KR101138692B1 - 부하 전류 검출 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류검출을 위하여 부하전류를 분류시기기 위한 분로(shunt)를 별도로 설치하지 아니하고, 전력공급 선로의 전압강하, 즉 전원 측의 접지단자와 부하 측의 접지단자 사이의 미소한 전위 차이를 연산증폭기로 검출하여 전류로 환산하여 부하전류의 크기를 측정하는 부하전류 검출회로이다. 본 발명의 회로는 반전 연산 증폭기를 사용하여, 전원 측의 접지단자와 부하 측의 접지단자 사이의 미약한 전위차를 미리 정한 배율만큼 증폭하여 출력전압 크기를 부하전류로 환산하여, 전원으로부터 부하에 공급하는 부하전류의 크기를 결정한다.

Description

부하 전류 검출 회로{Circuit for detecting a load current}

본 발명은 부하 전류 검출 회로에 관한 것으로서, 특허 직류 부하 전류를 간단한 방법으로 또 간단한 회로 구성으로 검출할 수 있도록 하는 직류 부하 전류 검출 방법 및 회로에 관한 것이다.

전류의 방향과 크기를 검출하여 전기전자회로의 제어에 이용하거나 이를 송신하여 외부로 보내거나 표시하여 알리는 일이 필요한 경우가 많다. 특히 과전류보호회로 및 정전류제어회로에서는 정확한 전류의 검출이 필수적이다.

전류를 측정하기 위한 방법으로서 종래에 기초적으로 알려진 방법은 저항이나 임피던스의 양단 전압을 측정하여 그 흐르는 전류를 V=IR, V=IZ 공식으로 계산하는 것이다. 큰 전류인 경우에는 저항에서의 손실이 크므로, 분로(shunt)를 만들어 대전류는 아주 작은 저항으로 흐르게 하고 분로에 흐르는 작은 전류를 측정하여 전체 전류를 환산하는 방식을 사용한다.

그러나 이러한 고전적인 방식보다 더욱 개량된 방식이, 주 FET와 검출FET를 사용한 전류검출회로가 미합중국 특허 제4,553,084호에 공개되어 있다.

제1도는 미합중국 특허 제4,553,084호에 게재된 전류검출회로의 회로도를 나타낸 것으로, 주FET(11)는 제1전원단자(15)와 제2전원단자(12)간의 부하(16)에 직렬로 연결되어 있고, 검출FET(13)는 주FET(11)에 병렬로 연결되어 있다. 이와 같은 연결은 부하(16)를 통해 흐르는 부하전류의 부분에 대해 제2전류통로를 구성하게 되고, 또한 비교기(15)는 단자(12)에 인가되는 기준전압에 따른 저항(14)에서의 전압강하를 비교하며, 그 비교결과에 따라 출력단자(23)로부터 출력신호를 발생시킨다. 이와 같은 회로에 있어서, 부하전류에 비해 저항(14)을 통해 흐르는 전류의 양호한 선형성을 유지하도록 검출저항(14)은 작은 저항값이 요구되고, 저항(14)의 정확도에 의해 검출의 정확도가 결정되게 되지만, 작은 저항값에 정확한 저항값을 가지게 하는 것이 용이하지 않다.

한국 특허 1993-0007482호에는 또 다른 전류검출회로가 공개되어 있다. 여기에 공개된 발명은 게이트 전극과 부하(24)에 직렬로 연결된 소오스-드레인통로를 갖추고서 부하전류에 응답해서 소오스-드레인전압을 발생시키는 제1MOS트랜지스터(21)와, 입력신호가 인가되는 입력단자(28), 제2MOS트랜지스터(22)와, 이 제2MOS트랜지스터(22)에 연결된 정전류원(25)을 갖추고서 기준전압(Vr)을 발생시키기 위한 기준전압발생수단(20), 제1MOS트랜지스터(21)의 소오스-드레인전압에 비례하는 출력전압을 발생시키기 위한 제1회로수단(40), 이 제1회로수단(40)의 출력전압을 기준전압(Vr)과 비교하기 위한 비교수단(27)을 구비하여 구성되어 부하(24)를 통해 흐르는 부하전류를 검출하도록 된 회로이다.

전류를 검출하거나 측정하기 위하여 종래에는 대부분 변류기(CT)를 사용하고 있는데, 이 변류기에 의하여 측정에서는 오차가 20% 정도나 되므로 정확하지 못하고, 변류기의 부피가 크며, 가격이 비싸다는 문제점이 있다.

