KR20010028071A - 스위칭회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위칭회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전원의 크기와 무관하게 동작하는 광학커플러를 이용한 스위칭회로에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 소신호 입력에 따라 온/오프 동작을 하는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 온/오프에 따라 구동되어 신호를 출력하는 신호출력부를 포함하여 구성된다. 따라서, 본 발명은 전원의 크기와 무관하게 동작될 수 있는 이점이 있다.

Description

스위칭회로{switching circuit}

본 발명은 스위칭회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전원의 크기와 무관하게 동작하는 스위칭회로에 관한 것이다.

그러면, 이하 첨부한 도면을 참조하여 종래 전력증폭기에 대해 설명한다.

도 1은 종래 H-브리지(bridge) 형태의 전력 증폭기에 대한 회로도이다.

도시된 바와 같이 종래 H-브리지 형태의 전력 증폭기는 연산 증폭기(U1)를 통해 소신호가 입력된다. 상기 연산 증폭기(U1)의 출력단자는 TR(Q1)의 베이스 단자와 접속하고, 상기 TR(Q1)의 콜렉터단자는 저항(R1)을 통해 입력전압과 연결되고 에미터단자는 그라운드와 접속된다. 상기 TR(Q1)의 출력은 콜렉터단자와 연결되고, 이때 두가지의 출력상태를 이용하기 위해 출력단자 중 하나에는 인버터(U2)가 연결된다.

그러면, 상기 두 출력단자는 각각 H-브리지 형태의 전력증폭기(10)의 내부 TR(Q2,Q4)의 베이스 단자에 각각 접속된다. 이때 블록안에 전력증폭기는 TR(Q2~Q4)만의 구성으로 간략하게 도시되고 있다. 상기 전력증폭기 내부를 보면, 두 TR(Q2,Q4)의 에미터단자와 콜렉터단자가 서로 연결되고, 상기 TR(Q2)의 콜렉터단자는 입력전압과, 다른 TR(Q4)의 에미터단자는 그라운드와 접속된다.

상기 두 TR(Q2,Q4)와 대응되는 구성으로 두개의 TR(Q3,Q5)이 직렬 연결된다. 그리고, 상기 각 TR(Q3,Q5)의 베이스단자는 부하저항(RL)을 통해 서로 연결된다.

다음은 상기 구성의 동작을 설명한다.

연산 증폭기(U2)의 -단자에 연결된 소신호 교류전원(V1)은 먼저, 연산 증폭기(U2)를 통해 구형파로 변환된다. 상기 V1의 +피크치는 (0+V_BE)V 보다 큰 전압을 가지도록 설정함으로써 TR(Q1)을 구동할 수 있게 한다.

이렇게 상기 전압 V1의 파형에 따라 TR(Q1)의 구동이 제어된다. 상기 TR이 구동되면 Vin은 +Vcc이고, 구동되지 않으면 Vin은 0V가 된다.

그러면 먼저 상기 TR(Q1)이 구동된 경우 상기 회로의 동작을 살펴보기로 한다.

TR(Q1)이 구동되면, Vin은 0V의 전압을 가지게 된다. 그리고, Vin#은 Vin과 서로 반대의 상태를 가지므로 이때, Vin#은 Vcc의 전압을 가진다. 이렇게 각 전압값이 전력증폭기 내 TR(Q2,Q4)의 베이스단자에 입력되고, 이후 TR(Q2~Q5)들은 상기 전압에 따라 구동이 제어된다.

따라서, 베이스 단자에 Vcc의 전압이 입력된 TR(Q4)는 구동되고, 이에 의해 TR(Q3)도 구동된다. 이렇게 하여 상기 전력증폭기의 출력전압(Vout)은 0V가 되며, Vout#으로는 Vs전압이 출력된다.

그러면, 부하저항(RL)의 +단자에는 0V의 전압이 걸리고, -단자에는 거의 Vs의 전압이 걸리므로, 이에 의해 부하전압(VL)은 -값을 가진다.

다음으로 TR(Q1)이 오프된 경우, 상기 회로의 동작을 살펴본다.

TR(Q1)이 오프상태인 경우, Vin은 Vcc의 전압을 가지고, 이때 Vin#는 0V의 전압을 가진다. 그리면, Vin과 Vin#의 전압치에 따라 전력증폭기(10) 내 TR(Q2~Q5)의 구동이 제어되는데 상기 경우에는 TR(Q2)가 구동되고, 이에 의해 TR(Q5)도 구동된다.

그러면, 이때 Vout은 Vs의 전압치를 출력하고, Vout#으로는 0V의 전압이 출력된다. 이에 의해 부하저항(RL)의 +단자에는 Vs전압이 걸기고 -단자에는 0V의 전압이 걸리므로 부하전압(VL)은 +값을 가진다.

이렇게 함으로써 상기 회로는 저전압을 입력하여 고전압을 출력하게 된다.

상기 동작을 수행하는데 있어서 입력전압, 출력전압, 부하전압의 파형은 도 2에 도시된 바와 같다.

