20241126 Current Monitor(11장) Voltage Regulator and OP-AMP Applications(12장)

Current Monitor(11장) 

 

전류가 얼마가 흐르는지 알고 싶음. 

계측기가 아니라 자동으로 측정하고 싶음 

 

-쉽고 측정하기 쉬운건 전압 !

-전류는 다루기 쉽지 않음.

쓰던 전류 끊고 직렬로?, 

pcb의 전류 파형을 알려면 프르브를 쓸 순 없음. (암페르 법칙)

 

그럼 어떻게 하는가 

-전류를 전압으로 바꾸자! (옴의 법칙 이용)

>전류가 가는 길에 저항 1옴을 설치해서 저항의 전압을 측정시 1v가 나온다면

전류가 1A가 흐르는 것을 알 수 있음. 

 

대부분의 회로에서 전류를 측정하기 위해 저항을 사용함 이 저항을 sensing 저항이라고 부름(감지하는 용도)

전류 센싱 저항은 값이 크면 안된다 1옴 근처의 작은 값으로 구성.

 

0.1옴 정도면 거의 쇼트인데? 왜 쓰지> 전류를 센싱하기 위해서였음. 

 

전압으로 전류가 바뀜> 어떻게 읽을 거임? 

 

필요할때 마다 읽는게 아니라

자동으로 전압을 읽어서 조작하는 용으로 뒷단의 AB 컨버터등을 넘겨야함. 

 

근데 전류 1mA라서 1mV가 걸린다면 오차 없이 측정하긴 쉽지 않음. 

 

>opamp를 이용해서 출력 전압을 만들 수 있음. 

IL이라는 전류가 얼마인지 알고 싶음 이 전류가 흐르는 비례한 Vo이 출력된다. 

그 비례정도가 opamp와 저항들로 맞추어짐 

1.VCC전압 (+단자)

2.VCC-IL*Rs 전압이 걸림 (-단자) 

-단자의 R은 사실 없어된다. 

V-=Vcc-Il*Rc

 

I0전류=0이라면. V+=VCC임.. 

 

IL도 없고, I0이라면 V+=V-=VCC임. 

단자가 동일 전압>Vx가 바뀌지 않음> Io가 흐르지 않음

여기서 시작해보자 . 

 

-IL이 흐름.> 전압 드랍 발생 Vs> V-=Vcc-Il*Rs가 걸림. 

Vcc보다 전압이 낮음. 

 

-단자가 +단자보다 낮아짐(전압 차 발생)>증폭되서 Vx가 커짐> 트렌지스터를 on될만큼 커져셔 Io가 흐르게 될 수 있게 됨 

 

-Io가 흐르면 발생하는 일

V+ 전압이 Vcc-Io*R이 된다. 

Io가 커질수록 V+가 줄어듦. 

 

V+가 어디까지 낮아질 수 있을까=Io가 어디까지 커질 수 있을까>V-와 같아질 때까지

같아지면> Vx가 변하지 않음> Io 해당 값을 유지함(V+=V-인 상황)

Io가 같아지는 전압까지만 증가함. 

 

-opamp의 버츄얼 쇼트 개념이랑 별개임. 그냥 단자 전압으로 해석

(V+=V-인 상황을 평형 상태라고 해보자) 

그럼 Io가 그라운드로 흐름. 

사실 트렌지스터의 콜렌터 전류와 이미터 전압은 눈꼽만큼 다루지만. 그냥 같다고 생각하자. 

 

RB에 저항에 Io가 흐름. 그 전압이 최종 출력임. 

 

 

<수식 정리>

Io 전류를 표현해보자. 

𝑉 + = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼o𝑅 

𝑉 − = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐿𝑅s

 

𝑉𝑂 ≅ Io𝑅𝐵 = 𝐼𝐿𝑅𝑆𝑅𝐵 = 𝑉𝑆 /𝑅 × 𝑅b

 

 

 

Rs저항을 통해서 전류가 쭉 증가시켜보자 

입력이 0->2A 변하면 출력이 0>2V까지 출력된다.

