안정적인 산업 측정을 위한 절연 기술

개요

전압, 전류, 온도, 압력, 스트레인, 유량 측정은 산업 및 프로세스 컨트롤 어플리케이션의 중추적인 부분입니다. 본 어플리케이션에는 측정 시스템에 손상을 주거나, 측정 정확도에 해를 미칠 수 있는 위험한 수준의 전압, 변이 신호, 동상 전압, 변동이 심한 접지 전위를 살펴봅니다. 이와 같은 문제를 극복하기 위해 산업용 어플리케이션을 위해 설계된 측정 시스템은 전기 절연을 활용합니다. 본 기술백서에서는 아날로그 측정을 위한 절연에 초점을 맞추며, 여러 절연 실행 기술에 대한 정보를 제공합니다.

내용

절연 이해하기

절연은 위험한 전압1에 노출될 가능성이 있는 센서 신호를 측정 시스템의 저전압 백플레인으로부터 전기적으로 분리합니다. 절연은 다음과 같은 여러가지 장점을 제공합니다.

  • 변이 전압으로부터 고가의 기기, 사용자 그리고 데이터를 보호
  • 노이즈 면역성 향상
  • 접지 루프 제거
  • 동상 전압 제거 개선

절연된 측정 시스템은 아날로그 프런트 엔드와 시스템 백플레인을 위한 분리된 접지 플레인을 제공하여 센서 측정을 시스템 전체로부터 분리시킵니다. 절연된 프런트 엔드의 접지 연결은 접지와 다른 전위에서 작동하는 부동핀입니다. 그림 1은 아날로그 전압 측정 디바이스입니다. 센서 접지와 측정 시스템 사이에 존재하는 동상 전압은 제거됩니다. 따라서 접지 루프가 형성되는 것을 방지하며 센서 라인의 모든 노이즈를 제거합니다.

 

그림 1. 뱅크 절연된 아날로그 입력 회로


1위험 전압은 30 Vrms, 42.4 Vpk 또는 60 VDC보다 큼

절연의 필요성

다음과 관련된 측정 시스템의 경우 절연을 고려하십시오.

  • 위험 전압 근처
  • 과도 전압 가능성이 있는 산업 환경
  • 동상 전압 또는 격차가 심한 접지 전위가 있는 환경
  • 산업용 모터와 같은 전기적 노이즈가 심한 환경
  • 측정 시스템을 통해 전달되는 전압 스파이크의 방지가 중요한 과도에 민감한 어플리케이션

산업 측정, 프로세스 컨트롤 그리고 자동차 테스트는 동상 전압, 고전압 과도현상, 전기 노이즈가 일반적으로 나타나는 어플리케이션의 예입니다. 절연이 있는 측정 기기는 위와 같은 거친 환경에서도 안정적인 측정을 제공합니다. 환자와 직접 접촉하는 의료 기기에 있어 절연은 기기를 통해 과도 전류가 전달되는 것을 막는 데에 유용합니다.

전압과 속도 조건을 기반으로 절연 측정을 수행하는 여러가지 옵션이 있습니다. 노트북, 데스크탑 PC, 산업용 PC, PXI, 패널 PC, CompactPCI에 플러그인 보드를 사용하여 내장된 절연 또는 외부 신호 컨디셔닝 옵션을 갖출 수 있습니다. 절연된 측정은 또한 프로그래밍 가능한 자동화 컨트롤러 (PAC)와 USB용 측정 시스템을 사용하여 수행할 수도 있습니다.

 

그림 2. 절연된 데이터 수집 시스템

절연을 실행하는 방식

절연을 위해서는 신호가 어떤 직접적인 전기 접촉없이 절연 배리어를 통해 전달되어야 합니다. LED, 콘덴서, 유도자는 어떤 직접적인 접촉없이 전기적 신호 전송이 가능한 세 가지 보편적인 요소입니다. 본 디바이스가 토대로 하고 있는 원리가 절연을 위한 가장 보편적인 기술 중 핵심을 형성합니다. 이것이 광학, 컨덕티브, 인덕티브 커플링입니다.

광학 절연

LED는 전압이 적용되었을 때에 불이 켜집니다. 광학 절연은 빛을 사용하여 절연 배리어를 통해 신호를 전송하기 위해 광검출기 디바이스와 함께 LED를 사용합니다. 광검출기는 LED로부터의 빛을 수신하여 다시 원래의 신호로 변환합니다

그림 3. 광학 절연

광학 절연은 절연에서 가장 보편적으로 사용되는 방식 중 하나입니다. 광학 절연을 통한 한 가지 장점은 전기적 및 자기적 노이즈에 대한 내성입니다. 일부 단점으로는 LED 스위칭 속도에 의해 제한되는 전송 속도, 높은 전원 손실, LED 마모를 들 수 있습니다.