상기 종래 전력증폭기가 그라운드가 아닌 -Vs에 연결된 경우, 상기 전력증폭기를 스위칭하기 위해서는 상기 TR의 에미터에 -Vs전압과 같거나 낮은 전압이 연결되어야 한다. 이렇게 하여 TR의 베이스와 에미터사이의 전압차를 0.7V 이상 혹은 이하로 조정할 수 있으므로 전압의 출력을 스위칭할 수 있게 된다. 그리고, 이때 아날로그 소자인 연산 증폭기의 공급전원 또한 ±Vs 이어야 한다.

일반적으로 아날로그 소자의 공급전압은 최대 ±18V를 넘지 않는다. 따라서, 공급전압이 ±18V이상인 경우 아날로그 소자는 정상적으로 동작되지 않는다. 그러나 전력증폭기가 스위칭동작을 하는 -Vs전압이 이 범위 밖인 경우 종래 전력증폭기는 제대로 동작하지 않으므로 사용할 수 없었다.

즉, 전력증폭기가 그라운드가 아닌 -Vs준위에 대해서 스위칭하도록 설계가 되었다면 도 1에 도시된 종래 전력증폭기에서 TR(Q1)의 에미터측 전압도 -Vs와 연결되어야 하고, 아날로그 소자인 연산 증폭기(U1)의 공급전원 또한 ±Vs이어야 한다. 하지만 아날로그 소자의 공급전압은 보통 최대 ±18V를 넘지 않으므로 -Vs의 전압이 이보다 큰 경우에 대해서는 사용할 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 전원의 크기와 무관하게 동작할 수 있는 광학 커플러를 이용한 스위칭회로를 제공함에 있다.

도 1은 종래 H-브리지 형태 전력증폭기의 구성도,

도 2는 도 1의 전압 파형도,

도 3은 본 발명에 따른 스위칭회로의 구성도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학 커플러를 이용한 스위칭회로의 구성도,

도 5는 도 4의 전압 파형도,

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

Q1~Q5,Q11,Q12,b : TR U1 : 연산 증폭기

U2 : 인버터 R1,RL,R11~R13 : 저항

D1 : 광학 커플러 a : 다이오드

10 : 스위칭부 20 : 신호출력부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스위칭회로는 소신호 입력에 따라 온/오프 동작을 하며 입력신호를 출력신호로부터 절연시키는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 온/오프에 따라 신호를 출력하며, 스위칭부의 입력전압과 무관한 크기의 전압을 출력하는 신호출력부를 포함하여 구성된다.

이렇게 본 발명은 스위칭부에 입력되는 전압의 크기와 무관하게 신호를 출력할 수 있도록 광학커플러를 이용한다. 그리고, 상기 광학커플러에 의해 신호입력부와 출력부가 절연되므로써 출력신호가 입력신호에 영향을 주지 않도록 한다. 즉, 출력전류가 역으로 입력부분에 들어가는 것을 방지한다.

일반적으로 출력전원에는 노이즈가 많이 포함되어 있으므로 역으로 전류가 입력부분에 입력되면, 이에 의해 아날로그 소자가 파괴된다. 그러므로, 본 발명은 광학 커플러를 이용하여 신호출력부를 절연시킴으로써 상기와 같은 문제를 해결한다.

또한, 본 발명은 아날로그 소자를 포함하지 않는다. 아날로그 소자는 구동되는 전압치가 제한되어 있으며 상기 전압치 이상이 입력되면, 소자가 파괴된다. 그런데 본 발명은 아날로그 소자를 포함하지 않으므로 회로에 공급되는 전원의 크기가 제한되지 않는다.

그리고, 본 발명은 상기 스위칭부의 온/오프 시간을 가변함으로써 상기 신호출력부에서 출력되는 신호를 펄스폭변조할 수 있다.

그러면, 이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 스위칭회로의 구성도이다.

도시된 바와 같이 본 발명은 소신호 즉, 저전압 신호가 입력되고 상기 신호의 크기에 따라 온/오프되는 스위치부(10)와, 상기 스위치부(10)의 온/오프에 따라 구동되어 신호를 출력하는 신호출력부(20)를 포함하여 구성된다.

다음으로 상기 구성의 동작을 설명하면, 소신호의 교류전원이 스위칭부(10)에 입력된다. 그러면 상기 스위칭부(10)는 소신호에 따라 온/오프 동작을 주기적으로 반복하게 된다.

상기 스위칭부(10)의 온/오프 동작에 의해 신호출력부(20)는 최종적으로 일정 크기의 전압을 출력한다. 그리고 이때 출력되는 신호는 상기 스위칭부의 온/오프 시간에 따라 그 폭이 가변된다.

그러면 다음 도 4를 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 도 4은 본 발명에 따른 스위칭회로의 실시예에 따른 회로도이다.