 

opamp와 트렌지스터 두개로 회로 구성하면 opamp의 offset등으로 이론대로 잘 실행되지 않을 때도 있음. 

지금 이 회로는 개별소자로 구현하면 잘 안되지만. IC의 내부 등가회로로 만들면 잘 작동함. 

 

텍사스 인스트로 먼트로 만든 current monitor의 ic 내부 구조를 보면

오른쪽

배운 내용과 동일함을 알 수 있음. 

5k옴이 달려있음. 

 

왼쪽

저항이 100옴이 V-단자에 달려있지 않지만 상관 없음.

실시간으로 흐르는 전류를 알아보는 다른 형태의 회로 

-IC안에 들어가는 내부 회로 

R, R nR,nR> 차동 증폭기 회로 읽어오는 전압을 증폭해서 읽어옴. (과제로 낸 부분) 

 

Vs가 입력으로 들어가서 출력이 nVs로 증폭되어 나옴. 

 

single supply를 적용. 

-supply> 0v로 바꿈. 

-기존의 그라운드를 Vcc/2로 바꿈. 

 

nR에 걸린 dc전압은 최종 출력에 같이 나옴,

nRsIl + VCC/2

 

 

Rs=0.1옴. 

전류를 0>2A

 

if 1A흐를 때 출력 전압 알아보기 

n=10

 

Vs=0.1*1A=0.1V

Vo=0.1*10배+ Vcc/2 =1V+6V로  나옴.

 

최종 출력은 7v가된다.  

 

VCC>vcc/2로 만들 수 있다. 

같은 2개의 저항을 써서 나눌때 기왕 저항을 큰 값 10k로 만들면 좋다. 

전압을 나눌대 작은 저항을 쓰면 전류가 커서 파워소모가 발생함. 

줄이기 위해 이왕이면 10k, 100k옴 사이의 큰 저항을 써서 파워소모를 줄일 수 있다. 

 

근데 여기서는 1k옴 두개로 전압을 나눠둠 . 

why?

 

증폭기 입장에서 차동 입력에서 해석할때 외부 입력은 없다고 생각하고 해석을 하는데, Vcc가 그라운드라고 하면. 

 

신호 입장에서 1k옴이 병렬로 연결된것으로 보임 500옴

즉 470k+ 0.5k옴으로 추가로 달린것으로 보임. 

 

차동 증폭기의 저항은 nR의 저항 값이 동일해야함 다르면 공통 성분도 같이 증폭된다. 

그래서 1k 1k를 달면 0.5k로 오차를 만드는 데 이정도 크기는 괜찮음 . 

근데 큰 저항을 달아주면 큰 오차를 만들어내서 차동증폭기 역할을 못하게 됨. 

 

파워소모를 포기하고 작은 저항을 이용해서 R3=R4를 같도록 오차를 작게 만들어 줌. 

 

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12. Voltage_Regulator_and_OP-AMP_Applications.pdf

0.62MB

 

 

 

OP-AMP를 이용한 전압 조정기 (voltage regulator) 회로와 센서 회로에 대한 내용입니다.

 

센서회로에 들어가는  opamp회로임

전압 조정기

역할:정전압원의 역할

 

전압원의 역할을 하는 회로블록을 power circuit(전원회로)이라고 부름

전원회로는 크게 보면 두분류가 있음. 

 

1스위치가 달려서 스위칭을하면서 동작하는 Switching 

 2스위칭을 하지 않는 Linear > 통칭해서 Voltage Regulator라고 표현함. ( VRM-module)

 

전원회로는 어떻게 구성되는가 . 

-전자회로 1 제로다이오드 배울때 전압조정기가 나옴 

 

제로다이오드에 대해 배워보자 . 

 

simbol

-일반 다이오드 + Z

-쇼트기 다이오드랑 주의 

 

다이오드 특성 곡선 (이것만 알면 된다. )

일반다이오드랑 순방향은 비슷.

