KR100279329B1 - 무전원 신호변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무전원 신호변환기에 관한 것으로, 정전압신호를 입력받아 교류로 변환하는 인버터부와, 전압신호를 주파수신호로 변환하기 위해 PWM변조하는 PWM회로부와, 제 1트랜스와 제 2트랜스로 이루어져 역전압신호를 절연하는 아이솔레이션부와, 제 1트랜스를 거쳐 입력되는 신호를 소정의 증폭율로 증폭하여 출력하며, ZERO 조절기능을 갖는 제 1가변저항과 SPAN 조절기능을 갖는 제 2가변저항을 부가하여 증폭율을 제어하는 버퍼증폭부와, 제 2트랜스를 통해 교류전압신호를 입력받아 직류로 변환하여 버퍼 증폭부의 구동전원으로 인가하는 정류회로부,를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 트랜스를 사용하여 입력단과 출력단을 전기적으로 절연하는 무전원 신호변환기에 있어서, ZERO조절 가변저항과 제너 다이오드에 의해 발생되는 정전류신호를 입력받아 소정의 발진 주파수를 발생시키는 인버터부와, 입력전류신호와 인버터부를 통하여 피드백되는 전압신호를 혼합하여 출력하는 보상회로부와, 보상회로부에서 출력되는 혼합신호를 인버터부에서 발생된 발진 주파수에 맞추어 교류전류신호로 변환시키는 FET 트랜지스터와, 출력단으로부터의 역전류신호를 절연하는 아이솔레이션부와, FET 트랜지스터에서 발생된 교류전류신호를 직류전류신호로 정류하는 정류회로부 :를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 트랜스를 사용하여 외부전원의 인가 없이 전기적인 절연기능을 구현함으로서 외형 사이즈를 작게 할 수 있고, 전력소비를 절감시킬 수 있으며, 또한 외부전원을 사용하지 않음으로서 복잡한 배선작업을 간단히 할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

무전원 신호변환기

본 발명은 무전원 신호변환기에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 외부로부터의 전원 공급이 필요없이 입력측과 출력단을 전기적으로 절연하여 출력단으로부터 입력단으로 인가되는 역전압 신호의 전송를 억제하기 위한 무전원 신호변환기에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 계측제어 분야의 현장 계기신호(4∼20mA DC)를 분산 제어시스템(DCS) 및 스카다(SCADA) 시스템 등으로 전송하는 과정에서 입력과 출력의 절연이 필요한 곳에 사용하기 위한 무전원 신호변환기에 관한 것이다.

신호변환기의 종류는 수없이 많고 또한 필요에 따라 계속 개발되고 있는데, 여기서는 각종 직류전압 또는 직류전류 신호를 입력으로 하여 각종 계장용 신호를 출력하는 절연형 변환기에 대한 것이다.

도 1은 종래의 전원이 공급되는 절연형 신호변환기를 도시한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이 종래의 절연형 신호변환기는 입력신호의 노이즈를 제거하고 적정신호로 증폭하는 증폭부(1)와, 포토 커플러를 사용하여 입력단의 입력신호와 출력단의 출력신호 사이의 전기적인 절연을 하기 위한 아이솔레이션부(2)와, 공업용 규격신호인 4∼20mA의 직류전류 또는 1∼5V의 직류전압을 유지하여 출력하는 출력 드라이버부(3)와, 입력단과 출력단에 적정전압을 인가하는 트랜스(4)와, 입력단 및 출력단에 필요한 직류전압을 공급하기 위한 외부전원(5)과, 상기 출력 드라이버부(3)의 출력을 조절하기 위한 ZERO 조절 가변저항(6) 및 SPAN 조절 가변저항(7)으로 구성된다.

상기와 같이 구성된 종래의 절연형 신호변환기의 동작을 설명한다.

먼저, 외부전원(5)으로부터 공급되는 교류전압신호를 여기서는 도시하지 않은 정류기를 사용하여 직류전압신호로 변환시킨 후, 트랜스(4)에서 적정한 적류전압신호로 강압하여 입력단 및 출력단 양측의 모든 회로소자들에 직류전압을 공급한다.

상기 과정을 거쳐 전체회로에 전원이 공급되면 증폭부(1)를 통해 입력신호의 노이즈를 제거하고 적정신호로 증폭하여 포토 커플러를 사용한 아이솔레이션부(2)로 출력한다.

