OP AMP)인 LM101을 사용한다.

LM101의 핀 6번과 출력단자 사이에 연결되어 있는 10

저항은 출력단이 쇼트로 인한 회로손상을 감안한 전류 제한용 저항으로 작용한다.

합산부의 출력전압은 스팬조정전압이 0~10V의 출력전압 범위에서 오차를 최소로 줄이기위해 영점조정부(19) 전압을 미세 조정하여 합산부(20) 출력을 0 ~ 10.00 V로 되게 하고, 버퍼증폭부(21)을 통하여 최종출력단에서는 출력 전압이 0~10.00V로 되게 한다.

이상 설명한 본 발명에 따른 효과는, 소모전력이 적고, 신뢰성이 높은 제곱근변환기를 실현할 수가 있다는 것이다.

Claims (1)

1. 입력을 소정의 레벨로 증폭하는 입력증폭부(12)와,

   상기 입력증폭부에서 증폭된 입력을 전원이 격리된 상태로 증폭시키는 격리증폭부(14)와,

   상기 격리증폭부의 출력을 소정의 배율로 증폭시키는 버퍼/게인조정부(14)와,

   상기 버퍼/게인조정부의 출력을 제곱근으로 변환시키는 제곱근변환부(15)와, 상기 제곱근변환부의 출력을 받아서 스팬 폭을 조정하는 스팬조정부(16)와,

   기준전압을 발생하고 영점을 조정하기 위한 영점 전압을 출력하는 영점조정부(17, 18, 19)와,

   상기 스팬조정부(16)의 출력과 상기 영점조정부의 출력을 합하는 합산부(20)와,

   상기 합산부의 출력을 전력 증폭하여 부하를 구동할 수 있을 만한 출력을 발생 하는 출력구동부(22)를 포함하여 이루어지는 것이 특징인 제곱근변환기.

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