종래의 전류검출회로를 사용하여 부하전류의 크기를 검출하기 위하여는, 부하전류가 흐르는 전류통로를 분로시켜서 분류된 전류가 전압강하용 저항을 흐르게 하여 그 전압강하를 기준치와 비교함으로써, 회로가 복잡하여지는 문제점이 있었다.

본 발명은 전류검출을 위하여 부하전류를 분류시기기 위한 분로(shunt)를 설치하여야만 했던 종래기술과는 달리 분로를 특별히 설치하지 아니하고도 부하전류를 검출할 수 있는 회로를 제공하려는 것이 목적이다.

본 발명은 온도 변화에도 측정오차를 최소화하여 정확한 전압검출을 할 수 있는 전압증폭회로를 제공하려는 것이다.

본 발명은 전원 측의 접지단자와 부하 측의 접지단자 사이의 미소한 전위 차이를 정확하게 검출하기 위한 회로를 제공하려는 것이다.

본 발명은 부하에서 일을 하고난 전류가 전부 전원 측으로 회귀하고, 부하의 전류출구와 전원측의 전류회귀점 사이를 연결하는 전류통로인 도선에는 반드시 저항이 있으므로, 이 저항 즉 선로저항의 양단에는 미약하나마 전위차이가 발생하게 되는데, 이 전위차를 검출함으로써 부하전류의 크기를 알 수 있다는 아이디어에 기초를 두고 있다.

본 발명은 부하전류 검출회로로서, 전원에서 부하에로의 전류통로 중 어느 일측의 선로저항 양단, 예로서 전원접지단자와 부하접지단자 사이의 선로저항 양단에 2개의 입력이 각각 연결되어 선로에서 드롭되는 미세한 전압을 증폭하기 위한 연산증폭기를 포함하고, 연산증폭기의 출력 전압을 부하전류로 환산하여, 전원으로부터 부하에 공급하는 부하전류의 크기를 산출하는 것이다.

본 발명의 실시 예로서 연산증폭기는 반전증폭기를 사용하고, 전원측의 접지단자를 입력저항 R922을 통하여 연산증폭기 반전입력에 연결하고, 부하측의 접지단자를 연산증폭기 비반전입력에 연결하고, 연산증폭기의 출력단자와 반전입력에 피드백저항 R923을 연결하여, 전원측 접지단자와 부하측접지단자 사이의 미세 전압을 증폭한 전압 즉 출력단자에 출력되는 전압의 크기를 부하전류로 환산하여, 전원으로부터 부하에 공급하는 부하전류의 크기를 결정한다.

바람직하기에는 본 발명은 연산증폭기의 반전입력과 비반전입력 사이에 하나 이상의 온도보상다이오드를 연결하고, 전원측 접지단자와 연산증폭기의 비반전입력 사이에 상기 온도보상다이오드와 같은 규격과 같은 수의 다이오드를 반대 방향으로 연결하여, 이들 다이오드들이 연산증폭기와 같은 온도변화를 받게 함으로서 온도변화에 의한 오차를 감소시키는 것이 특징이다.

또 피드백저항과 병렬로 캐패시터를 추가로 연결하여 회로의 안정을 잘 유지하도록 한다.

본 발명은 또 제1단자와 제2단자 사이에 전류가 흐름으로 인하여 발생하는 미약한 전압을 증폭하여 그 단자 사이의 전류를 검출기 위한 회로이며, 이는 반전입력과 비반전입력을 가진 연산증폭기와, 제1단자에 입력저항을 통하여 연산증폭기 반전입력에 연결하고, 제2단자를 연산증폭기 비반전입력에 연결하고, 연산증폭기의 출력단자와 반전입력에 피드백저항을 연결하고, 연산증폭기의 반전입력과 비반전입력 사이에 하나 이상의 온도보상다이오드를 연결하고, 제1단자와 제2단자 사이에 상기 온도보상다이오드와 같은 규격과 같은 수의 다이오드를 반대 방향으로 연결하여, 제1단자와 제2단자 사이의 미약한 전압을 증폭한 전압 즉 출력단자에 출력되는 전압의 크기를 부하전류로 환산하여, 제1단자로부터 제2단자로 흐르는 전류의 크기를 결정하는 부하전류 검출회로이다.

본 발명은 전류검출을 위하여 부하전류를 분류시기기 위한 분로(shunt)를 설치하지 아니하고 부하전류를 검출할 수 있는 회로를 제공함으로써 종래기술에서 분로(shunt)를 설치하여야만 하는 문제를 해결할 수 있다.