따라서, 상기 포토 커플러의 입력측 발광 다이오드가 구동하여 빛을 발광하면 출력측 포토 다이오드가 빛을 감광하여 이 빛을 전기신호로 변환하여 출력 드라이버부(3)로 인가한다.

그후, 상기 과정을 거쳐 전기신호로 변환된 신호를 입력받은 출력 드라이버부(3)는 적정한 직류전류 또는 직류전압으로 증폭하여 출력한다. 이 때, 상기 출력 드라이버부(3)로부터 출력되는 신호의 크기를 ZERO 및 SPAN 조절가변저항(6,7)를 사용하여 조절함으로서 원하는 출력을 얻을 수 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 절연형 신호변환기는 외부전원을 사용하여 전체회로를 구동하여야 됨으로, 외형 사이즈가 크며 전력의 소비가 필수적인 문제점이 있었다.

또한, 외부전원을 공급하기 위한 복잡한 배선으로 인한 생산성이 감소하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 이같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 외부의 전원을 사용하지 않으면서 기존의 절연기능을 구현하여 전력소비를 절감함과 더불어 복잡한 배선작업을 간단하게 하여 생산성을 향상시키고자 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 정전압신호를 입력받아 교류로 변환하는 인버터부와, 전압신호를 주파수신호로 변환하기 위해 PWM변조하는 PWM회로부와, 제 1트랜스와 제 2트랜스로 이루어져 역전압신호를 절연하는 아이솔레이션부와, 제 1트랜스를 거쳐 입력되는 신호를 소정의 증폭율로 증폭하여 출력하며, ZERO 조절기능을 갖는 제 1가변저항과 SPAN 조절기능을 갖는 제 2가변저항을 부가하여 증폭율을 제어하는 버퍼증폭부와, 제 2트랜스를 통해 교류전압신호를 입력받아 직류로 변환하여 버퍼 증폭부의 구동전원으로 인가하는 정류회로부,를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 또다른 실시예에 따르면 본 발명은 트랜스를 사용하여 입력단과 출력단을 전기적으로 절연하는 무전원 신호변환기에 있어서, ZERO조절 가변저항과 제너 다이오드에 의해 발생되는 정전류신호를 입력받아 소정의 발진 주파수를 발생시키는 인버터부와, 입력전류신호와 인버터부를 통하여 피드백되는 전압신호를 혼합하여 출력하는 보상회로부와, 보상회로부에서 출력되는 혼합신호를 인버터부에서 발생된 발진 주파수에 맞추어 교류전류신호로 변환시키는 FET 트랜지스터와, 출력단으로부터의 역전류신호를 절연하는 아이솔레이션부와, FET 트랜지스터에서 발생된 교류전류신호를 직류전류신호로 정류하는 정류회로부 :를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 신호변환기를 도시한 블럭도.

도 2는 본 발명에 적용되는 전압 출력형 무전원 신호변환기를 도시한 블록도.

도 3은 본 발명에 적용되는 전류 출력형 무전원 신호변환기를 도시한 블록도.

도 4는 도 2에서 PWM 변조신호가 트랜스를 통과한 후의 파형을 보여주기 위한 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11,21 : 인버터부 12 : PWM회로부

13,24 : 아이솔레이션부 14 : 버퍼증폭부

15,25 : 정류회로부 22 : 보상회로부

131,132,241 : 트랜스 141,142,221,222 : 가변저항

23 : FET 트랜지스터

R : 저항 ZD : 제너 다이오드

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 적용되는 전압 출력형의 무전원 신호변환기의 일 실시예를 도시한 블록도이다.

도 2에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 전압 출력형 무전원 신호변환기는 저항(R)과 제너 다이오드(ZD)에 의해 발생되는 정전압신호를 입력받아 교류전압신호로 변환하여 출력측에 전원을 공급하는 인버터부(11)와, 상기 입력단(10)의 (-)단자와 연결되어 상기 제너 다이오드(ZD)에서 발생된 정전압을 전원 및 기준전압으로 하여 입력되는 전압신호를 주파수신호로 변환하기 위해 PWM변조하는 PWM회로부(12)와, 상기 PWM회로부(12)와 연결된 제 1트랜스(131)와 상기 인버터부(11)와 연결된 제 2트랜스(132)로 이루어져 역전압신호를 절연하는 아이솔레이션부(13)와, 상기 제 1트랜스(131)를 거쳐 입력되는 신호를 소정의 증폭율로 증폭하여 출력하며, ZERO 조절기능을 갖는 제 1가변저항(141)과 SPAN 조절기능을 갖는 제 2가변저항(142)을 부가하여 증폭율을 제어하는 버퍼증폭부(14)와, 상기 제 2트랜스(132)를 통해 입력되는 교류전압신호를 직류전압신호로 변환하여 상기 버퍼 증폭부(14)의 구동전원으로 인가하는 정류회로부(15)를 구비한다.