역방향 일부러 zener breakdown을 일으켜서 사용 , 복구가 가능.

Vz라고 표시 

-breakdown을 활용하는 건 맞는데 Vz에서 근처에서 발생해야함. (아무때나 나면 안되다.)

Vz랑 그 이후랑 차이가 뭔데?>역방향 전류 크기가 다름. 

 

(일반 다이오드는 breakdown이 발생이라도 하면 쓰지 못하게 망가짐. 탐

Vr근처에 가면 Alvanch breakdown발생해서 전류가 줄줄 새게 된다. )

 

역방향 전류 Iz가 살짝 발생하는 정도에서 사용 -제너다이오드마다 IZ값은 다름. 

 

 Vz @=at Izt 

역방향으로 20mA 전류가 흐르게 하면 전압이 데이터 시트만큼이 뜬다.

 

1N 750같은 경우 4.7에 20mA임. 

역방향으로 Vz를 걸리게 만들어주면 breakdown이 일어나면서 Iz가 흐른다고 생각하면 안되다. 

 

순서가 반대

 

Iz 전류가 역방향으로 흐르도록 전류조건을 내가 만들어주면 제너다이오드가 breakdown으로 들어가면서 양단으로 특정 전압(내가 신뢰할 수 있는, 데이터시트의 전압)이 뜬다.

* 특정 전압(내가 신뢰할 수 있는, 데이터시트의 전압)=V reference 

 

제너다이오드에다가 Iz를 흘림  20mA , 그럼 회로를 어떻게 구현해야할까?

전류원은 실제로 존재하지 않는 가상의 부품임. 

전류원의 역할을 하는 회로블럭은 만들 수 있지만 전류원은 존재 x,  전압원은 존재

 

내가 원하는 전류를 만들고 싶으면 전압원과 저항을 이용해서 만들어냄 Iz(only ohm의 법칙)

저항=(Vs-Vz)/Iz로 만듦.

이전압을 그대로 가지고 와서 뒷단 부하에 연결. 

 

부하입장에서 앞단의 회로블럭은 부하에 Vz를 공급하는 전압원처럼볼 수 있음. 

이 회로를 voltage regulater라고 부름.

하지만 교과서에서 나오는 회로라 실제로  사용하진 못함. 

 

좋은 전압원이란?

1.어디에 연결해도 부하에 동일한/일정한 전압원을 제공하는 회로 블럭. 

 

파워를 공급하는 전압원과 

파워를 공급받는 부하. 

 

시간당 에너지 (J/s=W)가 파워/에너지임

뒷단에 에너지를 공급하는 것을 전원이라고 하고. 

 

파워는 전압과 전류과 있어야함. 

전압에 전류가 있어야뒷단에 파워를 전달할 수 있음. 

 

전압원은 동일한 전압을 줌.

전류는 뒷단에 붙는 부하가 결정함.

예를 들어 5v  뒷단에 1옴이 붙으면 전압원은 5A를 내어줘야함. 

못내어주면 정상적인 5v 전압원이 못된다. 

2.뒷단 부하가 필요로하는 전류를 내어주는 전압원

 

위에서 설명한 회로는 2번을 만족하지 못함. 

부하가 붙어 파워를 받으려면 부하가 필요로하는 전류 IL로 전압원에서 제공을할 수 있어야함. 

그럼 IL, IZ가 둘다 R을 지나가게 된다. 

그렇다면 R의 값을 IL, IZ둘다 고려해서 값을 결정해야함. 

 

근데 부하가 바뀌어서 요구되는 전류가 달라진다면 그에 따라 저항의 값이 계속 바뀌게 된다. 

 (ideal한 전압원은 전류공급이 0>무한대가 되어야함. )

 

뒷단의 전류가 커지면 저항에서 전압드랍이 증가해서 Vz가 감소하게 된다. 

 

그이유는 제너다이오드를 break down되기 위한 전류와 부하에 흐르는 전류가 둘다 앞의 저항으로 흐르기 때문임. 