본 발명은 미약한 전압도 고 증폭도로 증폭하며, 온도 변화에 의한 측정오차를 최소화하고 정확한 전압검출을 할 수 있는 전압증폭회로를 제공할 수 있다.

본 발명은 전원측의 접지단자와 부하측의 접지단자 사이의 미소한 전위 차이를 정확하게 검출하여 부하전류를 결정하기 때문에 회로가 간단하고 가격이 저렴하게 되며, 또 전원이나 부하와는 분리하여 설치할 수 있어서 전원과 부하로부터 객관적인 위치에서 부하 전류를 검출할 수 있다.

본 발명은 부하전류 검출회로로서, 전원에서 부하에로의 전류통로 중 어느 일측의 선로저항 양단, 예로서 전원접지단자와 부하접지단자 또는 전원의 출력단자와 부하의 입력단자 사이의 선로 양단에 연산증폭기의 2개의 입력이 각각 연결되어 선로에서 드롭되는 미세한 전압을 증폭하면 되고, 뿐만 아니라 부하전류가 통과하는 선로의 어느 일부분 양단의 전위차이 즉 전압강하를 연산증폭기로 증폭하여 부하전류로 환산하면 되므로 다양하게 배선된 선로에서도 가장 적당한 곳을 선택하여 연산증폭기의 입력을 연결하면 되므로 부하전류의 측정이 매우 편리하게 된다.

도 1은 종래의 전류 검출 회로의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예인 전류 검출 회로의 회로도이다

도면을 참조하면서 본 발명의 실시 예를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예를 보인 도면이다.

본 실시 예에서는 전원은 교류 전원을 정류하여 부하에 직류를 공급한다. 그리고 직류전원의 일측 전극 즉 + 단자 또는 - 단자가 접지된다.

부하에서도 전원측의 전압을 받아서 전자회로 또는 모터 등의 전기기구를 동작시키는데 전력을 사용한다. 부하 측에서도 전원측과 마찬가지로 전원의 접지전극과 같은 극성이 접지된다.

이러한 회로에서 전원측의 전력 공급 라인을 통하여 부하에서 사용되는 전력량만큼의 부하전류가 선로를 통하여 흐른다. 전원과 부하는 공간적으로 이격된 곳에 위치할 수도 있고, 인접한 공간 내에 또는 같은 PCB 내에 존재할 수도 있다. 어떤 경우이든 전원 측에서 공급하는 전류는 부하에서 작용한 후 다시 전원으로 돌아오게 되어 있다. 그러므로 전원에서의 접지 전위와 부하에서의 접지전위 사이에는 전위의 차이가 존재한다. 즉 선로에는 저항 Rs 가 있으므로 전원의 전류 출구와 전류 입구의 전위가 부하측의 전류입구와 전류출구의 전위보다 더 높거나 더 낮다. 그래서 전위차 Vr가 발생한다. 이 전위차는 전류가 작거나 전류통로의 선로 저항이 적을 때는 매우 작게 된다. 이러한 미약한 전위를 검출하기는 매우 어렵다.

본 발명은 이렇게 검출하기가 어려운 매우 미약한 전위차라고 하여도 이를 증폭하면 의미 있는 신호로 만들 수 있다는 근거에서 시작한다.

본 발명에서는 이론상 무한대의 증폭도를 가진 연산증폭기와 같은 고증폭도 증폭기를 사용하여 미약한 전압을 증폭하여 사용한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전원측의 접지단자 INPUT와 부하측의 접지단자(4) 사이에는 미세한 전위차이 Vr가 있고, 이 전위차를 검출함으로써 부하전류의 크기를 알 수 있다는 기술적인 아이디어에 기초를 두고 있다.

본 발명 부하전류 검출회로는, 전원측의 접지단자(INPUT)와 부하측의 접지단자(4) 사이의 미세한 전압을 증폭하기 위한 연산증폭기(U902-A)를 포함하고, 연산증폭기의 출력단자(1)의 출력전압을 환산하여 부하전류크기로 한다.

연산증폭기는 반전증폭기로 결선하여 사용하고, 전원측의 접지단자에서 입력저항(R922)을 통하여 연산증폭기 반전입력(2: "-")에 연결하고, 부하측의 접지단자를 연산증폭기 비반전입력(3: "+")에 연결하고, 연산증폭기의 출력단자(1)와 반전입력에 피드백저항(R923)을 연결하고, 또 피드백저항과 병렬로 캐패시터(C921)를 추가로 연결한다. 이 실시 예는 반전 연산 증폭기로서 그 증폭도는 A=R923/R922 이 되고, 출력전압은 다음과 같이 된다.