본 회로에서 소신호는 TR(Q11)의 베이스에 입력된다. 상기 TR(Q11)은 콜렉터를 통해 +Vcc의 입력전원과 연결되고, 에미터 단자는 저항(R11)을 통해 -Vcc의 입력전원과 연결된다. 그리고, 상기 TR(Q11)의 콜렉터와 에미터 단자사이에는 광학 커플러(D1)가 연결된다. 상기 광학 커플러(D1)의 일측은 저항(R12)을 통해 그라운드와 연결되고, 타측은 -Vs전원과 연결된다. 또한 상기 광학 커플러(D1)의 일측은 TR(Q12)의 베이스단자와 연결된다.

상기 TR(Q12)의 콜렉터 단자는 저항(R13)을 통해 +Vs전원과 연결되고, 에미터 단자는 -Vs전원과 연결된다.

상기 TR(Q12)의 구동을 제어하기 위해 즉, 스위칭하기 위해서는 광학 커플러(D1)내 TR(b)의 에미터단자의 입력전압의 절대값이 상기 TR(b)의 -Vs이상이어야 한다. 이로써 상기 TR(Q12)의 베이스와 에미터사이의 전압차를 0.7V 이상 혹은 이하로 조정하여 전압의 출력을 스위칭할 수 있게 된다. 그러므로, 본 발명에서는 상기 광학 커플러(D1) TR(b)의 에미터단자에 -Vs의 전압을 입력한다.

그러면 다음으로 상기와 같이 구성된 본 회로의 동작을 설명한다.

우선 상기 TR(Q11)에 입력되는 소신호가 0.7V 이상인 경우 본 스위칭회로의 동작을 살펴본다.

0,7V 이상의 전압이 TR(Q11)의 베이스 단자에 입력되면, 이에 의해 상기 TR(Q11)은 구동된다. 그러면, 상기 TR(Q11)의 콜렉더단자로부터 입력되는 +Vcc 전원은 TR(Q11)을 통해 -Vcc로 흐른다.

이와 같이 전류가 모두 TR(Q11)을 통해 흐르므로, 광학 커플러(D1)의 다이오드 부분에는 전류가 흐르지 않는다. 즉, 상기 상태에서 광학 커플러(D1)는 구동되지 않고, 이에 의해 TR(Q12)의 베이스단자에는 0V의 전압이 인가된다.

상기 TR(Q12)의 에미터 단자는 -Vs와 연결되므로 상기 경우에 TR(Q12)의 베이스와 에미터 사이의 전압차는 0.7V이상이다. 그러므로, 이때 상기 TR(Q12)은 구동된다. 이렇게 하여 상기 TR(Q12)의 컬렉터단자로부터 입력되는 +Vs전원은 저항을 통해 -Vs로 흐른다.

그러므로, 이때 본 스위칭회로의 출력전압은 -Vs가 된다.

다음으로 상기 TR(Q11)에 0.7V 이하의 전압이 입력되는 경의 본 회로의 동작을 살펴보기로 한다.

상기 TR(Q11)에 0.7V 이하의 전압이 입력되면, 상기 TR은 구동되지 않는다. 그러므로, +Vcc의 입력전원은 TR(Q11)이 아닌 광학 커플러(D1)의 다이오드(a)를 통해 -Vcc로 흐르게 된다. 이에 의해 광학 커플러(D1)의 TR(b)이 구동되므로, TR(Q12)의 베이스단자에는 -Vs의 전압이 인가된다.

상기 TR(Q12)의 베이스단자에 -Vs의 전압이 입력되면, 상기 TR(Q12)의 베이스와 에미터의 전압차가 0.7V이하가 되므로 TR(Q12)은 구동되지 않는다.

그러므로 최종적으로 본 스위칭회로는 +Vs의 전압을 출력하게 된다.

상기와 같은 동작을 하는 본 발명인 스위칭회로의 각 부의 전압의 파형은 도 5에 도시된 바와 같다.

이렇게 하여 본 발명에 따른 스위칭회로는 입력전원의 크기와 무관하게 스위칭 동작을 하게 된다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 스위칭회로는 광학 커플러를 이용하여 스위칭부를 구성하므로 신호입력부는 신호출력부로부터 절연된다. 따라서, 신호입력부는 출력신호에 따른 노이즈의 영향이 제거되는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 아날로그 소자를 사용하지 않고 회로를 구성함으로써 전원의 크기와 무관하게 동작할 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 소신호 입력에 따라 온/오프 동작을 하며 입력신호를 출력신호로부터 절연시키는 스위칭부와;

   상기 스위칭부의 온/오프에 따라 신호를 출력하는 신호출력부를 포함하여 구성되며, 입력전원의 크기와 무관하게 동작하는 스위칭회로.
2. 제 1 항에 있어서:

   상기 스위칭부는 광학 커플러로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭회로.
3. 제 1 항에 있어서:

   상기 스위칭부의 온/오프 시간을 가변함으로써 상기 신호출력부에서 출력되는 신호를 펄스폭변조하는 것을 특징으로 하는 스위칭회로.