KR20120132322A - 열전대용 증폭 회로 및 온도 감시 시스템 - Google Patents

열전대용 증폭 회로 및 온도 감시 시스템 Download PDF

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Abstract

온도 검출 신호의 정밀도가 향상되는 열전대용 증폭 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
콜렉터가 접지되어 있고, 열전대의 일단의 전압을 베이스에 공급받아 에미터로부터 출력하는 콜렉터 접지의 제 1 트랜지스터(Q11)와, 콜렉터가 접지되어 있고, 열전대의 타단의 전압을 베이스에 공급받아 에미터로부터 출력하는 콜렉터 접지의 제 2 트랜지스터(Q12)와, 베이스가 일정 전위로 되어 있고, 제 1 트랜지스터의 출력을 에미터에 공급받아 콜렉터로부터 출력하는 베이스 접지의 제 3 트랜지스터(Q14)와, 베이스가 일정 전위에 되어 있고, 제 2 트랜지스터의 출력을 에미터에 공급받아 콜렉터로부터 출력하는 베이스 접지의 제 4 트랜지스터(Q15)와, 제 3 트랜지스터의 출력과 제 4 트랜지스터의 출력을 차동 증폭하는 연산증폭기(15)를 갖는다.

Description

열전대용 증폭 회로 및 온도 감시 시스템{AMPLIFIER CIRCUIT FOR THERMOCOUPLE AND TEMPERATURE MONITORING SYSTEM}
본 발명은 열전대의 양단 전압을 증폭하는 열전대용 증폭 회로 및 온도 감시 시스템에 관한 것이다.
종래부터 열전대를 사용하여 온도를 계측하는 것이 행해지고 있다. 이 경우, 열전대의 출력전압은 작기 때문에, 증폭 회로에서 증폭하고 있다.
도 4는 종래의 열전대용 증폭 회로의 일례의 회로구성도를 나타낸다. 도 4에서, 단자(TC+)과 단자(TC-) 사이에 열전대(1)가 접속된다. 단자(TC+)는 저항(R1)을 통하여 접지됨과 아울러, 직렬 접속된 저항(R2, R3)을 통하여 접지되어 있다. 단자(TC-)는 저항(R4)을 통하여 접지됨과 아울러, 직렬 접속된 저항(R5, R6)을 통하여 출력 단자(6)에 접속되어 있다.
npn 트랜지스터(Q0)의 콜렉터와 베이스는 전류원(2)을 통하여 전원(Vcc)에 접속되고, 트랜지스터(Q0)의 에미터는 저항(R5, R6)의 접속점에 접속되어 있다. npn 트랜지스터(Q1)의 베이스는 트랜지스터(Q0)의 베이스와 공통 접속되고, 트랜지스터(Q1)의 콜렉터는 전류원(3)을 통하여 전원(Vcc)에 접속되고, 트랜지스터(Q1)의 에미터는 저항(R2, R3)의 접속점에 접속되어 있다. 마찬가지로, npn 트랜지스터(Q2)의 베이스는 트랜지스터(Q0)의 베이스와 공통 접속되고, 트랜지스터(Q2)의 콜렉터는 전류원(4)을 통하여 전원(Vcc)에 접속되고, 트랜지스터(Q2)의 에미터는 저항(R5, R6)의 접속점에 접속되어 있다.
트랜지스터(Q1)의 콜렉터는 연산증폭기(5)의 비반전 입력 단자에 접속되고, 트랜지스터(Q2)의 콜렉터는 연산증폭기(5)의 비반전 입력 단자에 접속되어 있다. 트랜지스터(Q1, Q2)는 트랜지스터(Q0)와 커런트 미러 회로를 구성하고 있고, 트랜지스터(Q1, Q2) 각각은 베이스 접지 회로를 구성하고 있다.
이것에 의해, 단자(TC+, TC-) 사이의 전압은 베이스 접지의 트랜지스터(Q1, Q2)를 통하여 연산증폭기(5)에 공급되고, 연산증폭기(5)에서 저항(R5, R6)으로 결정되는 전압 이득(=R6/R5)으로 증폭되어 단자(6)로부터 출력된다.