 

해결방법> 제너다이오드로 흐르는 전류와 부하로 흐르는 전류를 분리하면 된다. 

BJT를 이용한 부하 분리 

BJT로 만든 IC의 내부 등가회로임

 

 

 

(왼쪽)Rs를 결정하는 방법 Iz, IL을 고려해서 해야함

(오른쪽) 흐르는 전류는 20mA만 흐르면 된다.  

20mA와 트렌지스터의 베이스 전류도 고려해야하긴 하지만 20mA보다 작아서 무시하고 계산. 

 

스위칭을 하지 않아서 출력이 깨끗하게 나옴. 

입력받는 전압대비 출력으로 내어주는 전압이 무조건 낮은 전압만 제공할 수 있음 (step down)  

 

스위칭을 하는 전원회로(벅, 부스트) 전압이 흘렀다 안 흘렀다해서 노이즈가 낀것처럼 지저분하게 나옴. 

입력전압보다 높은 전압을 내볼 낼 수 있음. 

 

voltage regulator은 전압원의 역할이라고 해서 저 회로 블럭 자체에서 전압이나 전류를 만들어내느게 아님.

외부에서 파워를 받아서 12v를 다른 전압으로 바꾸어서 부하에 공급하는 회로임 

시뮬레이션 

전류원을 부하에 달아둠>부하쪽으로 무조건 전류원만큼 가야함. 

그리고 sweep을 하면 얼만큼의 전류를 공급할 수 있는지 확인할 수 있음. 

 

(오른쪽)

입력전압을 12v로 고정하고 전류원 2개가 있는데  IL변수로 두고 0>100mA로 증가시키면 30mA까지는 버티는데 출력 전압이 급속도로 감소함. =부하로 공급할 수 있는 전류가 4v를 유지하면 30mA밖에안된다. (녹색)

 

(빨간색) 4v를 유지하면서 전류 공급할 수 있음

출력이 어떤 식으로 나오는지 (동작방법) 

Vout이 두 저항으로 나뉘어 Vf가 opamp -단자로 들어감. 

+단자는 12v전압원을 이용해서 전압조정기의 출력이 연결되어 있음. 

 

Iz가 흐르면서 제너다이오는 breakdown이 일어나 Vz가 걸림이 전압이 + 단자로 들어감. 

 

두 전압이 opamp에서 비교가 된다. 

+단자가 크면 opamp는 증가 

-단자가  크면 opamp 감소 

두 전압이 같아지면 평형상태가 되면서 출력이 고정되면서 그 전압이 나오게 된다. 

 

-출력이 어떤 이유 때문에 증가했다면

Vout 증가로> Vf가 증가 >-의 입력전압이 +입력전압보다 커짐 opamp의 출력전압은 감소함>Vb전압이 감소.

 

베이스와 이미터 사이의 일정한 전압을 유지하면서  vout이 증가

(부귀환 피드백이 걸림 전압이 커질려고하면 원래대로 나오도록 귀환된다.)

 

-출력이 감소한다면

출력전압이 감소하면 Vf감소>+단자 증가>opamp 출력 증가 > Vb증가> Vout 증가 

 

출력전압이 얼마인데?

 

R1,R2의 저항비를 통해 출력을 조정할 수 있음. 

출력전압을 5v로 맞추고 싶으면 Vz전압이 4.7인것을 알고 있으니 맞추어서 저항비를 맞추면된다. 

 

R2/R1=5/4.7-1~0.064의 비를 맞추어주면된다. 

R1 100k R2 6.4k

+.-단자가 동일할때 5로 나오게 됨.

 

이회로는 따로 만드는게 아니라 IC로 만들어져서 나옴

 

0.5A까지 뒷단 부하에 공급할 수 있는 회로 블럭임.

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센서관련 회로 소개 

벽에 붙이는 필름임

벽이 휘어서 필름이 늘어나면 저항이 커짐

벽이 수축해서 필름이 줄어들면 저항이 감소. 

두단자의 단자의 저항이 가운데 필름의 수축,늘어남을 통해 가짐.