Voutput = -Vinput (R923/R922)

전원측 접지단자와 부하측접지단자 사이의 미세 전압을 증폭한 전압 즉 출력단자에 출력되는 전압을 A/D변환하고 디지털처리기에 입력시켜 부하전류로 환산하여 전원으로부터 부하에 공급하는 부하전류의 크기로 결정한다.

여기서 부하전류 검출회로의 증폭도가 항상 일정하여야 한다. 하지만, 전자회로는 온도변화에 따라 그 특성이 변화되는 소자들로 이루어져 있으므로 증폭도 역시 감소하거나 증가하게 된다. 그래서 이러한 온도에 따른 특성 변화를 상쇄시켜 주기 위한 회로가 부가된다.

온도보상하기 위하여 부가되는 회로의 바람직한 예로서 연산증폭기의 반전입역(2)과 비반전입력(3) 사이에 하나 이상의 온도 보상용 다이오드들(D917, D918)을 연결하고, 전원측 접지단자와 연산증폭기의 비반전입력(3) 즉 부하측 접지단자(4) 사이에 상기 온도 보상용 다이오드와 동일한 규격 및 동일한 수의 다이오드들(D915, D916)을 반대 방향으로 연결하여, 이들 다이오드들이 주위의 다른 전자부품들과 같은 온도변화를 받게 함으로서 온도변화에 의한 전류검출회로의 오차를 감소시키도록 한다.

또 다이오드들과 병렬로 캐패시터(C920)를 연결하여 잡신호를 감소시키도록 하고, 피드백저항의 양단에 캐패시터(C921)을 연결하여 회로가 안정되게 동작하도록 한다. 이 실시 예에서는 다이오드를 2개씩 사용하는 것으로 하였지만 전위차에 따라 증감할 수 있다.

이러한 구성은 제1단자(INPUT)와 제2단자(4) 사이에 전류가 흐름으로 인하여 발생하는 미약한 전압을 증폭하여 그 단자 사이의 전류를 검출기 위한 회로이며, 이는 반전입력(2)과 비반전입력(3)을 가진 연산증폭기(U902-A)와, 제1단자를 입력저항(R922)을 통하여 연산증폭기 반전입력(2)에 연결하고, 제2단자(4)를 연산증폭기 비반전입력(3)에 연결하고, 연산증폭기의 출력단자(1)와 반전입력(2)에 피드백저항(R923)을 연결하고, 연산증폭기의 반전입력과 비반전입력 사이에 하나 이상의 온도보상다이오드(D917, D918))를 연결하고, 제1단자와 제2단자 사이에 상기 온도보상다이오드와 같은 규격과 같은 수의 다이오드((D915, D916)를 다이오드 극성이 반대 방향이 되도록 연결하여 온도 상승 또는 냉각에 따른 온도특성변화를 보상하고, 제1단자와 제2단자 사이의 미약한 전압을 증폭한 전압 즉 출력단자(1)에 출력되는 전압의 크기를 부하전류로 환산하여, 제1단자로부터 제2단자로 흐르는 전류의 크기를 결정한다. 이러한 환산은 환산된 눈금을 가진 게이지에 표시하여도 되고, 실험에 의하여 부하전류와 전압의 관계를 그래프로 미리 작성하여 놓고 전류 값을 결정하여도 된다. 그러나 이렇게 하는 것은 번거로움으로 디지털 프로세스를 사용하여 출력 전압을 디지털 수치로 변환하고 전류로의 환산과 온도 보상 또는 제어프로그램 등을 마이크로 프로세서에서 처리하여도 된다.

본 발명회로의 동작을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

전원측에서 + 전극이 부하로 향하고 - 전극은 전원접지된 경우에, 부하측 접지 전위는 전원측 접지 전위보다 +가 되는데 그 차이를 접지 전위차라고 한다.

연산증폭기의 입력저항은 무한대로 생각하여 입력전류가 없다고 보면, 접지 전위차는 다이오드의 역방향저항과 입력저항 R922에 걸리게 되어 그 저항 치에 비례하여 분압되고, 다이오드 양단 전압이 연산증폭기의 두 입력에 인가될 것이다. 그러나 실제로는 어느 정도의 입력전류가 흐르고 역방향으로 연결된 다이오드에도 역방향 전류가 흐르게 된다. 접지 전위차는 순방향 다이오드들이 도통할 정도까지 크지는 아니하지만(전압이 큰 경우에는 다이오드수를 늘리면 된다) 그 전위차는 순방향다이오드들의 저항에 걸리게 되어 순방향으로 미약한 전류가 흐르게 된다.