그런데, 차동쌍의 제 1, 제 2 트랜지스터의 공통 에미터에 접속한 에미터 폴로어 회로를 통하여 레벨 시프트 다이오드로 제 1 캐스코드 부트스트랩 회로의 바이어스 회로를 구성하고, 정전류 회로와 부(負)공급전원(-VCC) 간에 제 2 캐스코드 부트스트랩 회로를 설치하고, 이 제 2 캐스코드 부트스트랩 회로의 바이어스 전압을 에미터 폴로어 회로의 레벨 시프트 회로에 의해 바이어스 하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본 특개 평6-120747호 공보
(발명의 개요)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
종래의 열전대용 증폭 회로는 입력부의 트랜지스터(Q1, Q2)를 베이스 접지에서 사용하고 있기 때문에, 트랜지스터(Q1, Q2)의 에미터로부터 저항(R2, R5)을 통하여 단자(TC+, TC-)에 어느 정도 큰 전류가 흘러들어 온다. 이 때문에, 트랜지스터(Q1, Q2)의 에미터 전류의 편차, 저항(R2, R3, R5, R6)의 저항값의 편차, 저항(R2)과 단자(TC+) 사이의 배선 저항, 저항(R5)과 단자(TC-) 사이의 배선 저항의 편차에 의해, 저항(R2, R3)의 접속점인 A점의 전위와 저항(R5, R6)의 접속점인 B점의 전위가 상이한 값으로 된다. 이것에 의해, 증폭 회로의 전압 이득이 변화되어(전압 이득이 R6/R5로 되지 않음), 단자(6)로부터 출력되는 온도 검출 신호의 정밀도가 악화된다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기의 점을 감안하여 이루어진 것으로, 온도 검출 신호의 정밀도가 향상되는 열전대용 증폭 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 1실시태양에 의한 열전대용 증폭 회로는 열전대의 양단 전압을 증폭하는 열전대용 증폭 회로로서,
콜렉터가 접지되어 있고, 상기 열전대의 일단의 전압을 베이스에 공급받아 에미터로부터 출력하는 콜렉터 접지의 제 1 트랜지스터(Q11)와,
콜렉터가 접지되어 있고, 상기 열전대의 타단의 전압을 베이스에 공급받아 에미터로부터 출력하는 콜렉터 접지의 제 2 트랜지스터(Q12)와,
베이스가 일정 전위로 되어 있고, 상기 제 1 트랜지스터의 출력을 에미터에 공급받아 콜렉터로부터 출력하는 베이스 접지의 제 3 트랜지스터(Q14)과,
베이스가 일정 전위로 되어 있고, 상기 제 2 트랜지스터의 출력을 에미터에 공급받아 콜렉터로부터 출력하는 베이스 접지의 제 4 트랜지스터(Q15)와,
상기 제 3 트랜지스터의 출력과 상기 제 4 트랜지스터의 출력을 차동 증폭하는 연산증폭기(15)를 갖는다.
바람직하게는, 상기 제 3 트랜지스터의 콜렉터와 전원 사이에 설치되고, 저항값을 조정하는 제 1 트리밍 회로(12)와, 상기 제 4 트랜지스터의 콜렉터와 전원 사이에 설치되고, 저항값을 조정하는 제 2 트리밍 회로(13)를 갖는다.
바람직하게는, 상기 제 1 또는 제 2 트리밍 회로는
직렬 접속된 N(N은 2 이상의 정수)개의 저항(R20?R22)과,
상기 복수의 저항 중 N-1개의 저항 각각의 양단 사이에 병렬 접속된 퓨즈(22, 23)를 갖는다.
본 발명의 1실시태양에 의한 온도 감시 시스템은 검출 온도에 따른 양단 전압을 출력하는 복수의 열전대(31a?31c)와,
상기 복수의 열전대 각각의 양단 전압을 증폭하는 복수의 청구항 1 또는 2 기재의 열전대용 증폭 회로(30a?30c)와,
상기 복수의 열전대용 증폭 회로의 출력하는 온도 검출 신호를 차례로 선택하여 출력하는 멀티플렉서(33)와,
상기 멀티플렉서의 출력 신호를 디지털화하는 AD 컨버터(35)와,
상기 AD 컨버터가 출력하는 디지털의 온도 검출 신호를 공급받는 마이크로 컴퓨터(37)를 갖는다.
또한, 상기 괄호 내의 참조부호는 이해를 쉽게 하기 위하여 붙인 것으로, 일례에 지나지 않으며, 도시된 태양에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면 온도 검출 신호의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 열전대용 증폭 회로의 1실시형태의 회로구성도.
