KR19980068525A - 고주파 자기특성 측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 자기특성 측정시스템에 관한 것으로, 컴퓨터, 멀티미디어 등 각종 전기·전자기기에 사용되는 인덕터, 변압기, 필터 등의 페라이트(ferrite), 퍼멀로이(permalloy), 비정질 자성코어 등 연자성 재료(Soft magnetic materials)의 고주파 자기특성 즉, 고주파 철손, 자기이력곡선(보자력, 자속밀도, 투자율)을 측정하는데 사용하는 것으로, 디지털 오실로스코프를 인가자장 및 자속밀도 파형출력장치로 하고 신호발생기와 전력증폭기를 신호 입력장치로 하여 컴퓨터로 디지털 오실로스코프와 신호발생기를 GPIB(General Purpose Interface Bus)를 통해 리모트 제어하므로써 고주파 자기특성을 측정하고 그 측정데이터를 컴퓨터에 출력, 저장할 수 있도록 하여 고주파 신호 측정시 실제에 적합한 파형으로써 철손(core loss) 해석이 가능하도록 하는 등의 효과가 있는 것이다.

Description

고주파 자기특성 측정시스템

본 발명은 고주파 자기특성 측정시스템에 관한 것으로, 컴퓨터, 멀티미디어 등 각종 전기·전자기기에 사용되는 인덕터, 변압기, 필터등의 페라이트(ferrite), 퍼멀로이(permalloy), 비정질 자성코어 등 연자성 재료(Soft magnetic materials)의 고주파 자기특성 즉, 고주파 철손, 자기이력곡선(보자력, 자속밀도, 투자율)을 측정하는데 사용하는 고주파 자기특성 측정시스템에 관한 것이다.

고주파 자기특성을 측정하는 방법은 아날로그 방식과 디지털 방식이 있다.

아날로그 방식은 일반 오실로스코프를 사용하여 적절히 그 전압을 자기특성치로 변환하여 읽는 방법으로 측정치의 데이터 저장이나 컴퓨터 처리가 불가능하다.

그러나, 고주파의 경우 시편의 발열을 방지하기 위해서는 최단시간내에 원하는 파형기록이 이루어져야 하기 때문에 측정치의 데이터 저장이나 컴퓨터 제어가 불가능한 아날로그 방식으로는 수 kHz 이상의 고주파 측정은 사실상 어렵다.

따라서, 현재 고주파에서의 자기이력곡선 및 철손(core loss) 등의 고주파 자기특성 측정은 거의 모두 디지털 방식을 채택하고 있다.

디지털 방식을 세분해 보면, 컴퓨터에 A/D 컨버터 인터페이스 카드와 고속 데이터 버스를 설비하여 측정하는 방법, 디지털 오실로스코프를 이용하는 방법, 전용 디지타이저(digitizer)를 이용해 파형을 기록하는 방법, 전력계 내부에 디지타이징(digitizing) 기능을 부여하여 철손만을 측정하는 방법, 고속 A/D 컨버터회로와 신호발생기를 내장하여 단일 측정장치화하여 측정하는 방법 등이 있다.

컴퓨터에 A/D 컨버터 인터페이스 카드와 고속 데이터 버스를 설비하여 측정하는 방법과 전용 디지타이저(digitizer)를 이용해 파형을 기록하는 방법은 수직분해능이 높으나 샘플링(sampling) 속도의 한계 때문에 MHz 이상의 고주파에서는 측정이 어려우며, 시스템 비용이 많이 드는 단점이 있다.

디지타이징(digitizing) 방식의 전력계는 내장된 A/D 컨버터를 이용하여 신호를 디지털화 하여 수백 kHz까지 범위에서 철손을 측정할 수 있게 한 것인데, 자기이력곡선 파형을 측정할 수 없는 단점을 가지고 있다.

디지털 오실로스코프를 이용하는 방법은 신호 파형을 일단 오실로스코프에 기록하여 이를 컴퓨터에서 로드하여 처리함으로써 자기이력곡선 파형을 얻는 방식이며, 고속 A/D 컨버터회로와 신호발생기를 내장하여 단일 측정장치화하여 측정하는 방법은 오실로스코프 기능과 컴퓨터 기능을 통합화하여 필요한 기능만을 선별하여 제품화한 것으로, MHz 이상의 주파수에서 철손(core loss) 및 자기이력곡선을 측정하는데는 이 두가지 시스템을 채택할 수밖에 없다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 기존의 범용 계측장치인 신호발생기, 디지털 오실로스코프, 전력증폭기 등 독립된 장치를 조합하여 디지털 오실로스코프와 신호발생기를 컴퓨터로 제어하고, 대상 신호파형을 컴퓨터로 읽어들여 연산처리하도록 하여 시편의 형상 등의 조건에 따라 원하는 주파수 및 동작 자속밀도에서의 철손(core loss) 및 자성치, 자기이력곡선을 측정할 수 있도록 하므로써 기존의 고주파 자기특성 측정장치의 단점인 측정주파수의 한계, 데이터의 저장 및 처리 불가능, 발열방지를 위한 입·출력 자동측정을 통한 빠른 시간내에서의 고주파 파형기록의 불가능 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 고주파 기기에서 실질적으로 적용되는 구형파 등 인가자장 파형의 다양화를 꾀하여 실제적용시의 자성철심의 손실을 평가할 수 있고, 측정시 발생하는 B-H 곡선의 비대칭 현상을 자동 수정시켜 측정치의 정확성을 기할 수 있는 고주파 자기특성 측정시스템을 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 전체시스템도.

