KR100263151B1 - 저항-전압변환회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저항-전압 변환 회로에 관한 것으로서, 물리량의 변화에 의하여 전기저항 값이 변화되는 센서의 출력신호에서 저항값신호를 전압값신호로 변환하기 위한 회로에 있어서, 센서의 출력측에 연결되어 저항값신호를 전압값신호로 변환하여 출력하는 저항-전압변환부(14)와, 상기 저항-전압변환부(14)의 출력을 받아서 증폭된 신호를 출력하는 버퍼증폭기(15)와, 상기 버퍼증폭기(15)의 출력을 받아서 신호전압의 변동 범위를 조정하여 조정된 변동범위를 가지는 신호를 출력하는 스팬조정부(18)와, 기준전압을 발생하고 영점을 조정하기 위한 영점 전압을 출력하는 영점조정부와, 상기 스팬조정부(18)의 출력과 상기 영점조정부의 출력을 합하는 합산부(20)와, 상기 합산부의 출력을 전력 증폭하여 부하를 구동할 수있을 만한 구동출력을 출력하는 출력구동부(22)를 포함하여 이루어지는 저항-전압 변환 회로이다.

Description

저항-전압 변환 회로

본 발명은 원자력 발전소의 전자 제어 계통에서 주로 사용되는 저항-전압 변환 회로에 관한 것으로서, 저항 값을 전압 값으로 변환하는 회로에 관한 것이다.

원자력발전소에서는 핵연료를 사용하는 관계로 다른 일반 공장이나 발전소에 비하여 매우 안정되고 확실하게 동작되는 제어시스템을 가지고 있어야 하고, 이러한 제어시스템에서 사용되는 전자 제어 회로의 높은 신뢰도가 요구되고 있다.

이러한 원자력 발전소의 제어시스템에서는 여러 가지 물리량을 측정하기 위하여 해당 물리량을 저항 값으로 나타나게 한 다음 이 저항의 변화를 검출하여 물리량을 측정하는 방법이 널리 사용되고 있다. 예로서 온도를 측정하기 위하여 온도의 크기가 저항치의 크기에 대응하게 하는 센서(Sensor)를 사용하여 온도를 측정하는데, 저항치의 크기를 전압의 크기로 변환시켜 주는 저항-전압 변환 회로를 이용하여 온도의 크기를 전압의 크기로 대응시켜서 여러 가지 공정 프로세서에 이용하고 있다.

본 발명은 이러한 용도에 사용될 수 있는 저항-전압 변환 회로에 관한 것이다.

이러한 저항-전압 변환 회로는 높은 정밀도가 요구되고, 안정되게 동작되는 것이어야 한다.

종래에 사용되고 있는 저항-전압 변환 회로는 전류소모가 많고 입력과 출력의 격리를 위하여 트랜스를 사용함으로서 유지 보수가 어렵고, 많은 전력소모에 의한 발열현상으로 온도가 높고 통풍이 원활하지 못한 곳에서는 사용할 수 없는 등의 문제가 있었다. 종래의 저항-전압 변환 방식은 기준전압에서 전류원을 만들어 브리지 회로의 양단에 전류를 보내어 온도의 변화에 저항 값이 변화하는 것을 브리지 회로의 반대편 양단에서 전압을 검출하여 이 검출된 전압을 다시 격리시키기 위해 트랜스를 사용하여 전압을 전류로 바꾸고 다시 전류를 전압으로 바꾸는 방식이었다. 이러한 빙식에서는 저항-전압 격리 회로 구성은 기준전압에서 전류원으로, 전류원에서 저항 값을 전압으로, 전압에서 격리시켜 전류로, 전류에서 다시 전압으로 변환되는 과정을 거치므로 부품수가 많아 회로가 복잡하고 정비의 어려움이 따른다.

본 발명은 종래의 저항-전압 변환 회로가 가진 여러 가지 문제점들을 해소하기 위하여 소모전력을 줄이고, 회로동작의 신뢰성을 높이며, 측정할 온도 범위를 변경할 경우에는 저항 값을 교체하여 사용할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 종래의 기술보다 발전된 저항-전압 변환 회로를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 저항-전압 변환 회로에 관한 것으로서, 물리량의 변화에 의하여 전기 저항값이 변화되는 센서의 출력신호에서 저항값신호를 전압값신호로 변환하기 위한 회로에 있어서, 센서의 출력측에 연결되어 저항값신호를 전압값신호로 변환하여 출력하는 저항-전압변환부와, 상기 저항-전압변환부의 출력을 받아서 증폭된 신호를 출력하는 버퍼증폭기와, 상기 버퍼증폭기의 출력을 받아서 신호 전압의 변동 범위를 조정하여 조정된 변동범위를 가지는 신호를 출력하는 스팬조정부와, 기준 전압을 발생하고 영점을 조정하기 위한 영점 전압을 출력하는 영점조정부와, 상기 스팬조정부의 출력과 상기 영점조정부의 출력을 합하는 합산부와, 상기 합산부의 출력을 전력 증폭하여 부하를 구동할 수 있을 만한 구동출력을 출력하는 출력구동부를 포함하여 이루어진다.