커패시티브(capacitive) 절연

커패시티브 절연은 커패시터 플레이트의 전하 레벨에 따라 변화하는 전기장을 기반으로 합니다. 본 전하는 절연 배리어에서 감지되며 측정된 신호의 레벨에 따라 비례합니다.

그림 4. 커패시티브 절연

커패시티브 절연의 한 가지 장점은 자기 노이즈에 대한 면역입니다. 광학 절연에 비교하여 커패시티브 절연은 스위치되어야 할 LED가 없기 때문에 더욱 신속한 데이터 전송 속도가 가능합니다. 커패시티브 커플링은 데이터 전송을 위한 자기장 사용이 포함되기 때문에 외부 전기장의 방해에 영향받기 쉽습니다.

인덕티브(inductive) 커플링 절연

1800년대 초반, 덴마크의 물리학자 Hans Oersted는 코일을 통해 전류가 자기장을 생성한다는 것을 발견하였습니다. 그 후, 첫 번째 코일로부터 변경된 자기장의 근처에 두 번째 자기장을 놓으면 전류가 유도된다는 것을 발견하였습니다. 두 번째 코일에서 유도된 전압과 전류는 첫 번째 코일을 통한 전류 변화 속도에 따라 달라집니다. 본 원리는 상호유도라고 하며, 유도성 절연의 기초를 이룹니다

그림 5. 유도성 결합

유도성 절연은 단열층에 의해 분리된 코일쌍을 사용합니다. 단열은 물리적인 신호 전송을 방해합니다. 신호는 코일을 통해 흐르는 전류를 변화시킴으로써 전송될 수 있으며, 이를 통해 유사한 전류가 단열벽을 통해 두 번째 코일에서 유도됩니다. 유도성 절연은 커패시티브 기술과 유사한 고속 전송을 제공합니다. 유도성 결합은 데이터 전송을 위한 자기장 사용이 관여되므로, 외부 자기장으로부터의 방해에 영향받기 쉽습니다.

아날로그 절연과 디지털 절연

현재 여러 상용 (COTS) 컴포넌트를 사용할 수 있으며, 이 중 대다수의 컴포넌트는 상기 기술 중 하나를 통합하여 절연을 제공합니다. 아날로그 입/출력 채널의 경우, 절연은 보드의 아날로그 섹션에서 아날로그-디지털 변환기 (ADC)가 신호를 디지털화 (아날로그 절연)하기 전, 또는 ADC가 신호를 디지털화한 후 (디지털 절연)에 실행될 수 있습니다. 각기 다른 회로는 절연이 실행되고 있는 회로의 위치에 기반한 기술로 설계되어야 합니다. 데이터 수집 성능, 비용 그리고 물리적 조건을 바탕으로 아날로그 또는 디지털 절연을 선택할 수 있습니다. 그림 6은 절연을 실행하는 방법입니다.

그림 6a. 아날로그 절연

그림 6b. 디지털 절연

다음 섹션에서는 아날로그 및 디지털 절연에 대해 더욱 자세히 살펴보고 실행을 위한 기술을 살펴봅니다.

아날로그 절연

절연 증폭기는 데이터 수집 디바이스의 아날로그 프론트 엔드에 절연을 제공하기 위해 사용됩니다. 그림 6a의 “ISO Amp”는 절연 증폭기입니다. 대부분 회로의 절연 증폭기는 아날로그 회로의 첫 번째 컴포넌트 중 하나입니다. 센서의 아날로그 신호는 절연 증폭기로 전달되며, 그 후 절연을 제공하고 아날로그-디지털 회로에 신호를 전달합니다. 그림 7은 절연 증폭기의 일반적인 레이아웃입니다

그림 7. 절연 증폭기

이상적인 절연 증폭기에서 아날로그 출력 신호는 아날로그 입력 신호와 동일합니다. 그림 7에서 "절연"이라고 이름 붙여진 섹션은 이전 섹션에서 소개되었던 기술 (광학, 커패시티브, 또는 인덕티브 커플링)을 사용하여 절연 배리어에서 신호를 전달합니다. 변조 회로는 절연 회로를 위한 신호를 준비합니다. 광학 방식의 경우, 본 신호는 다양한 광도로 디지털화 또는 전환되어야 합니다. 커패시티브와 인덕티브 방식의 경우, 신호는 다양한 전기 또는 자기장으로 전환됩니다. 복조 회로는 그 후 절연 회로 출력을 읽고 이를 이전 아날로그 신호로 변환합니다.