도 2는 디지털 오실로스코프에서 샘플링한 H, B 자장의 파형도.

도 3은 주파수 10kHz에서 동작자속밀도 변화에 따른 비정질 리본 시편에 대한 자기이력곡선도.

도 4는 주파수 10kHz, 동작자속밀도 0.4T의 조건에서 측정한 비정질 리본 코어의 B-H 곡선도.

도 5는 페라이트(ferrite)를 주파수 1MHz, 동작자속밀도 0.1T에서 측정한 B-H 곡선도.

도 6은 H 자장 신호의 편기에 의한 비대칭 B-H 곡선도.

도 7은 자동수정기능에 의해 보정된 대칭 B-H 곡선도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:신호발생기2:전력증폭기

3:샘플4:1차코일

5:2차코일6:디지털 오실로스코프

7:분류기8:컴퓨터

9:GPIB 케이블

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명한다.

고주파에서 파형을 기록하기 위해서는 입력신호를 넣은 후, 가능한한 신속히 원하는 측정조건에서 출력파형을 기록하고 입력을 중단시켜야 샘플에서의 와전류 철손에 의한 발열 및 그에 따른 오차를 줄일 수 있다.

따라서, 주파수가 높아질수록 이에 대한 기술이 더욱 중시되며, 이는 측정의 완전한 자동화(full automation)를 이루지 않고는 해결될 수 없다.

아무리 자동화된 장비라 하더라도 현재는 컴퓨터와의 연결을 외면할 수 없기 때문에 컴퓨터에 의한 측정 데이터의 처리는 필수적이다.

물론, 종래의 경우에도 고주파 자기특성 측정장치에 컴퓨터를 이용하지 않은 것은 아니지만 종래의 장치들은 전체시스템의 자동화가 아닌 출력 등의 일부 자동화에 이용하는데 그치므로써 데이터를 다시 컴퓨터에 입력하여 처리하는 등 업무효율성 면에서 상당히 비효율적이라는 문제점을 가지고 있었다.

도 1은 본 발명의 전체시스템도로, 본 시스템의 구성은 신호파형을 입력받아 출력하는 신호입력장치인 신호발생기(1)와; 상기 신호발생기(1)에서 출력된 신호파형을 증폭하는 전력증폭기(2)와; 샘플(3)의 1차코일(4)의 전류를 전압으로 변환하는 분류기(shunt)(7)와; 상기 분류기(7)로부터 변환된 H 자장 전압파형을 채널 1을 통해 입력받고, 샘플(3)의 2차코일(5)에 유도된 B 자장 전압파형을 채널 2를 통해 입력받아 입력된 각 채널의 고주파 파형을 디지털 방식으로 샘플링하여 자체 메모리에 저장하고, 각 파형의 전압을 분석하여 주파수, 최대치 등을 측정하는 디지털 오실로스코프(6)와; 측정조건에 대한 파라미터(parameter)를 입력받아 측정조건에 해당하는 파형을 얻을 수 있도록 신호발생기(1)의 출력과 디지털 오실로스코프(6)의 측정치를 피드백(feed back)하여 최종적으로 신호발생기(1) 출력을 결정하며, 결정된 신호발생기(1) 신호로부터 발생한 각각의 H 자장, B 자장에 해당하는 전압파형을 디지털 오실로스코프(6)에 저장하도록 명령하고, 저장된 파형을 컴퓨터의 내장메모리로 로드하여 적분등의 수치 연산을 통해 측정치 및 H, B 파형, 고주파 자기이력곡선을 구하는 등의 시스템 전반에 대한 관리 및 제어를 담당하는 컴퓨터(8)와; 일련의 제어명령과 수치데이터의 기기간 통신을 위한 컴퓨터(8) 내장 통신인터페이스인 GPIB(General Purpose Interface Bus)와 디지털 오실로스코프(6) 사이 및 GPIB와 신호발생기(1) 사이를 연결하는 GPIB 케이블(9)로 구성된다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 시스템의 동작은 신호발생기(1)에서 신호파형을 출력하면 전력증폭기(2)에서 이를 증폭하고, 샘플(3)의 1차코일(4)에 증폭된 전류가 흘러 H 자장이 발생한다. 이 H 자장에 의해 샘플(3)에 B 자장이 생성되어 2차코일(5)에 그 유도전압이 발생하게 되고, 디지털 오실로스코프(6)의 채널 1에는 1차코일(4)의 전류가 분류기(7)를 통해 전압으로 변환되어 입력되고, 채널 2에는 2차코일(5)의 유도전압이 입력된다.

