KR20230019572A - 션트 저항을 이용한 절연형 센서 - Google Patents

션트 저항을 이용한 절연형 센서 Download PDF

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KR20230019572A
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isolated sensor
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박종후
아흐무드 아쉬라프
이합 무하마드
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

션트 저항을 이용한 절연형 센서가 개시된다. 션트 저항을 이용한 절연형 센서는, 입력 전원과 연결된 션트 저항; 및 상기 입력 전원과 연결된 션트 저항을 통해 감지된 신호를 펄스의 시간 폭으로 변환한 후 절연하여 마이크로프로세서로 출력하는 센싱부를 포함한다.

Description

션트 저항을 이용한 절연형 센서{Isolated sensor using shunt resistor}
본 발명은 션트 저항을 이용한 절연형 센서에 관한 것이다.
절연된 교류 전압을 감지하는 방법의 대표적인 예는 저주파 트랜스포머를 이용하여 절연시키고 전압을 강하하여 전압값을 취득하는 방법이나 고가의 전용 반도체 집적 회로 또는 교류 전압의 크기를 낮은 전압으로 분압하여 각 프로세서에서 읽어 들이는 방법을 사용하는 것이나 이는 회로의 부피가 커서 집적도가 떨어지고 중량이 무거운 단점이 있다.
또한, 변압기를 사용하는 경우 교류 정보는 측정이 가능하나 직류는 홀 센서라는 고가의 소자를 필요로 하는 단점이 있다.
본 발명은 션트 저항을 이용한 절연형 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 단일 IC칩에 모든 센서 구성이 통합 가능하여 다른 센서에 비교 저렴하며 크기도 작은 션트 저항을 이용한 절연형 센서를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 노이즈에 강인하고 디지털 제어에 적합한 션트 저항을 이용한 절연형 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 션트 저항을 이용한 절연형 센서가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력 전원과 연결된 션트 저항; 및 상기 입력 전원과 연결된 션트 저항을 통해 감지된 신호를 펄스의 시간 폭으로 변환한 후 절연하여 마이크로프로세서로 출력하는 센싱부를 포함하는 절연형 센서가 제공될 수 있다.
상기 센싱부는, 상기 입력 전원(P)과 연결된 션트 저항의 전압 강하를 측정한 후 증폭하여 출력하는 차동 연산 증폭기; 톱니파 신호를 생성하는 신호 발생부; 상기 차동 연산 증폭기의 출력 신호와 상기 톱니파 신호를 비교하여 펄스폭 변조 신호를 출력하는 비교기; 및 상기 비교기에서 출력되는 펄스폭 변조 신호를 절연하여 마이크로프로세서로 출력하는 절연 소자부를 포함할 수 있다.
상기 입력 전원은 DC 전류이다.
상기 비교기는, 상기 차동 연산 증폭기의 출력 신호보다 상기 톱니파 신호가 크면 하이(high) 및 로우(low) 펄스 중 어느 하나를 출력하고, 상기 차동 연산 증폭기의 출력 신호보다 상기 톱니파 신호가 작으면, 상기 하이(high) 및 로우(low) 펄스 중 다른 하나를 출력할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 입력 전원과 연결된 션트 저항; 및 상기 입력 전원과 연결된 션트 저항을 통해 감지된 신호에 가상의 DC 값을 오프셋 신호로 반영하여 펄스의 시간 폭으로 변환한 후 절연하여 마이크로프로세서로 출력하는 센싱부를 포함하는 절연형 센서가 제공될 수 있다.
상기 센싱부는, 상기 입력 전원과 연결된 션트 저항의 전압 강하를 측정한 후 증폭하여 출력하는 제1 증폭기; 상기 가상의 DC 값에 해당하는 오프셋 신호를 생성하는 오프셋 생성기; 상기 차동 연산 증폭기의 출력 신호에 상기 오프셋 신호를 가산하여 출력하는 제2 증폭기; 상기 제2 증폭기의 출력 신호와 톱니파 신호를 비교하여 펄스폭 변조 신호를 출력하는 비교기; 및 상기 비교기에서 출력되는 펄스폭 변조 신호를 절연하여 마이크로프로세서로 출력하는 절연 소자부를 포함할 수 있다.
상기 입력 전원은 AC 전류이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 션트 저항을 이용한 절연형 센서를 제공함으로써, 단일 IC칩에 모든 센서 구성이 통합 가능하여 다른 센서에 비교 저렴하며 크기도 작은 이점이 있다.
또한, 본 발명은 디지털 제어에 적합하며, 노이즈에 강인한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 션트 저항을 이용한 절연형 센서를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 션트 저항을 이용한 절연형 센서의 내부 회로도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연형 센서의 회로도를 도시한 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 션트 저항을 이용한 절연형 센서를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 션트 저항을 이용한 절연형 센서의 내부 회로도를 도시한 도면이다. 이하에서는 DC 측정을 위한 절연형 센서의 회로도에 대해 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연형 센서(100)는 입력 전원(P)에 션트 저항(
Figure pat00001
)이 연결되며, 센싱부(120)가 입력 전원(P)와 연결된 션트 저항(
Figure pat00002
)(110)의 전압 강하를 측정한 후 입력 전원과 연결된 상기 션트 저항의 전압 강하를 측정하여 전류 또는 전압값(신호)을 펄스의 시간 폭으로 변환한 후 절연하여 마이크로프로세서로 출력할 수 있다.
센싱부(120)의 상세 구조는 도 2에 도시된 바와 같다. 센싱부(120)는 DC 전류 또는 전압값을 펄스의 시간폭으로 변환하여 출력할 수 있다. 이하에서 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱부(120)는 차동 연산 증폭기(210), 신호 발생부(220), 비교기(230) 및 절연 소자부(240)를 포함하여 구성된다.