상기 인버터부(11)는 고정밀도의 CMOS형 IC 인버터를 사용하여 상기 PWM회로부(12)의 출력 임피던스를 줄이기 위해 상기 아이솔레이션부(13)와 병렬로 접속하여 구성된다.

상기 버퍼증폭부(14)는 저전력 소비의 반전 증폭기를 사용하여 출력 임피던스를 높이도록 구성된다.

도 4는 도 2에서 PWM 변조신호가 트랜스를 통과한 후의 파형을 보여주기 위한 파형도이다.

PWM 변조출력이 트랜스(131)를 통과하면 트랜스 출력은 파형도에서 보는 것과 같이 0V를 기준으로 양의 펄스와 음의 펄스의 면적이 균등해 지도록 분할되어 출력된다.

이하에는 상기한 구성을 가지는 본 발명에 따른 전압 출력형의 무전원 신호변환기의 동작을 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저, 입력신호가 저항(R)과 제어 다이오드(ZD)를 거치는 동안 제너 다이오드(ZD)는 제너 효과에 의해서 일정한 정전압신호를 인버터부(11)에 인가한다. 이렇게 정전압신호를 입력받은 인버터부(11)는 이 정전압신호를 PWM회로부(12)의 동작전원으로 인가한다.

또한, 인버터부(11)는 정전압신호를 버퍼증폭부(14)의 동작전원으로 사용하기 위해 교류전압신호로 변환시킨 다음, 아이솔레이션부(13)의 제 2트랜스(132)를 거쳐 정류회로부(15)에서 직류전압신호로 정류되어 버퍼증폭부(14)로 인가한다.

한편, 입력신호가 위상이 반전되어 PWM회로부(12)로 인가되면 PWM변조신호로 변조되어 아이솔레이션부(13)의 제 1트랜스(131)를 거치는 동안 도 4와 같이 양음의 펄스면적이 같아지도록 분할되어 버퍼증폭부(14)로 인가된다.

따라서, 버퍼증폭부(14)는 상기 과정을 거쳐 분할된 PWM변조신호를 직류전압으로 증폭하여 출력한다. 이 때, 버퍼증폭부(14)의 증폭율을 ZERO 및 SPAN 조절 제 1,2가변저항(141,142)를 사용하여 조절함으로서 원하는 출력을 얻을 수 있다

도 3은 본 발명에 적용되는 전류 출력형의 무전원 신호변환기의 일 실시예를 도시한 블록도이다.

도 3에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 전류 출력형 무전원 신호변환기는 ZERO조절 가변저항(221)과 제너 다이오드(ZD)에 의해 발생되는 정전류신호를 입력받아 소정의 발진 주파수를 발생시키는 인버터부(21)와, 입력전류신호와 상기 인버터부(21)를 통하여 피드백되는 전압신호를 혼합하여 출력하며, ZERO 조절기능을 갖는 제 1가변저항(141)과 SPAN 조절기능을 갖는 제 2가변저항(142)을 부가하여 보상값을 제어하는 보상회로부(22)와, 상기 보상회로부(22)에서 출력되는 혼합신호를 상기 인버터부(21)에서 발생된 발진 주파수에 맞추어 교류전류신호로 변환시키는 FET 트랜지스터(23)와, 상기 보상회로부(22)와 연결된 트랜스(241)를 사용하여 출력단으로부터의 역전류신호를 절연하는 아이솔레이션부(24)와, 상기 FET 트랜지스터(23)에서 발생된 교류전류신호를 직류전류신호로 정류하는 정류회로부(25)를 구비한다.

상기 정류회로부(25)는 다이오드를 사용하여 교류전류신호를 직류전류신호로 정류한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 전류 출력형 무전원 신호변환기의 동작을 상세히 설명한다.

