KR20170021440A - 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치 - Google Patents

포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력전원, 입력전원과 연결되어 입력전원이 공급하는 제1 전류를 입력 받아 광신호를 발산하는 광신호 송신부, 광신호를 수신하여 제2 전류를 생성하는 광신호 수신부를 포함하는 포토커플러 및 포토커플러의 출력 단자와 병렬로 연결되어, 포토커플러가 생성하는 상기 제2 전류를 입력 받아 측정하고자 하는 전압으로 변환하는 변환 저항을 포함할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 포토커플러가 일정 범위에서 전류 전달비가 비례한다는 특징을 이용하여 측정하고자 하는 전압의 비율을 포토커플러의 사양에 맞게 설정하여 차동 증폭기 없이도 절연된 전압을 정확하게 측정할 수 있고, 1차 측의 저항에 걸리는 전류의 범위를 계산하여 2차 측에 전류를 유기할 수 있어, 보조의 시퀀스 회로가 필요하지 않고도 연속적으로 전압을 측정할 수 있기에, 회로를 단순화시키면서 정확한 절연전압 측정이 가능한 장치를 구현할 수 있다.

Description

포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치{Isolation DC Voltage Measurement Device By Using Photocoupler}
본 발명은 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력전원, 입력전원과 연결되어 입력전원이 공급하는 제1 전류를 입력 받아 광신호를 발산하는 광신호 송신부, 광신호를 수신하여 제2 전류를 생성하는 광신호 수신부를 포함하는 포토커플러 및 포토커플러의 출력 단자와 병렬로 연결되어, 포토커플러가 생성하는 상기 제2 전류를 입력 받아 측정하고자 하는 전압으로 변환하는 변환 저항을 포함할 수 있다.
절연형 직류전압 측정은 어떠한 회로의 전압을 상호 절연되어 있는 다른 회로에서 측정하는 방식을 의미한다.
기존의 절연형 직류전압 측정 시에는 Isolation Op-Amp를 이용하여 측정하는 방법을 사용하거나, 도 1과 같이 상호 절연된 1차 회로 및 2차 회로가 있는 경우 1차 측의 전압을 측정하기 위하여 2차 측에 캐패시터를 위치시키고 절연된 포토스위치를 이용하여 캐패시터를 충전 또는 방전하여 캐패시터에 충전된 전압을 측정하는 방식으로 절연된 1차 측 전압을 도출하였다.
다만 기존의 Isolation Op-Amp를 이용하여 절연된 전압을 측정할 경우, 차동 회로를 사용하여 전압을 증폭한 후 측정해야 하는데 Isolation Op-Amp의 입력 전원이 최대 2V로 출력할 수 밖에 없어, 측정 전압을 최대 2V로 한정할 수 밖에 없다는 문제점이 존재한다.
또한 도 1과 같은 포토스위치를 이용하여 절연된 전압을 측정하는 경우에는 포토스위치에 전압을 임시 저장할 수 있는 캐패시터가 필요하다. 더하여 포토스위치를 On/Off 하는 시퀀스 제어가 별도로 필요하며, 캐패시터에 전압이 충전되는 순간 정확한 전압을 읽어야 정확한 1차 측 전압을 측정할 수 있기에 캐패시터에 충전된 전압을 제어하는 Op-Amp가 추가적으로 필요하므로 회로 구성이 복잡하게 되어 제조 공정이 복잡해지고 소형화가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 기술적 배경을 바탕으로 발명되었으며, 이상에서 살핀 기술적 요구를 충족시킴은 물론, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 발명할 수 없는 추가적인 기술요소들을 제공하기 위해 발명되었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 포토커플러가 일정 범위에서 전류 전달비가 비례한다는 특징을 이용하여 측정하고자 하는 전압의 비율을 포토커플러의 사양에 맞게 설정하여 차동 증폭기 없이도 절연된 전압을 정확하게 측정하게 하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 1차 측의 저항에 걸리는 전류의 범위를 계산하여 2차 측에 전류를 유기할 수 있어, 보조의 시퀀스 회로가 필요하지 않으며 연속적으로 전압을 측정할 수 있기에, 회로를 단순화시키면서 정확한 절연전압 측정이 가능한 장치를 구현하는 것을 목적으로 한다.