도 2는 트리밍 회로의 1실시형태의 회로도.
도 3은 본 발명의 열전대용 증폭 회로를 사용한 온도 감시 시스템의 1실시형태의 블록 구성도.
도 4는 종래의 열전대용 증폭 회로의 일례의 회로구성도.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
<열전대용 증폭 회로의 구성>
도 1은 본 발명의 열전대용 증폭 회로의 1실시형태의 회로구성도를 나타낸다. 도 1에서, 단자(TC+)와 단자(TC-) 사이에 열전대(11)가 접속된다. 단자(TC+)는 풀다운용의 저항(R11)을 통하여 접지됨과 아울러, 직렬 접속된 저항(R12, R13)을 통하여 접지되어 있다. 단자(TC-)는 풀다운용의 저항(R14)을 통하여 접지됨과 아울러, 직렬 접속된 저항(R15, R16)을 통하여 출력 단자(16)에 접속되어 있다. 또한, 저항(R12?R16)의 저항값은, 예를 들면, R12=R15, R13=R16로 설정되어 있다.
저항(R12, R13)의 접속점인 A점에는 pnp 트랜지스터(Q11)의 베이스가 접속됨과 아울러, 노이즈 제거용의 컨덴서(C11)의 일단이 접속되고, 컨덴서(C11)의 타단은 접지되어 있다. 트랜지스터(Q11)의 콜렉터는 접지되고, 트랜지스터(Q11)의 에미터는 npn 트랜지스터(Q14)의 에미터에 접속되어 있다.
저항(R15, R16)의 접속점인 B점에는 pnp 트랜지스터(Q12)의 베이스가 접속됨과 아울러, pnp 트랜지스터(Q13)의 베이스가 접속되어 있다. 트랜지스터(Q12)의 콜렉터는 접지되고, 트랜지스터(Q12)의 에미터는 npn 트랜지스터(Q15)의 에미터에 접속되어 있다. 트랜지스터(Q13)의 콜렉터는 접지되고, 트랜지스터(Q13)의 에미터는 npn 트랜지스터(Q16)의 에미터에 접속되어 있다. 즉, 트랜지스터(Q11, Q12, Q13) 각각은 콜렉터 접지 회로를 구성하고 있다.
트랜지스터(Q14)의 베이스는 트랜지스터(Q16)의 베이스와 공통 접속되고, 트랜지스터(Q14)의 콜렉터는 전류원으로서의 트리밍 회로(12)를 통하여 전원(Vcc)에 접속되어 있다. 트랜지스터(Q15)의 베이스는 트랜지스터(Q16)의 베이스와 공통 접속되고, 트랜지스터(Q15)의 콜렉터는 전류원으로서의 트리밍 회로(13)를 통하여 전원(Vcc)에 접속되어 있다. 트랜지스터(Q16)의 베이스와 콜렉터는 전류원(14)을 통하여 전원(Vcc)에 접속되어 있다.
트랜지스터(Q14)의 콜렉터는 연산증폭기(15)의 비반전 입력 단자에 접속되고, 트랜지스터(Q15)의 콜렉터는 연산증폭기(15)의 반전 입력 단자에 접속되어 있다. 트랜지스터(Q14, Q15)는 트랜지스터(Q16)와 커런트 미러 회로를 구성하고 있고, 이것에 의해 베이스를 일정 전위로 된 트랜지스터(Q14, Q15)는 베이스 접지 회로를 구성하고 있다.
이것에 의해, 단자(TC+, TC-) 사이의 전압은 콜렉터 접지의 트랜지스터(Q11, Q12)를 통과하여, 베이스 접지의 트랜지스터(Q14, Q15)를 통하여 연산증폭기(15)에 공급되고, 연산증폭기(15)에서 저항(R15, R16)으로 정해지는 전압 이득(=R16/R15)으로 증폭되어 단자(16)로부터 출력된다.
본 실시형태에서는 콜렉터 접지의 트랜지스터(Q11, Q12)를 설치하고 있기 때문에, 트랜지스터(Q11, Q12)의 베이스 A점, B점에 흘러들어 오는 전류는 종래에 비해 대폭 작아진다. 이 때문에, A점의 전위와 B점의 전위의 변화는 종래에 비해 대폭 작아지고, 증폭 회로의 전압 이득의 변화가 종래에 비해 대폭 작아져(전압 이득이 R16/R15으로 대략 고정됨), 단자(16)로부터 출력되는 온도 검출 전압의 정밀도가 향상된다.