먼저, 입력신호가 ZERO조절 가변저항(221)과 제너 다이오드(ZD)에 의해 발생되는 정전류신호가 인버터부(21)로 입력되면 인버터부(21)는 FET 트랜지스터(24)를 스위칭 시키기 위한 소정의 발진 주파수를 발생시키고, 또한 보상회로부(22)로는 정전류신호를 인가한다.

한편, 입력신호가 보상회로부(22)로 입력되면 보상회로부(22)는 이 입력신호와 인버터부(21)에서 인가되는 정전류신호를 혼합하여 FET 트랜지스터(23)로 출력한다.

상기 과정을 거쳐 혼합된 신호를 인가받은 FET 트랜지스터(23)는 인버터부(21)에서 발생된 발진 주파수에 맞추어 상기 혼합신호를 교류전류신호로 변환하여 아이솔레이션부(24)의 트랜스(231)를 거쳐 정류회로부(25)로 출력한다. 따라서, 정류회로부(25)는 인가받은 교류전류신호를 직류전류신호로 정류하여 출력한다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 무전원 신호변환기에 의하면, 트랜스를 사용하여 외부전원의 인가 없이 전기적인 절연기능을 구현함으로서 외형 사이즈를 작게 할 수 있고, 전력소비를 절감시킬 수 있다.

또한, 외부전원을 사용하지 않음으로서 복잡한 배선작업을 간단히 할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 저항(R)과 제너 다이오드(ZD)에 의해 발생되는 직류의 정전압신호를 입력받아 교류로 변환하는 인버터부(11)와, 상기 입력단(10)의 (-)단자와 연결되어 상기 제너 다이오드(ZD)에서 발생된 정전압을 전원 및 기준전압으로 하여 입력되는 전압신호를 주파수신호로 변환하기 위해 PWM변조하는 PWM회로부(12)와, 상기 PWM회로부(12)와 연결된 제 1트랜스(131)와 상기 인버터부(11)와 연결된 제 2트랜스(132)로 이루어져 역전압신호를 절연하는 아이솔레이션부(13)와, 상기 제 1트랜스(131)를 거쳐 입력되는 신호를 소정의 증폭율로 증폭하여 출력하며, ZERO 조절기능을 갖는 제 1가변저항(141)과 SPAN 조절기능을 갖는 제 2가변저항(142)을 부가하여 증폭율을 제어하는 버퍼증폭부(14)와, 상기 제 2트랜스(132)를 통해 상기 인버터부(11)의 교류전압신호를 입력받아 직류로 변환하여 상기 버퍼 증폭부(14)의 구동전원으로 인가하는 정류회로부(15)를 구비하는 무전원 신호변환기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 인버터부(11)는 CMOS형 IC 인버터를 사용하는 것을 특징으로 하는 무전원 신호변환기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 아이솔레이션부(13)는 PWM회로부(12)의 출력임피던스를 낮추기 위해 상기 CMOS형 IC 인버터와 병렬 접속한 것을 특징으로 하는 무전원 신호변환기.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 버퍼증폭부(14)는 저전력 소비의 반전 증폭기를 사용하여 출력 임피던스를 높이도록 이루어지 것을 특징으로 하는 무전원 신호변환기.
5. 트랜스를 사용하여 입력단과 출력단을 전기적으로 절연하는 무전원 신호변환기에 있어서, ZERO조절 가변저항(221)과 제너 다이오드(ZD)에 의해 발생되는 정전류신호를 입력받아 소정의 발진 주파수를 발생시키는 인버터부(21)와, 입력전류신호와 상기 인버터부(21)를 통하여 피드백되는 전압신호를 혼합하여 출력하며, ZERO 조절기능을 갖는 제 1가변저항(141)과 SPAN 조절기능을 갖는 제 2가변저항(142)을 부가하여 보상값을 제어하는 보상회로부(22)와, 상기 보상회로부(22)에서 출력되는 혼합신호를 상기 인버터부(21)에서 발생된 발진 주파수에 맞추어 교류전류신호로 변환시키는 FET 트랜지스터(23)와, 상기 보상회로부(22)와 연결된 트랜스(241)를 사용하여 출력단으로부터의 역전류신호를 절연하는 아이솔레이션부(24)와, 상기 FET 트랜지스터(23)에서 발생된 교류전류신호를 직류전류신호로 정류하는 정류회로부(25) :를 구비하는 무전원 신호변환기.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 정류회로부(25)는 다이오드를 사용하여 교류신호를 직류신호로 정류하는 것을 특징으로 하는 무전원 신호변환기.