차동 연산 증폭기(210)는 입력 전원(P)에 연결된 션트 저항(
Figure pat00003
)에 의해 감지된 신호를 증폭하여 출력하기 위한 수단이다. 즉, 차동 연산 증폭기(210)는 션트 저항(
Figure pat00004
)의 전압 강하를 측정할 수 있다.
신호 발생부(220)는 톱니파 신호(또는 삼각파 신호)를 출력하기 위한 수단이다.
비교기(230)는 차동 연산 증폭기(210)에서 출력된 신호와 신호 발생부(220)에서 출력되는 톱니파 신호를 비교하여 펄스폭 변조 신호(PWM: pulse width modulation, 이하에서는 PWM 신호 칭하기로 함)를 출력하기 위한 수단이다.
예를 들어, 비교기(230)는 차동 연산 증폭기(310)의 출력 신호(
Figure pat00005
)보다 신호 발생부(220)에서 출력된 톱니파 신호의 크기가 더 큰 경우, 하이(high) 및 로우(low) 중 어느 하나를 출력할 수 있다. 또한, 비교기(230)는 출력 신호(
Figure pat00006
)보다 신호 발생부(220)에서 출력된 톱니파 신호의 크기가 더 작은 경우, 하이(high) 및 로우(low) 중 다른 하나를 출력할 수 있다.
즉, 비교기(230)는 DC 전류원과 연결된 션트 저항을 통해 감지된 신호와 톱니파 신호를 비교하여 PWM 신호를 생성할 수 있다.
절연 소자부(240)는 비교기(230)에서 출력되는 PWM 신호를 절연하여 마이크로프로세서(미도시)로 출력하기 위한 수단이다.
예를 들어, 절연 소자부(240)는 아이솔레이터, 광 커플러, 자기 또는 용량성 절연일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센싱부(120)는 입력 전원에 션트 저항을 연결한 후 션트 저항을 통해 감지되는 신호를 톱니파 신호와 비교하여 DC 전류 또는 전압값을 펄스의 시간 폭으로 변환한 후 절연하여 마이크로프로세서로 출력할 수 있다.
결과적으로 센싱부(120)에서 출력되는 펄스 신호는 감지된 신호에 비례할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱부(120)는 션트 저항을 통해 감지된 신호를 맥동 신호로 변환한 후 절연하여 출력하기 때문에 노이즈에 강인한 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 센싱부(120)에 의해 감지된 전류는 하기 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00007
여기서,
Figure pat00008
는 션트 저항을 나타내고,
Figure pat00009
는 센싱부에서 출력되는 맥동 신호의 주기를 나타내고,
Figure pat00010
는 센싱부에서 출력되는 맥동 신호의 펄스 폭을 나타내고,
Figure pat00011
는 톱니파 신호의 진폭을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연형 센서의 회로도를 도시한 도면이다.
도 3에서는 AC 전류를 감지하는 절연형 센서(300)의 상세 구조에 대해 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연형 센서(300)는 제1 증폭기(310), 오프셋 생성기(320), 제2 증폭기(330), 신호 발생부(340), 비교기(350) 및 절연 소자부(360)를 포함하여 구성된다.
제1 증폭기(310)는 입력 전원(P)과 연결된 션트 저항(
Figure pat00012
)에 의해 감지된 신호를 증폭하여 출력한다.
오프셋 생성기(320)는 오프셋 신호를 출력하기 위한 수단이다. 오프셋 생성기(320)는 AC 전류의 음의 부분을 이동하는데 필요한 오프셋 신호를 제공하기 위한 구성이다. 즉, 오프셋 생성기(320)는 가상의 DC 값을 오프셋으로 생성하여 출력할 수 있다. 따라서, 오프셋 생성기(320)는 DC값만큼 오프셋을 생성하여 출력할 수 있다.
제2 증폭기(330)는 제1 증폭기(310)에서 출력된 신호에 오프셋 생성기(320)에서 출력된 오프셋값을 가산하여 출력한다.
제2 증폭기(330)를 통해 오프셋 생성기(320)에서 발생된 가상의 DC 값을 제1 증폭기(310)에서 출력된 신호에 반영하여 출력하도록 할 수 있다.
신호 발생부(340)는 전술한 바와 같이, 톱니파 신호(또는 삼각파 신호)를 출력하기 위한 수단이다.
비교기(350)는 제2 증폭기(330)에서 출력된 신호와 신호 발생부(340)에서 출력되는 톱니파 신호를 비교하여 펄스폭 변조 신호(PWM: pulse width modulation, 이하에서는 PWM 신호 칭하기로 함)를 출력하기 위한 수단이다.
예를 들어, 비교기(350)는 제2 증폭기(330)의 출력 신호(
Figure pat00013
)보다 신호 발생부(340)에서 출력된 톱니파 신호의 크기가 더 큰 경우, 하이(high) 및 로우(low) 중 어느 하나를 출력할 수 있다. 또한, 비교기(350)는 출력 신호(
Figure pat00014
)보다 신호 발생부(340)에서 출력된 톱니파 신호의 크기가 더 작은 경우, 하이(high) 및 로우(low) 중 다른 하나를 출력할 수 있다.
즉, 비교기(350)는 AC 전원과 연결된 션트 저항을 통해 감지된 신호에 가상의 DC 값을 오프셋으로 반영한 후 톱니파 신호를 비교하여 PWM 신호를 생성할 수 있다.
절연 소자부(360)는 비교기(350)에서 출력되는 PWM 신호를 절연하여 마이크로프로세서(미도시)로 출력하기 위한 수단이다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서(300)는 입력 전원에 션트 저항을 연결한 후 션트 저항을 통해 감지되는 신호에 가상의 DC값을 오프셋으로 반영하여 톱니파 신호와 비교하여 AC 전류값을 펄스의 시간 폭으로 변환한 후 절연하여 마이크로프로세서로 출력할 수 있다.
이와 같은 경우, 전류는 하기 수학식 2를 이용하여 측정될 수 있다.
Figure pat00015
여기서,
Figure pat00016
는 오프셋으로 가상의 DC 값을 나타낸다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 절연형 센서
110: 션트 저항
120: 센싱부