더불어 본 발명은 전압 측정 시 전기적으로 절연된 상태에서 측정이 가능하게 하여 큰 전압이 흐르는 곳에서도 안전하게 전압을 측정할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
아울러 본 발명은 포토커플러에 의해 전기적으로 절연되어 광신호에 의해 신호가 전달되므로 노이즈의 영향이 적고, 이에 더해 유기된 신호의 노이즈를 제거하면서 2단 증폭하는 회로를 구성하여 보다 정확한 전압을 측정하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치는 입력전원, 상기 입력전원과 연결되어 상기 입력전원이 공급하는 제1 전류를 입력 받아 광신호를 발산하는 광신호 송신부, 상기 광신호를 수신하여 제2 전류를 생성하는 광신호 수신부를 포함하는 포토커플러 및 상기 포토커플러의 출력 단자와 병렬로 연결되어, 상기 포토커플러가 생성하는 상기 제2 전류를 입력 받아 측정하고자 하는 전압으로 변환하는 변환 저항을 포함할 수 있다.
이때 상기 광신호 수신부는상기 제1 전류에 비례하는 전류전달비를 갖는 제2 전류를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다. 더하여 상기 입력전원과 상기 변환 저항에 걸리는 전압은 비례하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 입력전원 및 포토커플러와 병렬로 연결되고, 상기 입력전원의 전압을 분압하여 상기 포토커플러에 전달하는 분압부를 더 포함할 수 있고, 상기 분압부는 상기 입력전원에 직렬 연결된 제1 저항 및 제2 저항, 상기 제1 저항에 병렬로 연결된 제1 캐패시터를 포함하고, 상기 포토커플러는 상기 제1 캐패시터에 병렬 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
더불어 본 발명은 상기 포토 커플러의 출력 단자에 연결되는 (+)입력단, 상기 제2 전류를 측정하고자 하는 전압으로 변환하여 출력하는 출력단, 제1 노드에 연결되는 (-)입력단을 포함하는 제1 증폭기를 포함하는 전압 변환부를 더 포함하고, 상기 제1 노드는 상기 포토 커플러의 출력 단자에 연결된 제1 노이즈 제거부와 연결되고, 접지와 연결된 제2 노이즈 제거부와 연결되고, 상기 제1 증폭기의 출력단과 연결된 제3 노이즈 제거부와 연결되는 것을 특징으로 할 수 있고, 이때 상기 제1 노이즈 제거부 및 제2 노이즈 제거부는 저항 및 캐패시터가 직렬 또는 병렬로 연결되어 있고, 상기 제3 노이즈 제거부는 저항 및 캐패시터가 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
아울러 본 발명은 상기 전압 변환부의 출력 단자에 병렬 연결되어 상기 전압 변환부가 변환한 전압을 증폭시키는 제2 증폭기를 포함하는 증폭부를 더 포함하고, 상기 제2 증폭기는 비반전 증폭기 또는 반전 증폭기인 것을 특징으로 할 수 있다.또한 상기 입력전원과 상기 증폭부의 출력단에 걸리는 전압은 비례하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 포토커플러가 일정 범위에서 전류 전달비가 비례한다는 특징을 이용하여 측정하고자 하는 전압의 비율을 포토커플러의 사양에 맞게 설정하여 차동 증폭기 없이도 절연된 전압을 정확하게 측정할 수 있다.
또한 본 발명은 1차 측의 저항에 걸리는 전류의 범위를 계산하여 2차 측에 전류를 유기할 수 있어, 보조의 시퀀스 회로가 필요하지 않으며 연속적으로 전압을 측정할 수 있기에, 회로를 단순화시키면서 정확한 절연전압 측정이 가능한 장치를 구현할 수 있다.