신호가 디지털화되기 전에 아날로그 절연이 수행되므로 기존 비절연 데이터 수집 디바이스를 사용하여 외부 신호 컨디셔닝을 설계할 때 적용할 수 있는 최상의 방식입니다. 본 경우 데이터 수집 디바이스는 아날로그-디지털 변환을 수행하며 외부 회로는 절연을 제공합니다. 데이터 수집 디바이스와 외부 신호 컨디셔닝의 조합으로, 측정 시스템 벤더는 범용 데이터 수집 디바이스와 센서 특정 신호 컨디셔닝을 개발할 수 있습니다. 그림 8은 절연 증폭기를 사용하는 유연성있는 신호 컨디셔닝으로 실행되는 아날로그 절연입니다. 아날로그 프론트 엔드 절연의 또 다른 장점은 ADC 및 기타 아날로그 회로를 전압 스파이크로부터 보호하는 것입니다.

 

그림 8. 유연성있는 신호 컨디셔닝 하드웨어에서 절연 증폭기 사용

범용 데이터 수집 디바이스와 외부 신호 컨디셔닝을 수행하는 측정 제품을 위해 사용할 수 있는 여러 옵션이 시중에 존재합니다. 예를 들어, 내쇼날인스트루먼트의 M 시리즈는 고성능 아날로그 I/O와 디지털 I/O를 제공하는 여러 비절연, 범용 다기능 데이터 수집 디바이스를 제공합니다. 절연이 필요한 어플리케이션의 경우, 내쇼날인스트루먼트의 SCXI 또는 SCC 모듈 등 외부 신호 컨디셔닝이 있는 NI M 시리즈 디바이스를 사용할 수 있습니다. 이러한 신호 컨디셔닝 플랫폼은 산업 센서 (로드 셀, 스트레인 게이지, pH 센서 등)에 직접 연결을 위해 필요한 절연과 특화된 신호 컨디셔닝을 구현합니다.

디지털 절연

아날로그-디지털 변환기는 아날로그 입력 데이터 수집 디바이스의 주요 컴포넌트 중 하나입니다. 최상의 성능을 위해서는 아날로그-디지털 변환기로의 입력 신호가 원래의 아날로그 신호와 가능한한 가까워야 합니다. 아날로그 절연은 신호가 ADC에 도달하기 전에 게인, 비선형, 오프셋과 같은 에러를 추가할 수 있습니다. ADC를 신호 소스에 가까이 위치시키면 성능이 더욱 향상됩니다. 또한 아날로그 절연 컴포넌트는 고비용이며 정착 시간이 깁니다. 디지털 절연의 우수한 성능에도 불구하고 과거에 아날로그 절연을 사용했던 이유 중 하나는 고가의 아날로그-디지털 변환기를 보호하기 때문이었습니다. 하지만, ADC 가격이 대폭 하락함에 따라 측정 기기 벤더들은 ADC의 보호보다는 디지털 절연의 더 나은 성능과 경제성이라는 장점을 선택하게 되었습니다. 그림 9를 참조하십시오.

그림 9. 16 비트 아날로그-디지털 변환기 가격 하락
그래프 소스: National Instruments and a Leading ADC Supplier

절연 증폭기와 비교하여 디지털 절연 컴포넌트는 비용이 낮으며 높은 데이터 전송 속도를 제공합니다. 또한 디지털 절연 기술은 아날로그 설계자들에게 컴포넌트 선택시 유연성을 제공하며 측정 디바이스를 위한 최적의 아날로그 프론트 엔드를 개발할 수 있도록 합니다. 디지털 절연이 있는 제품은 전류와 전압 제한 회로를 사용하여 ADC 보호를 제공합니다. 디지털 절연 컴포넌트는 아날로그 절연을 형성하는 광학, 커패시티브, 인덕티브 커플링과 동일한 원리를 따릅니다.

Avago Technologies (www.avagotech.com), Texas Instruments (www.ti.com), Analog Devices (www.analog.com)와 같은 주요 디지털 절연 컴포넌트 벤더들은 본 기본 이론으로 절연 기술을 개발하였습니다. Avago Technologies는 광학 결합에 기반하여 디지털 절연기를 제공하며, Texas Instruments는 커패시티브 커플링을 기반으로 절연기를 개발하였으며, Analog Devices 절연기는 인덕티브 커플링을 사용합니다.

광커플러

광학 커플링 이론에 기반한 디지털 절연기인 광커플러는 디지털 절연을 위해 가장 보편적으로 오랫동안 사용된 방식입니다. 광커플러는 고전압에 견디며 전기, 자기적 노이즈에 대한 높은 면역을 제공합니다. 광커플러는 NI PXI-6514 절연된 디지털 입/출력 보드 (그림 10) 및 NI PCI-7390 산업용 모션 컨트롤러와 같은 산업용 디지털 I/O 제품에 사용됩니다.

 

그림 10. 광커플러를 사용하는 산업용 디지털 I/O 제품

그러나 고속 아날로그 측정의 경우, 광커플러는 속도, 전원 손실, LED 마모에 제한이 있습니다. 커패시티브 및 인덕티브 커플링에 기반한 디지털 절연기는 여러 광커플러의 한계를 완화합니다.