<트리밍 회로의 구성>
도 2는 트리밍 회로(12, 13)의 1실시형태의 회로도를 나타낸다. 트리밍 회로는 단자(20, 21) 사이에 직렬 접속된 저항(R20, R21, R22)과, 저항(R21)의 양단 사이에 병렬 접속된 퓨즈(22)와, 저항(R22)의 양단 사이에 병렬 접속된 퓨즈(23)로 구성되어 있다. 여기에서, 저항(R20)의 저항값을 물 100Ω으로 하면, 저항(R21)의 저항값은 수 Ω, 저항(R22)의 저항값은 저항(R21)의 저항값의 1/2 정도로 설정되어 있다. 또한, 저항(R22)와 단자(21) 사이에, 또한, 양단 사이에 퓨즈가 병렬 접속된 하나 또는 복수의 저항을 직렬 접속해도 된다. 즉, 트리밍 회로는 직렬 접속된 N(N은 2 이상의 정수)개의 저항과, 상기 복수의 저항 중 N-1개의 저항 각각의 양단 사이에 병렬 접속된 퓨즈를 갖는다.
여기에서, 제조 당초는 퓨즈(22, 23)는 도통되어 있고, 트리밍 회로의 저항값(단자(20, 21) 사이)은 R20이며, 퓨즈(22 또는 23)를 레이저 트리밍으로 절단하면 트리밍 회로의 저항값은 R20+R21 또는 R20+R22이 되고, 또한 퓨즈(22 및 23)를 레이저 트리밍으로 절단하면 트리밍 회로의 저항값은 R20+R21+R22가 된다.
도 1의 열전대용 증폭 회로에서는, 입력 임피던스가 작은 베이스 접지의 트랜지스터(Q14, Q15)를 사용하고 있기 때문에, 노이즈 전류가 혼입된 경우의 상기 입력 임피던스에 의한 전압 변화가 작아져, 노이즈 내성을 크게 할 수 있다. 또한 베이스 접지의 트랜지스터(Q14 또는 Q15)의 전압 이득은 트리밍 회로(12)(또는 13)의 저항값을 트랜지스터(Q14)(또는 Q15)의 에미터 저항값으로 나눈 값이다. 이 때문에, 트리밍 회로(12)(또는 13)의 저항값을 레이저 트리밍으로 조정함으로써, 연산증폭기(15)의 비반전 입력 단자, 반전 입력 단자 각각에 접속된 C점과 D점 사이의 옵셋 조정(옵셋을, 예를 들면, 제로로 함)을 용이하게 행할 수 있다.
<열전대용 증폭 회로의 구성>
도 3은 본 발명의 열전대용 증폭 회로를 사용한 온도 감시 시스템의 1실시형태의 블록 구성도를 나타낸다. 도 3에서, 열전대용 증폭 회로(30a, 30b, 30c) 각각은 도 1에 도시하는 회로구성의 열전대용 증폭 회로이며, 열전대(31a, 3lb, 31c) 중 검출 전압을 증폭하여 출력한다. 열전대(31a, 31b, 31c)는, 예를 들면, 가스 풍로에 설치되어 있는 3개의 가스버너 각각의 온도를 검출한다. 열전대용 증폭 회로(30a, 30b, 30c) 각각은 아날로그 회로용의 레귤레이터(32)로부터 전원(Vcc)을 공급받고 있고, 열전대용 증폭 회로(30a, 30b, 30c) 각각이 출력하는 온도 검출 신호는 멀티플렉서(33)에 공급된다.
아날로그 회로용의 레귤레이터(32)는 단자(34)로부터 공급되는 전원을 안정화한 전원(Vcc)을 열전대용 증폭 회로(30a, 30b, 30c) 및 AD 컨버터(35)에 공급하고 있다. 디지털 회로용의 레귤레이터(36)는 아날로그 회로용의 레귤레이터(32)와 마찬가지로 단자(34)로부터 공급되는 전원을 안정화한 전원을 마이크로컴퓨터(37)에 공급하고 있다. 이와 같이, 아날로그 회로용의 레귤레이터(32)와 디지털 회로용의 레귤레이터(36)를 분리하고 있는 것은, 디지털 회로(마이크로컴퓨터(37))에서 발생한 고주파 노이즈가 열전대용 증폭 회로(30a, 30b, 30c)나 AD 컨버터(35)에 혼입되는 것을 가능한 한 방지하기 위해서이다.