더불어 본 발명은 전압 측정 시 전기적으로 절연된 상태에서 측정이 가능하므로 큰 전압이 흐르는 곳에서도 안전하게 전압을 측정할 수 있다.
아울러 본 발명은 포토커플러에 의해 전기적으로 절연되어 광신호에 의해 신호가 전달되므로 노이즈의 영향이 적고, 이에 더해 유기된 신호의 노이즈를 제거하면서 2단 증폭하는 회로를 구성하여 보다 정확한 전압을 측정할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 포토스위치를 이용하여 절연형 직류전압을 측정하는 회로 구성을 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치의 기능 블럭을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치에 비반전 증폭기를 이용한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치에 반전 증폭기를 이용한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치의 노이즈 제거부의 구성을 설명하기 위한 참고도이다.
도 6은 포토커플러가 입력 전류에 따라 전달 전류비가 비례하는 구간의 특징을 설명하기 위한 참고도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치의 회로의 각 구간에서 출력되는 전압을 측정한 참고도이다.
본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되거나 이용되지 않아야 할 것이다. 이 분야의 통상의 기술자에게 본 명세서의 실시예를 포함한 설명은 다양한 응용을 갖는다는 것이 당연하다. 따라서, 본 발명의 상세한 설명에 기재된 임의의 실시예들은 본 발명을 보다 잘 설명하기 위한 예시적인 것이며 본 발명의 범위가 실시예들로 한정되는 것을 의도하지 않는다.
도면에 표시되고 아래에 설명되는 기능 블록들은 가능한 구현의 예들일 뿐이다. 다른 구현들에서는 상세한 설명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 기능 블록들이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 하나 이상의 기능 블록이 개별 블록들로 표시되지만, 본 발명의 기능 블록들 중 하나 이상은 동일 기능을 실행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합일 수 있다.
또한, 어떤 구성요소들을 포함한다는 표현은 개방형의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
나아가 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
도 1은 종래 기술에 따른 포토스위치를 이용하여 절연형 직류전압을 측정하는 회로 구성을 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 포토스위치를 이용하여 절연형 직류전압을 측정하는 방식은 상호 절연된 1차 회로 및 2차 회로가 있는 경우 1차 측의 전압을 측정하기 위하여 2차 측에 캐패시터를 위치하고 절연된 포토스위치를 이용하여 캐패시터를 충전 또는 방전하여 캐패시터에 충전된 전압으로 이용하여 절연된 1차 측 전압을 측정한다.
다만 포토스위치를 이용하여 절연된 전압을 측정하는 경우에는 포토스위치에 전압을 임시 저장할 수 있는 캐패시터가 필요하다. 더하여 포토스위치를 On/Off 하는 시퀀스 제어가 별도로 필요하며, 캐패시터에 전압이 충전되는 순간 정확한 전압을 읽어야 정확한 1차 측 전압을 측정할 수 있기에 캐패시터에 충전된 전압을 제어하는 Op-Amp가 추가적으로 필요하므로 회로 구성이 복잡하게 되어 제조 공정이 복잡해지고 소형화가 어려운 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치(100)의 기능 블럭을 나타낸 도면이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치(100)의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치(100)는 입력전원(10), 포토커플러(110) 및 변환 저항(120)을 포함한다. 보다 상세하게는, 입력전원(10), 입력전원(10)과 연결되어 입력전원(10)이 공급하는 제1 전류를 입력 받아 광신호를 발산하는 광신호 송신부(111)와 광신호를 수신하여 제2 전류를 생성하는 광신호 수신부(112)를 포함하는 포토커플러(110) 및 포토커플러(110)의 출력 단자와 병렬로 연결되어 포토커플러(110)가 생성하는 상기 제2 전류를 입력 받아 측정하고자 하는 전압으로 변환하는 변환 저항(120)을 포함할 수 있다. 이때 제1 전류는 포토커플러(110)가 입력 받는 전류이며, 제2 전류는 포토커플러(110)가 출력하는 전류를 의미한다.