제 1 도는 본 발명의 일 실시예를 보인 블록도이다.

제 2 도는 본 발명의 전원 수신부와 DC/DC 콘버터의 회로도이다.

제 3 도는 본 발명의 저항-전압변환부와 버퍼증폭기의 회로도이다.

제 4 도는 본 발명의 스팬조정부, 영점조정부, 합산부, 및 출력구동부의 회로도이다.

제 5 도는 본 발명의 일 실시예를 보인 전체 회로도이다.

이하에서 도면을 참조하면서 저항온도 센서를 사용하는 본 발명의 일 실시예를 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 저항-전압 변환 회로의 블록도이다.

본 발명에서는 도 2에 보인 바와 같은, DC 24V 또는 DC 26V를 받는 전원 수신부(10)와 이 수신부(10)의 전원을 입력받아서 중성점(접지점)에 대하여 DC ±15V를 출력하는 DC/DC 콘버터(11)를 가지고 다른 구성 부분에 ±15V 와 -15V 의 전원을 공급한다. 전원 수신부(10)는 DC/DC 콘버터(11)에 전원을 공급해 주는 역할을 하며, 입력되는 전압이 비례적으로 출력되고, 이상전압이나 오버로드로부터 자체 보호하는 기능도 가지고 있다. 정상적인 전원공급이 이루어지고 있으면 DC/DC 콘버터(11)의 출력에서 신호램프(11-1)가 점등되고, 전원에 이상이 있어서 휴즈(10-2)가 절단되면 P-FAIL 단자의 전원으로 전원 이상을 알리는 신호램프(10-1)가 점등되고, 외부의 릴레이를 동작시키게 하여 경보를 울리게 하여도 된다. 종래의 DC/DC 콘버터(11)는 트랜지스터나 UJT를 이용한 발진부와 트랜스를 가지고 있는데, 부품의 열화가 심하여 신뢰성이 낮았다. 본 발명에서는 DC/DC 콘버터(11)는 콘버터 IC에 PM972를 사용하여 24V 또는 26V에 대하여 항상 +15V, -15V 가 출력되게 하고 있다.

본 발명은, 도 1에 보인 바와 같이, 저항온도검출기(12)에 연결되어 저항값을 전압값으로 변환하는 저항-전압변환부(14)와, 저항-전압변환부(14)의 출력을 받아서 완충역할도 하고 증폭도하는 버퍼증폭기(15 : buffer ＆ Amp)와, 버퍼증폭기(15)의 출력을 받아서 스팬 폭을 조정하는 스팬조정부(18)와, 기준전압을 발생하고 영점을 조정하기 위한 영점 전압을 출력하는 영점조정부(19)와, 스팬조정부(18)의 출력과 영점조정부의 출력을 합하는 합산부(20)와, 합산부의 출력을 전력증폭하여 부하를 구동할 수 있을 만한 출력으로 구동하는 출력구동부(22)를 포함한다.

저항-전압 변화부는 도 3에서 보인 바와 같이 단일 소자를 허용하므로 회로의 간편함과 카드의 구성이 간편하여 정비 소요 시간을 단축시킬 수 있다.

저항-전압변환부(14)는 IC 소자 1B41을 사용한다. 이것은 RTD (Resistance Temperature Detector) 신호 콘버터인데, 1B41은 고정밀 소자로서 온도 변화에 따른 INPUT OFFSET이 0.002Ω/℃이며, LINEARIZATION CONFORMANCE는 ± PT0.1FSR로 입출력 및 전원이 완전 분리되어 있다. RTD는 3선식의 것을 사용하고 센서의 각 선은 1B41 IC의 입력단자에 각각 연결되며 온도 변화에 따라 0-10V 까지의 출력이 발생된다. 이 IC를 사용하여 예로서 온도 0℃ ∼ 300℃ 까지를 측정하기 위한 회로를 설계 할 수 있는데, 도3에 도시된 수치와 같이 하면 된다. 저항온도 검출기 소자 PT100은 온도 0 ℃에서 100옴이 되고 온도 300 ℃ 에서는 213.55 옴이 된다. 이 소자를 여러 가지 바이어스 저항들과 함께 3도와 같이 연결할 때에, R2 (R_G저항), R4(Rz 저항), R5·R6( R_LN저항 )의 계산 값은 다음과 같다.