커패시티브 절연

Texas Instruments는 커패시티브 커플링에 기반한 디지털 절연 컴포넌트를 제공합니다. 본 절연기는 빠른 데이터 전송 속도와 높은 과도 면역을 제공합니다. 커패시티브 및 광학 절연과 비교하여 유도성 절연은 낮은 전원 소비를 제공합니다

인덕티브 절연

2001년 Analog Devices (www.analog.com/iCoupler)에서 소개한iCoupler® 기술은 인덕티브 커플링을 사용하여 고속 및 많은 채널수의 어플리케이션에 디지털 절연을 제공합니다. iCouplers는 메가 헤르츠 단위로 샘플링 속도를 표시하는 16 비트 아날로그 측정 시스템을 위해 2,500 V 절연 지속이 있는 100 Mb/s 데이터 전송 속도를 제공합니다. 광커플러와 비교하여, iCouplers는 전원 소비 감소, 최고 125 °C의 높은 작동 온도 범위, 최고 25 kV/ms의 높은 과도 면역 등의 이점을 제공합니다.

iCoupler 기술은 소형의 칩-스케일 변압기에 기반합니다. iCoupler에는 송신기, 변압기, 수신기의 세 부분으로 이루어져 있습니다. 송신기 회로는 엣지 트리거 엔코딩을 사용하며 디지털 라인의 상승 및 하강 엣지를 1 ns 펄스로 변환합니다. 본 펄스는 변압기를 사용하여 절연 배리어를 통해 전송되며, 수신기 회로에 의해 다른 쪽에서 디코딩됩니다. (그림 11) 변압기의 소형 크기 (1 밀리미터의 약 1/3의 크기)로 인해 외부 자기장 노이즈에 거의 영향받지 않습니다. i또한 Couplers는 통합 회로별 최대 4개 절연 채널을 통합함으로써 측정 하드웨어 비용을 낮추며 또한 광커플러와 비교하여 더 적은 외부 컴포넌트가 요구됩니다.

그림 11. Analog Devices의 인덕티브 커플링 기반의 iCoupler 기술
출처: Analog Devices (www.analog.com/iCoupler)

측정 하드웨어 벤더는 iCouplers를 사용하여 저가로 고성능 데이터 수집 시스템을 제공합니다. 산업용 M 시리즈 다기능 데이터 수집 디바이스와 같은 고속 측정을 위해 설계된 내쇼날인스트루먼트의 산업용 데이터 수집 디바이스는 iCoupler 디지털 절연기 (그림 12)를 사용합니다. 본 디바이스는 60 VDC 연속 절연과 여러 개의 아날로그 및 디지털 채널에서 5초간 1,400 Vrms/1,900 VDC 채널-버스 절연 지속을 제공하며 최고 250 kS/s의 샘플링 속도를 지원합니다. NI PAC 플랫폼, NI CompactRIO, NI CompactDAQ, 기타 고속 NI USB 디바이스에서 사용되는 내쇼날인스트루먼트의 C 시리즈 모듈 또한 iCoupler 기술을 사용합니다.

그림 12. 디지털 절연기를 사용하는 내쇼날인스트루먼트의 산업용 M 시리즈 다기능 DAQ

요약

절연된 데이터 수집 시스템은 위험한 전압과 과도 현상이 있는 거친 산업용 환경을 위한 안정적인 측정을 제공합니다. 절연을 위해 요구되는 사항은 측정 어플리케이션과 주위 환경에 따라 달라집니다. 단일, 범용 데이터 수집 디바이스를 사용하여 특수 센서 연결을 요구하는 어플리케이션은 아날로그 절연이 있는 외부 신호 컨디셔닝을 통해 이점을 얻을 수 있는 반면 저가형 고성능 아날로그 입력이 요구되는 어플리케이션의 경우 디지털 절연 기술이 있는 측정 시스템을 사용하면 편리합니다.

내쇼날인스트루먼트의 절연 제품

NI 절연된 USB M 시리즈 

NI 산업용 M 시리즈와 S 시리즈

NI SCXI 고채널 외부 신호 컨디셔닝

NI CompactDAQ - USB 데이터 수집 시스템

NI CompactRIO - 재구성 가능한 임베디드 컨트롤 및 수집 시스템

©2006 National Instruments Corporation. 저작권 보유. CompactRIO, National Instruments, NI, ni.com, RTSI, 및 SCXI는 내쇼날인스트루먼트의 등록 상표입니다. 기타 제품 및 회사명은 해당 회사의 등록 상표 또는 등록명입니다.

관련 링크:
사용자와 전기적 계측기를 보호하는 안전 절연 - EDN September 2004
고성능 USB E-Kit