상기 입력전원(10)은 측정하려는 전압을 공급하는 전원으로, 포토커플러(110)가 단방향으로 동작을 하기에 직류 전원인 것이 바람직하다.
상기 포토커플러(110)는 입력전원(10)과 연결되어 입력전원(10)이 공급하는 제1 전류를 입력 받아 광신호를 발산하는 광신호 송신부(111)와 광신호를 수신하여 제2 전류를 생성하는 광신호 수신부(112)를 포함할 수 있다.
이때 광신호 송신부(111)는 발광 다이오드로서 적외선 LED를 사용할 수 있으며, 광신호 수신부(112)는 광 다이오드(Photo Diode) 또는 광 트랜지스터(Photo Transistor)를 사용할 수 있다. 광신호 송신부(111)와 광신호 수신부(112)는 투명수지를 매개하여 광학적으로 결합하는데, 외광을 차단하고 기계적인 강도를 더하기 위해 그 둘레를 검은색 수지로 두껍게 덮을 수 있다. 또한 광신호 송신부(111)에 갈륨아세니드알루미늄, 광신호 수신부(112)에 pin다이오드의 고속소자를 사용하면 100MHz까지 사용할 수 있고, 직류에서 고주파까지 평탄한 주파수 응답을 얻을 수 있다.
포토커플러(110)는 빛을 이용하기 때문에 잡음에 강하고, 시스템을 구성하는 장치 간의 전류를 절연할 수 있으며, 각 장치마다 접지가 가능하다. 또한 장치 간의 결합용량이 작기 때문에 출력 쪽의 신호가 입력 쪽으로 되돌아가는 일이 없는 등의 장점이 있다. 이 때문에 전압을 측정하기 위해 전기회로 등을 포토커플러(110)를 매개하여 결합하면, 전원 전압의 차이나 기계부에서 발생하는 노이즈에 신경을 쓸 필요가 없어 회로설계를 단순화 할 수 있다. 더하여 전압 측정 시 전기적으로 절연된 상태에서 측정이 가능하므로 큰 전압이 흐르는 곳에서도 안전하게 전압을 측정할 수 있는 장점이 있다.
한편 상기 광신호 수신부(112)는 제1 전류에 비례하는 전류전달비(광신호 송신부의 입력전류에 대한 광신호 수신부의 출력전류의 비, Current Transfer Ratio, CTR)를 갖는 제2 전류를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다. 포토커플러(110)는 도 6과 같이 일정한 전류 범위 내에서 입력전류에 전류전달비가 비례하는 특성이 있기 때문이다. 도 6의 실험에서 사용한 포토커플러(110)인 EL817은 입력전류가 0mA~10mA에서 전류 전달비가 선형적인 특성이 있었고, 이 범위는 포토커플러(110)의 제조사마다 미세하게 차이가 있을 수 있다. 본 발명은 후술할 분압부(130)를 이용하여 포토커플러(110)의 전달전류비가 선형적인 영역 내에서 사용할 수 있게 하기에, 측정하고자 하는 전압의 비율을 포토커플러(110)의 사양에 맞게 분압하여 절연된 전압을 측정할 수 있다.
더하여 도 7과 같이, 상기 입력전원(도 3의 (a) 지점)과 변환 저항에 걸리는 전압(도 3의 (b) 지점)은 비례하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는 포토커플러(110)의 광신호 수신부(112)가 제1 전류에 비례하는 전류전달비를 갖는 제2 전류를 생성하기 때문이다. 따라서 입력 전압과 비례하는 크기의 절연전압을 변환 저항의 노드에서 측정이 가능하여 큰 전압이 흐르는 곳에서도 안전하게 전압을 측정할 수 있는 장점이 있다.