여기서 R_FS는 RTD 센서의 온도가 가장 높을 때의 저항값(여기서는 300℃ 일 때 213.55 옴의 값)

R_HS는 RTD 센서의 온도가 중간일 때의 저항값(여기서는 150℃ 일 때 158.09 옴의 값)

Rz 는 RTD 센서의 온도가 가장 낮을 때의 저항값(여기서는 0℃ 일 때 100 옴의값)

△ R_FS는 R_FS와 R_z△의 차이를 나타내고,

△ R_HS는 R_HS와 R_z의 차이를 나타낸다.

R_G는 G에 대한 저항 이득, R_LN는 현장에 있는 RTD 센서와 카드내의 1b41 간의 선을 보상하기 위한 선저항에 대한 보상저항,

Q는 △R_FS와 △R_고의 평균 계수, G는 R_G와 피드백 저항에 대한 게인값을 의미 한다.

이렇게 회로를 구성하면 온도가 0에서 300℃ 까지 변화할 때, PT100 의 저항이 100 옴∼ 213.55 옴까지 변화되고, 이로 인하여 출력전압은 0V ∼ 10.00V 까지 변화하게 된다.

사용 범위를 변경하고자 하는 경우에는 R2, R4, R6저항을 온도 사용범위에 맞도록 변경하면 다른 온도 범위에서도 사용할 수 있다.

버퍼증폭기(15)는 연산증폭기를 이용하여 비반전증폭하며, 저항-전압변환기에서 출력되는 0-10 V 의 전압을 약 1.2 배로 증폭하여 0-12 V가 되게 증폭한다. 그래서전력 증폭되어 출력을 높이므로서 다음 단에서 세밀하게 조정할 수 있도록 하여 준다.

스팬조정부(18)는 버퍼증폭기(15)의 출력단자(15-0)에 연결된 가변저항기(18-1)를 조절하여 스팬을 조정하고, 버퍼를 통하여 출력되도록 한다.

스팬출력 전압은 출력단자(15-0)의 전압을 스팬부에서 전압을 조정하여 10V에 대하여 ± 0.5V의 전압범위에 있게 한다.

스팬출력 조정은 가변저항기(18-1)를 조정하여 출력을 내며, 이 조정값은 3가지 방법으로 계산한다.

첫 번째 방법은 7.15㏀ 과 45㏀의 저항 중간에 직렬로 가변저항기(18-1)를 두고, 가변저항기(18-1)의 저항위치를 7.15 ㏀에 위치되게 하였을 경우 저항분배는 7.15 ㏀과 (5 + 45) ㏀의 저항값을 가지므로, 스팬출력은 전압분배에 의해 구해진다.

OUT = 12V * 50K / ( 7.15K + 50K ) = 10.499V

두 번째 방법은 7.15㏀ 과 45㏀의 저항 중간에 직렬로 가변저항기(18-1)를 두고, 가변저항기(18-1)의 저항위치를 중간에 위치되게 하였을 경우 저항분배는 7.15㏀ + 2.5㏀ = 9.65㏀ 과 (2.5 + 45 = 47.5)㏀의 저항값을 가지므로, 스팬출력은 전압분배에 의해 구해진다.

OUT = 12V * 47.5K / ( 9.65 K + 47.5 K ) = 9.97 V

세 번째 방법은 7.15㏀ 과 45㏀의 저항 중간에 직렬로 가변저항기(18-1)를 두고, 가변저항기(18-1)의 저항위치를 45 ㏀에 위치되게 하였을 경우 저항분배는 7.15 ㏀ + 5 ㏀ = 12.15㏀ 과 45㏀의 저항의 저항 값을 가지므로, 스팬출력은 전압분배에 의해 구해진다.

OUT = 12V * 45 K / ( 12.15 K + 45 K ) = 9.449V

그래서 스팬조정 범위는 약 10V ± 0.5%의 조정 범위를 가진다.

입력이 0∼12V폭으로 변화할 때 SPAN 조정 범위를 조정하여 VR1을 2.5K로 한 다음 출력을 0∼10V로 낼 수 있다.