연산증폭기는 반전입력(2)에 입력되는 전위차를 입력저항 R922 과 피드백저항 R923 의 비율만큼 증폭하여 출력단자(1)에 출력한다. 캐패시터 C921은 피드백저항 R923 양단의 전입을 평활하게 하는 역할을 하고, 캐패시터 C920 은 접지 전위차에 혼합되는 고주파 잡음을 패스시켜서 제거하는 역할을 한다.

또한, 다이오드들은 전류검출회로가 온도변화에도 안정적으로 일정한 크기의 증폭도를 유지하도록 하기 위한 것으로서, 정방향과 역방향으로 연결된 다이오드들이 온도 상승과 하강에 의한 특성 변화분을 상쇄시켜 준다.

이렇게 접지 전위차가 증폭되어 출력 전압이 나타나면 게이지에서 표시하게 할 수도 있고, 디지털 기기로 표시할 수도 있고, 이 전류를 이용하여 다른 기기를 제어하는 신호로 사용할 수도 있다. 또 전류 치가 일정한 값 이상으로 증가하면, 즉 미리 환산된 전류치 이상이 되면, 과전류 보호 회로를 동작시켜 전원을 차단한다든지, 경보 장치를 동작시킬 수도 있다.

본 발명의 회로는 다양한 회로에서 사용이 가능하므로 본 명세서에서 보인 실시 예 이외에도 많은 응용 회로를 만들 수 있다.

1: 연산증폭기 출력단자, 2: 연산증폭기 반전입력,
3: 연산증폭기 비반전입력, 4: 접지단자,
Rs: 선로 저항, Vr: 전위차: 전압강하, C920, C921: 캐패시터,
U902-A: 연산증폭기, R922: 입력저항, R923: 피드백저항,
D917, D918: 다이오드

Claims (5)

1. 삭제
2. 직류 전원에서 다수의 부하에 전력을 공급하는 전력공급회로에서, 직류 전원과 부하 사이의 부하전류를 검출하기 위한 회로로서,
   전력을 공급하는 전류 전원 측의 접지단자와 다수의 부하를 통과한 후에 접지되는 부하 측의 접지단자 사이의 전위차를 증폭하기 위한 연산증폭기와,
   상기 연산증폭기 반전입력과 전원 측의 접지단자 사이를 연결하는 입력저항과,
   연산증폭기의 비반전입력과 부하측의 접지단자 사이를 연결하는 도선과,
   연산증폭기의 출력단자와 연산증폭기의 반전입력 사이를 연결하는 피드백저항을 포함하고,
   전원측 접지단자와 부하측접지단자 사이의 미세 전압을 증폭한 연산증폭기의 출력전압의 크기를 부하전류로 환산하여 부하전류의 크기를 결정하는 것이 특징인 부하전류 검출회로.
3. 청구항 2에 있어서,
   연산증폭기의 반전입력과 비반전입력 사이에 하나 이상의 온도보상다이오드를 연결하고,
   전원측 접지단자와 연산증폭기의 비반전입력 사이에 상기 온도보상다이오드와 같은 규격과 같은 수의 다이오드를 반대 방향으로 연결하여 온도변화에 대한 오차를 감소시키는 것이 특징인 부하전류 검출회로.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 피드백저항 R923과 병렬로 캐패시터를 추가로 연결하는 것이 특징인 부하전류 검출회로.
   
5. 제1단자와 제2단자 사이에 전류가 흐름으로 인하여 발생하는 미약한 전압을 증폭하여 그 단자 사이의 전류를 검출하기 위한 회로에 있어서,
   반전입력과 비반전입력을 가진 연산증폭기와,
   제1단자에 입력저항을 통하여 연산증폭기 반전입력에 연결하고,
   제2단자를 연산증폭기 비반전입력에 연결하고,
   연산증폭기의 출력단자와 반전입력에 피드백저항을 연결하고,
   연산증폭기의 반전입력과 비반전입력 사이에 하나 이상의 온도보상다이오드를 연결하고,
   제1단자와 제2단자 사이에 상기 온도보상다이오드와 같은 규격과 같은 수의 다이오드를 반대 방향으로 연결하여,
   제1단자와 제2단자 사이의 미약한 전압을 증폭한 전압 즉 출력단자에 출력되는 전압의 크기를 부하전류로 환산하여, 제1단자로부터 제2단자로 흐르는 전류의 크기를 결정하는 것이 특징인 부하전류 검출회로.

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