상기 변환 저항(120)은 포토커플러(110)의 출력 단자와 병렬로 연결되어 포토커플러(110)가 생성한 제2 전류를 측정하고자 하는 전압으로 변환한다. 따라서 본 발명은 변환 저항(120)이 제2 전류로부터 변환한 전압 값으로부터 절연전압을 도출할 수 있게 한다. 다만 절연전압 측정을 용이하게 하기 위해서는 변환 저항(120)이 변환한 전압의 크기가 충분히 커야 하는데, 이를 효율적으로 증폭하기 위해 후술할 전압 변환부(140) 또는 증폭부의 구성이 더 추가될 수 있다.
한편 본 발명의 다른 실시예로 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치(100)는 입력전원(10) 및 포토커플러(110)와 병렬로 연결되고, 상기 입력전원(10)의 전압을 분압하여 상기 포토커플러(110)에 전달하는 분압부(130)를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 포토커플러(110)의 전달전류비가 선형적인 영역 내에서 사용하는 것이 목적이기에, 전달전류비가 선형적인 특성을 갖는 입력전류를 갖도록 저항값을 조절하여 입력전류를 다르게 할 수 있으며, 또한 입력전원(10)의 전압이 매우 큰 경우에는 전압을 분압하여 측정할 수 있도록 할 수 있다.
이때 상기 분압부(130)는 입력전원(10)에 직렬 연결된 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2), 상기 제1 저항(R1)에 병렬로 연결된 제1 캐패시터(C1)를 포함하고, 포토커플러(110)는 제1 캐패시터(C1)에 병렬 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.
따라서 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2) 값을 조절하여 포토커플러(110)에 입력될 제1 전류 값을 조절하여 포토커플러(110)의 전달전류비가 선형적인 영역 내에서 사용할 수 있게 할 수 있으며, 입력전원(10)의 전압이 매우 클 경우 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)에 전압을 분배시켜 제1 저항(R1)에 걸리는 전압만 측정하여 전체 입력전원(10)의 전압을 측정이 가능하다. 한편 제1 저항(R1)과 제1 캐패시터(C1)가 병렬로 연결되어 입력전원(10) 측에 포함된 노이즈 성분을 제거할 수 있다.
더불어 본 발명의 다른 실시예로 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치(100)는 포토 커플러의 출력 단자에 연결되는 (+)입력단, 제2 전류를 측정하고자 하는 전압으로 변환하여 출력하는 출력단, 제1 노드(145)에 연결되는 (-)입력단을 포함하는 제1 증폭기(144)를 포함하는 전압 변환부(140)를 더 포함하고, 제1 노드(145)는 포토 커플러의 출력 단자에 연결된 제1 노이즈 제거부(141)와 연결되고, 또한 제1 노드(145)는 접지와 연결된 제2 노이즈 제거부(142)와 연결되며, 더하여 제1 노드(145)는 제1 증폭기(144)의 출력단과 연결된 제3 노이즈 제거부(143)와 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다. 한편 제1 증폭기(144)가 입력 임피던스 성분, 양의 전원 공급 전압 및 음의 전원 공급 전압이 연결되어 있음은 자명하다.
따라서 전압 변환부(140)는 변환 저항(120)이 변환한 전압을 증폭시키는 동시에 노이즈를 제거할 수 있는데, 제1 노이즈 제거부(141)는 제1 증폭기(144)의 입력측 신호원에 대한 노이즈를 제거할 수 있고, 제2 노이즈 제거부(142)는 입력측 신호원의 고주파 신호를 필터링할 수 있으며, 제3 노이즈 제거부(143)는 출력 신호원의 노이즈를 제거하는 기능을 한다.