Claims (7)

  1. 입력 전원과 연결된 션트 저항; 및
    상기 입력 전원과 연결된 션트 저항을 통해 감지된 신호를 펄스의 시간 폭으로 변환한 후 절연하여 마이크로프로세서로 출력하는 센싱부를 포함하는 절연형 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 센싱부는,
    상기 입력 전원(P)과 연결된 션트 저항의 전압 강하를 측정한 후 증폭하여 출력하는 차동 연산 증폭기;
    톱니파 신호를 생성하는 신호 발생부;
    상기 차동 연산 증폭기의 출력 신호와 상기 톱니파 신호를 비교하여 펄스폭 변조 신호를 출력하는 비교기; 및
    상기 비교기에서 출력되는 펄스폭 변조 신호를 절연하여 마이크로프로세서로 출력하는 절연 소자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연형 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 입력 전원은 DC 전류인 것을 특징으로 하는 절연형 센서.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 비교기는,
    상기 차동 연산 증폭기의 출력 신호보다 상기 톱니파 신호가 크면 하이(high) 및 로우(low) 펄스 중 어느 하나를 출력하고,
    상기 차동 연산 증폭기의 출력 신호보다 상기 톱니파 신호가 작으면, 상기 하이(high) 및 로우(low) 펄스 중 다른 하나를 출력하는 것을 특징으로 하는 절연형 센서.
  5. 입력 전원과 연결된 션트 저항; 및
    상기 입력 전원과 연결된 션트 저항을 통해 감지된 신호에 가상의 DC 값을 오프셋 신호로 반영하여 펄스의 시간 폭으로 변환한 후 절연하여 마이크로프로세서로 출력하는 센싱부를 포함하는 절연형 센서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 센싱부는,
    상기 입력 전원과 연결된 션트 저항의 전압 강하를 측정한 후 증폭하여 출력하는 제1 증폭기;
    상기 가상의 DC 값에 해당하는 오프셋 신호를 생성하는 오프셋 생성기;
    상기 차동 연산 증폭기의 출력 신호에 상기 오프셋 신호를 가산하여 출력하는 제2 증폭기;
    상기 제2 증폭기의 출력 신호와 톱니파 신호를 비교하여 펄스폭 변조 신호를 출력하는 비교기; 및
    상기 비교기에서 출력되는 펄스폭 변조 신호를 절연하여 마이크로프로세서로 출력하는 절연 소자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연형 센서.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 입력 전원은 AC 전류인 것을 특징으로 하는 절연형 센서.

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