마이크로컴퓨터(37)는 멀티플렉서(33)에 선택 지시 신호를 공급하여, 멀티플렉서(33)에 열전대용 증폭 회로(30a, 30b, 30c)가 출력하는 온도 검출 신호를 시계열적으로 선택하게 하여 AD 컨버터(35)에 공급한다. AD 컨버터(35)는 공급되는 온도 검출 신호를 아날로그/디지털 변환하고, 얻어진 디지털 온도 검출 신호를 마이크로컴퓨터(37)에 공급한다. 마이크로컴퓨터(37)는 3종류의 상기 디지털 온도 검출 신호를 소정의 임계값과 비교함으로써 3개의 가스 버너가 착화되어 있는지, 또는, 실화되고 있는지를 판정하고, 그 판정 결과를 내장의 메모리에 저장하고, 이 디지털 온도 검출 신호에 기초하여 도시하지 않은 3개의 가스 버너에 대한 알람 처리 등의 제어 처리에 이용한다.
11, 31a, 3lb, 31c 열전대 12, 13 트리밍 회로
14 전류원 15 연산증폭기
22, 23 퓨즈 30a, 30b, 30c 열전대용 증폭 회로
32, 36 레귤레이터 33 멀티플렉서
35 AD 컨버터 37 마이크로컴퓨터
C11 컨덴서 Q11?Q16 트랜지스터
R11?R22 저항

Claims (4)

  1. 열전대의 양단 전압을 증폭하는 열전대용 증폭 회로로서,
    콜렉터가 접지되어 있고, 상기 열전대의 일단의 전압을 베이스에 공급받아 에미터로부터 출력하는 콜렉터 접지의 제 1 트랜지스터와,
    콜렉터가 접지되어 있고, 상기 열전대의 타단의 전압을 베이스에 공급받아 에미터로부터 출력하는 콜렉터 접지의 제 2 트랜지스터와,
    베이스가 일정 전위로 되어 있고, 상기 제 1 트랜지스터의 출력을 에미터에 공급받아 콜렉터로부터 출력하는 베이스 접지의 제 3 트랜지스터와,
    베이스가 일정 전위로 되어 있고, 상기 제 2 트랜지스터의 출력을 에미터에 공급받아 콜렉터로부터 출력하는 베이스 접지의 제 4 트랜지스터와,
    상기 제 3 트랜지스터의 출력과 상기 제 4 트랜지스터의 출력을 차동 증폭하는 연산증폭기를 갖는 것을 특징으로 하는 열전대용 증폭 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 트랜지스터의 콜렉터와 전원 사이에 설치되어, 저항값을 조정하는 제 1 트리밍 회로와,
    상기 제 4 트랜지스터의 콜렉터와 전원 사이에 설치되어, 저항값을 조정하는 제 2 트리밍 회로를 갖는 것을 특징으로 하는 열전대용 증폭 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 트리밍 회로는
    직렬 접속된 N(N은 2 이상의 정수)개의 저항과,
    상기 복수의 저항 중 N-1개의 저항 각각의 양단 사이에 병렬 접속된 퓨즈를 갖는 것을 특징으로 하는 열전대용 증폭 회로.
  4. 검출 온도에 따른 양단 전압을 출력하는 복수의 열전대와,
    상기 복수의 열전대 각각의 양단 전압을 증폭하는 복수의 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 열전대용 증폭 회로와,
    상기 복수의 열전대용 증폭 회로가 출력하는 온도 검출 신호를 차례로 선택하여 출력하는 멀티플렉서와,
    상기 멀티플렉서의 출력 신호를 디지털화하는 AD 컨버터와,
    상기 AD 컨버터가 출력하는 디지털의 온도 검출 신호를 공급받는 마이크로컴퓨터를 갖는 것을 특징으로 하는 온도 감시 시스템.
KR1020120037861A 2011-05-25 2012-04-12 열전대용 증폭 회로 및 온도 감시 시스템 KR101867010B1 (ko)

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