이때 제1 노이즈 제거부(141) 및 제2 노이즈 제거부(142)는 도 5와 같이 저항 및 캐패시터가 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한 제3 노이즈 제거부(143)는 저항 및 캐패시터가 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
다만 본 발명은 이와 같은 조합을 택하여 실험하였을 때, 제1 노이즈 제거부(141)는 저항과 캐패시터가 직렬되고, 제2 노이즈 제거부(142) 및 제3 노이즈 제거부(143)의 저항과 캐패시터가 병렬로 연결되었을 때 노이즈의 제거가 가장 효율적임을 확인하였다. 따라서 제1 노이즈 제거부(141)는 저항과 캐패시터를 직렬로 연결하고, 제2 노이즈 제거부(142) 및 제3 노이즈 제거부(143)의 저항과 캐패시터를 병렬로 연결함이 가장 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 실시예로 전압 변환부(140)가 존재할 때, 전압 변환부(140)의 출력 단자에 병렬 연결되어 전압 변환부(140)가 변환한 전압을 증폭시키는 제2 증폭기를 포함하는 증폭부(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 증폭부(150)는 상술한 전압 변환부(140)에서 노이즈를 제거한 신호를 증폭시키기에 더욱 정확한 결과를 측정할 수 있으며, 적은 전압으로 증폭을 더 크게 할 수 있어 효율적이다.
예를 들어 1V의 전압을 100배 증폭시키고자 하는 경우 노이즈 제거부가 없는 증폭기 하나만을 사용한다면, 노이즈 또한 100배가 증폭되기 때문에 정확한 절연전압의 측정이 어려워 진다. 따라서 상술한 전압 변환부(140)에서 입력된 신호의 노이즈를 제거한 후 증폭시키게 되고, 그 후 상기 증폭기에서 한번 더 증폭하게 되면 노이즈 없이 보다 효율적으로 전압을 증폭하여 정확한 절연전압 측정에 도움이 된다.
또한 입력 전압이 1V 일 때 전압을 100배 증폭시키고자 하는 경우에 하나의 증폭기만을 사용한다면, 증폭기에 100V의 전원 공급을 해주어야 한다. 다만 전압 변환부(140)와 증폭부의 제1 증폭기(144), 제2 증폭기를 사용하는 경우, 각 증폭기에 10V 만 공급하여도 10x10 =100배를 증폭할 수 있기에 10V의 공급 전압만으로 100배를 증폭할 수 있어 더욱 효율적이다.
이때 상기 제2 증폭기는 비반전 증폭기(151) 또는 반전 증폭기(152)인 것을 특징으로 할 수 있다. 따라서 제2 증폭기가 비반전 증폭기(151)인 경우에는 도 3과 같이 회로를 구성할 수 있으며 전압 변환부(140)가 노이즈를 제거한 후 출력한 신호를 보다 크게 증폭하기 위해 증폭할 수 있다. 또한 제2 증폭기가 반전 증폭기(152)인 경우에는 도 4와 같이 회로를 구성할 수 있으며 전압 변환부(140)가 노이즈를 제거한 후 출력한 신호를 보다 크게 증폭하거나, 작게 감소시킬 수 있다. 따라서 측정할 결과 전압이 너무 크거나 작을 때 이를 조절하여 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다. 이때 제2 증폭기의 (+)입력단 또는 (-)입력단에 접지와 연결된 풀다운(pull down) 저항을 추가하여 제2 증폭기의 입력 신호를 더욱 안정화 시킬 수도 있다.
더하여 도 7과 같이, 상기 입력전원(도 3의 (a) 지점)과 상기 증폭부의 출력단에 걸리는 전압(도 3의 (c) 지점)은 비례하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는 포토커플러(110)의 광신호 수신부(112)가 제1 전류에 비례하는 전류전달비를 갖는 제2 전류를 생성하고, 전압 변환부(140)와 증폭부(150)가 입력 전압을 1차 함수의 형태로 비례하게 증가시키기 때문이다. 따라서 입력 전압과 비례하는 크기의 절연전압을 증폭부(150)의 출력단에서 측정이 가능하여 변환 저항에 걸리는 전압에 비해 상대적으로 큰 전압이 증폭부(150)의 출력단에 걸리며, 더하여 전압 변환부(140)에서 노이즈가 제거되었기 때문에 측정이 용이하며 정확하다는 장점이 있다.