영점(ZERO)조정부는 버퍼증폭기(15)의 출력이 소정의 범위 이상으로 커지는 것을 막기 위한 것으로서 본 실시예에 의하면 ±500㎷ 정도까지 정밀하게 조정할 수 있게 된다. 이 영점조정부는 정전압 IC를 이용한 기준전압발생부(16)와, 기준전압발생부(16)의 출력전압을 반전시켜서 출력하는 인버터(17) 및 영점부(19)로 이루어지는데, 영점부는 기준전압발생부(16)의 출력과 인버터(17)출력 사이에 연결된 가변 저항기(19-1)와 전압추종기(voltage follower)(19-2)로 구성된다.

영점의 조정은 기준전압발생기의 출력에 5V의 출력과 이를 인버터에서 반전시킨 -5V로 변환된 출력을 서로 연결하여 가변저항기의 어떤 점에서 ZERO조정 이 되게 한다.

ZERO조정범위 VR(19-1)이 0Ω 에서,

기준전압 * 25K / ( 20K + 25K )

+인버터 출력 * 20K / ( 20K + 25K ) = + 0.556V

VR1이 2.5K에서,

기준전압 * 22.5K / ( 22.5K + 22.5K )

+ 인버터 출력 * 22.5K / ( 22.5+ 22.5K ) = 0V

VR1에서 5K에서,

기준전압 * 20K / ( 20K + 25K )

+ 인버터 출력 * 25K / 20K ( 20K + 25K ) = -0556V

ZER0조정 범위는 ±0.5V조정범위를 가지며, 이 출력전압은 합산부(20)에 공급된다.

합산(SUMMING)부(20)는 스팬조정부 출력전압과 영점부 출력전압을 합하는 기능을 한다. 이 합산부는 연산증폭기를 사용한다. 스팬조정부(18) 출력전압을 연산증폭기의 + 입릭에 연결하고 영점부(19) 출력전압을 연산증폭기의 - 입력에 연결하여 두 전압을 합한 전압이 출력되도록 한다.

합산부(20)의 출력은 버퍼증폭부(21)를 통하여 출력구동부(22)에 인가된다.

최종 출력은 최대 부하 공급을 고려하여 최대 20mA의 공급 능력이 가능한 파우워 OP 앰프(POWER OP AMP)인 LM1O1을 사용한다.

LM101의 핀 6번과 출력단자 사이에 연결되어 있는 10Ω 저항은 출력단이 쇼트로 인한 회로손상을 감안한 전류 제한용 저항으로 작용한다.

합산부의 출력전압은 스팬조정전압이 0∼10V의 출력전압 범위에서 오차를 최소로 줄이기위해 영점조정부(19) 전압을 미세 조정하여 합산부(20) 출력을 0 ∼ 10.00 V 로 되게 하고, 버퍼증폭부(21)를 통하여 최종출력단에서는 출력 전압이 0∼10.00 V로 되게 한다.

이상 설명한 본 발명에 따른 효과는, 소모전력이 적고, 신뢰성이 높은 저항-전압 변환 회로를 실현할 수가 있다는 것이다.

Claims (2)

1. 물리량의 변화에 의하여 전기저항값이 변화되는 센서의 출력신호에서 저항값신호를 전압값신호로 변환하기 위한 회로에 있어서,

   센서의 출력측에 연결되어 저항값신호를 전압값신호로 변환하여 출력하는 저항 전압변환부(14)와,

   상기 저항-전압변환부(14)의 출력을 받아서 증폭된 신호를 출력하는 버퍼증폭기(15)와,

   상기 버퍼증폭기(15)의 출력을 받아서 신호 전압이 변동 범위를 조정하여 조정된 변동범위를 가지는 신호를 출력하는 스펜조정부와(18)와,

   기준전압을 발생하고 영점을 조정하기 위한 영점 전압을 출력하는 영점조정부와,

   상기 스팬조정부(18)의 출력과 상기 영위한 영점 조정부의 출력을 합하는 합산부(20)와,

   상기 합산부의 출력을 전력증폭하여 부하를 구동할 수 있을 만한 구동출력을 출력하는 출력구동부(22)를 포함하여 이루어지는 것이 특징인 저항-전압 변환 회로.
2. 청구항 1에 있어서

   상기 저항-전압변환부(14)는 온도의 변화를 저항값의 변호로 바꾸어 주는 저항온도센서에 연결되는 것이 특징인 저항-전압 변환 회로.

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