디지털 오실로스코프(6)는 입력된 각 채널의 고주파 파형을 디지털 방식으로 샘플링하여 자체메모리에 저장하고, 각 파형의 전압을 분석하여 주파수, 최대치 등을 측정한다.

컴퓨터(8)는 전체시스템의 각각의 측정과정을 관리, 제어하는데, 우선 측정하는 사람으로부터 측정조건에 대한 파라미터(parameter)를 입력받아 측정조건에 해당하는 파형을 얻을 수 있도록 신호발생기(1)의 출력과 디지털 오실로스코프(6)의 측정치를 피드백(feed back)하여 최종적으로 신호발생기(1) 출력을 결정한다.

또한, 컴퓨터(8)는 결정된 신호발생기(1) 신호로부터 발생한 각각의 H 자장, B 자장에 해당하는 전압파형을 디지털 오실로스코프(6)에 저장하도록 명령하고, 저장된 파형을 컴퓨터(8) 내장 메모리로 불러들여 적분 등의 수치 연산을 통해 측정치 및 H, B 파형, 고주파 자기이력곡선을 얻는다.

이러한 일련의 제어 명령들과 수치데이터들의 이동은 컴퓨터(8) 내장 GPIB(General Purpose Interface Bus)를 거쳐 신호발생기(1) 및 디지털 오실로스코프(6)에 연결된 GPIB 케이블(9)을 통해 이루어진다.

본 시스템의 경우, 신호인가로부터 출력파형을 얻기까지는 1∼2초 내에 종료되고, 이 후 측정값과 자기이력곡선을 구하는데 필요한 시간은 30초 정도이다.

고주파에서는 단시간에 발열이 일어나므로 신호인가후 파형기록이 완료될 때까지의 시간을 되도록 줄이는 것이 매우 중요하다.

본 시스템에서의 측정주파수 영역은 신호발생기의 주파수범위, 전력증폭기의 차단주파수, 디지털 오실로스코프의 샘플링 주파수를 고려하여 결정되며 대략 100Hz∼20MHz 정도의 범위이다.

신호발생기는 신호파형으로써 싸인파, 삼각파,구형파 등을 선택적으로 출력할 수 있는 기능이 있기 때문에 본 시스템의 경우 다양한 입력 파형을 지원하므로써 철손(core loss)의 측정 영역을 확장할 수 있다.

또한, 본 시스템에 사용된 신호발생기, 전력증폭기, 디지털 오실로스코프 등의 기기는 범용성이기 때문에 시스템 구성, 변경 및 업그레이드(up-grade)가 매우 용이하며, GPIB(General Purpose Interface Bus)는 표준 통신 프로토콜(protocol)이므로 하드웨어 변경에 따른 소프트웨어 및 부가 기기의 호환성이 매우 뛰어나며, 출력데이터의 높은 호환성 및 처리용이성을 갖는다.

일반적으로 B-H 곡선을 측정해 보면 좌우 대칭이 이루어지는 경우가 거의 없으며, 특히 투자율이 높은 재료의 경우에는 그 현상이 두드러진다.

이는 투자율이 높을수록 동작자속밀도가 저하되는 효과와 여자전류가 증가하는 효과에 기인하는 것으로 이로 인해 철손(core loss)치에 오차가 생기게 된다.

본 시스템의 경우 소프트웨어 설계시에 이러한 것을 보정할 수 있도록 H 신호의 +-대칭성을 조사하고, 이 데이터를 바탕으로 신호발생기의 출력신호의 DC-오프셋을 조정하도록 프로그램하여 B-H 곡선이 좌우대칭되도록 하는 자동조정 기능을 갖도록 하여 소프트웨어적으로 보정할 수 있도록 하므로써 보다 정확한 측정치를 얻을 수 있게 된다.

도 2 내지 도 5는 본 발명 시스템을 적용하여 얻은 고주파 자기특성을 도시한 것으로, 본 발명이 고주파 자기특성 측정시스템에 관계한 것이므로 개개의 그래프의 효과 및 그것이 의미하는 것에 대한 자세한 설명은 생략해도 무방하므로 간단히 그 명칭만 설명한다.