이렇듯 도 3의 회로와 같이 상술한 입력전원(10), 분압부(130), 포토커플러(110), 변환 저항(120), 전압 변환부(140) 및 증폭부(150)의 구성을 모두 포함할 때, 도 3의 a), b), c) 지점에서 전압을 측정한 결과는 도 7과 같다. 이와 같이 입력전압이 커질수록 증폭부의 출력 단자에서 측정한 전압도 비례하여 증가하므로, 회로를 구성하는 각 소자의 값을 설정하면 이를 토대로 절연전압을 측정할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 입력전원
100: 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치
110: 포토커플러
111: 광신호 송신부
112: 광신호 수신부
120: 변환 저항
130: 분압부
R1: 제1 저항
R2: 제2 저항
C1: 제1 캐패시터
140: 전압 변환부
141: 제1 노이즈 제거부
142: 제2 노이즈 제거부
143: 제3 노이즈 제거부
144: 제1 증폭기
145: 제1 노드
150: 증폭부
151: 비반전 증폭기
152: 반전 증폭기

Claims (11)

  1. 입력전원;
    상기 입력전원과 연결되어 상기 입력전원이 공급하는 제1 전류를 입력 받아 광신호를 발산하는 광신호 송신부, 상기 광신호를 수신하여 제2 전류를 생성하는 광신호 수신부를 포함하는 포토커플러; 및
    상기 포토커플러의 출력 단자와 병렬로 연결되어, 상기 포토커플러가 생성하는 상기 제2 전류를 입력 받아 측정하고자 하는 전압으로 변환하는 변환 저항;
    을 포함하는 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광신호 수신부는,
    상기 제1 전류에 비례하는 전류전달비를 갖는 제2 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력전원과 상기 변환 저항에 걸리는 전압은 비례하는 것을 특징으로 하는 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 입력전원 및 포토커플러와 병렬로 연결되고, 상기 입력전원의 전압을 분압하여 상기 포토커플러에 전달하는 분압부;
    를 더 포함하는 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분압부는,
    상기 입력전원에 직렬 연결된 제1 저항 및 제2 저항;
    상기 제1 저항에 병렬로 연결된 제1 캐패시터;
    를 포함하고,
    상기 포토커플러는 상기 제1 캐패시터에 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 포토 커플러의 출력 단자에 연결되는 (+)입력단, 상기 제2 전류를 측정하고자 하는 전압으로 변환하여 출력하는 출력단, 제1 노드에 연결되는 (-)입력단을 포함하는 제1 증폭기를 포함하는 전압 변환부;
    를 더 포함하고,
    상기 제1 노드는,
    상기 포토 커플러의 출력 단자에 연결된 제1 노이즈 제거부와 연결되고,
    접지와 연결된 제2 노이즈 제거부와 연결되고,
    상기 제1 증폭기의 출력단과 연결된 제3 노이즈 제거부와 연결되는 것을 특징으로 하는 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 노이즈 제거부 및 제2 노이즈 제거부는,
    저항 및 캐패시터가 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제3 노이즈 제거부는,
    저항 및 캐패시터가 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 전압 변환부의 출력 단자에 병렬 연결되어 상기 전압 변환부가 변환한 전압을 증폭시키는 제2 증폭기를 포함하는 증폭부;
    를 더 포함하는 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 증폭기는,
    비반전 증폭기 또는 반전 증폭기인 것을 특징으로 하는 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 입력전원과 상기 증폭부의 출력단에 걸리는 전압은 비례하는 것을 특징으로 하는 포토커플러를 이용한 절연형 직류전압 측정장치.
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