도 2는 디지털 오실로스코프에서 샘플링한 H, B 자장의 파형을 도시한 것으로, 한 주기는 총 256개의 데이터 점으로 구성되어 있다.

도 3은 주파수 10kHz에서 동작자속밀도 변화에 따른 비정질 리본 시편에 대한 자기이력곡선으로, 각각 0.1T, 0.2T, 0.3T, 0.4T에서 측정한 것이다.

도 4는 주파수 10kHz, 동작자속밀도 0.4T의 조건에서 측정한 비정질 리본 코어의 B-H 곡선으로, 인가자장 H의 파형을 싸인파와 구형파로 했을 경우의 B-H 곡선의 변화를 나타낸 것이다.

도 5는 페라이트(ferrite)를 주파수 1MHz, 동작자속밀도 0.1T에서 측정한 B-H 곡선을 도시한 것이다.

도 6은 H 자장 신호의 편기에 의한 비대칭 B-H 곡선으로, 주파수 10kHz, 동작자속밀도 0.3T에서 측정했을 때 H 자장의 +방향으로의 편기에 의해 비대칭으로 변형된 것을 보인 것이다.

도 7은 자동수정기능에 의해 보정된 대칭 B-H 곡선도로, 도 6의 곡선을 자동 보정기능으로 수정한 좌우 대칭의 B-H 곡선을 나타낸다.

상기와 같은 구성 및 작용을 하는 본 발명에 의해 얻을 수 있는 효과는 신호발생기, 전력증폭기, 디지털 오실로스코프 등의 범용성 기기를 조합하여 시스템하므로써 각 기기를 기능에 따라 선별하여 시스템을 구성할 수 있어 그 성능향상 및 가격절감을 도모할 수 있고, 시스템의 변경 및 업그레이드(up-grade)가 매우 용이하며, 표준 통신 프로토콜(protocol)인 GPIB 인터페이스를 장착하므로써 하드웨어 변경에 따른 소프트웨어 및 부가 기기에 대한 호환성이 매우 뛰어나므로 하드웨어 변경에 따른 적절한 파라미터(parameter)를 설정하여 시스템을 제어하므로써 하드웨어 변경에 따른 소프트웨어의 변경을 최소화 할 수 있고, 구형파, 삼각파, 톱니파 및 임의제작한 파형 등을 자유로이 선택할 수 있어 측정시 실제에 적합한 파형으로써 철손(core loss) 해석이 가능하고, 소프트웨어 설계에 의한 보정기능에 의해 B-H 곡선의 비대칭 현상을 보정할 수 있어 보다 정확하고 정밀한 측정치를 얻을 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (4)

1. 신호파형을 입력받아 출력하는 신호입력장치인 신호발생기와; 상기 신호발생기에서 출력된 신호파형을 증폭하는 전력증폭기와; 샘플의 1차코일의 전류를 전압으로 변환하는 분류기(shunt)와; 상기 분류기로부터 변환된 전압 및 샘플의 2차코일에 유도된 전압을 채널을 통해 입력받아 입력된 각 채널의 고주파 파형을 디지털 방식으로 샘플링하여 자체 메모리에 저장하고, 각 파형의 전압을 분석하여 주파수, 최대치 등을 측정하여 출력하는 디지털 오실로스코프와; 시스템 전반에 대한 관리 및 제어를 담당하는 컴퓨터와; 일련의 제어명령과 수치데이터의 기기간 리모트 통신을 위한 컴퓨터 내장 통신인터페이스인 GPIB로 구성됨을 특징으로 하는 고주파 자기특성 측정시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   원하는 동작밀도에서 철손(core loss)을 측정할 수 있도록 하기 위해 동작자속밀도에 해당하는 전압이 출력되도록 디지털 오실로스코프의 전압측정치를 피드백(feed back)하여 점차적으로 목표전압이 되도록 신호발생기의 출력을 컴퓨터로 자동제어함을 특징으로 하는 고주파 자기특성 측정시스템.
3. 청구항 1에 있어서,

   신호발생기의 신호파형으로써 싸인파, 삼각파, 구형파 및 임의의 파형 등을 선택적으로 출력할 수 있어 다양한 파형의 입력에 대한 철손(core loss) 및 자기이력곡선 등을 얻을 수 있음을 특징으로 하는 고주파 자기특성 측정시스템.
4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,

   H 신호의 +-대칭성을 조사하고, 이 데이터를 바탕으로 신호발생기의 출력신호의 DC-오프셋을 조정하도록 프로그램하여 B-H 곡선이 좌우대칭되도록 하는 자동조정 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 고주파 자기특성 측정시스템.