저항의 변화값을 통해 미세한 치수의 변형을 알 수 있음. 

 

전기신호에 대해 생각해보아야함. 

 

전압아니면 전류가 전기신호라고 생각하는데, 

많은 센서가 물리적인 값의 변화가 저항값의 변화로 나오는 경우가 있음 

 

어떻게 다룰 것인가? 

저항값을 읽으면 된다. by 멀티미터. 

문제가 있음. 

-저항을 수동으로 읽는건 x

-멀티미터로 저항을 읽으면 정밀성이 떨어짐xxxx.(프로브를 물질에 연결되면 컨택저항이 있어서 오차 발생 )

센서의 저항값의 변화는 굉장이 작게 m옴단위로 변함. 

 

-내가 저항 측정해서 기록? xxx> 자동 측정하고 싶음. 

 

저항값의 변화를 전압으로 표현하자 .!!!

저항값의 변화를 전압으로 바꾸는 회로를 휘스톤 브릿지 회로형태임

>저항값의 세밀한 변화를 전압으로 볼 수 있음.

 

<정성적인 설명>

Rg의 저항의 작은 변화가 작은 전압의 차가 뜨게 된다. 

Vab의 값이 뜨면 증폭해서 읽어오면 된다. 

 

일반 차동증폭기는 입력저항이 작고 증폭도 1번밖에 못하니  

휘스톤 브릿지 회로 + 계측증폭기 두개를 굉장히 많이 씀

 

휘스톤 브릿지의 평형조건=마주 보고있는 저항의 곲이 동일

휘스톤 브릿지. 

Rstrain 변형이 없으면 120 변형이 있으면 값이 작아짐. 

+

계측 증폭기

Gain

앞단:20배

뒷단:10배 증폭

총 200배

 

-출력을 알아보자 

Rstrain 120옴> 출력 0

Rstrain 119옴.> 2v

 

출력을 보고 저항의 변화값을 알 수 있음. 

 

미세한 저항 값의 변화> 휘스톤 브릿지> 계측증폭기 

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온도 센서

온도를 검출하는 저항> 온도 센서. 

대부분의 저항이라는 부품은 (회로구성) 온도에 대해서 1도씨 변할때 저항값의 변화가 크면 안좋은 저항임. 

Temperature coefficient

 온도계수=1도씨가 변할때 얼만큼의 저항이 변하는가

xppm/100만

 

리켈, 구리, 백금으로 만든 전항은 상대적으로 온대에 따른 변화가 굉장히 큼. 

1도에 따라 0.39옴이 변함. 

이 변화가 선형적으로 변함. (많이 쓰는 온도 범위에서 ) 

 

백금의 저항을 읽으면 현재 온도를 알 수 있음> 온도 센서로 씀. 

백금 저항은 PT로 시작함. 

ex)PT100이란 0도씨에서 100옴의 값을 가짐 

ex)PT1000이란 0도씨에서 1000옴의 값을 가짐> 더 세밀한 변화를 측정할 수 있음. 

 

 

이걸 어떤식으로 쓸 수 있을까 

종류가 선이 두개 달리 백금 저항이 있고 선이 3,4개 달린게 있음. 

이것도 정밀하게 저항 값을 측정하기 위해서 있음. 

 

멀티미터로 측정하면 컨택저항생겨서 오차가 남. 

전압을 인가해서 전류로 측정함. 

 

2선식 온도 센서

RTD에 전선 저항(RW1)이 포함되어서 전압이 측정이 된다. 

정확하게 RTD백금의 전압만 측정하고 싶은데 온도를 측정할때 오차가 생김

 

정밀하게 측정할떄 

3,4선식 온도 센서 이용 

순수하게 RTD저항에 뜨는 전압만 측정하여 온도를 계산할 수 있음. 

그냥은 안되고 회로블록을 이용해서 순수 전압만 계산할 수 있음.

 

ㅇ

위쪽은 회로블록은 전류원 역할>  RTD블록

일정한 전류가 흘러서 순수 RTD로 감

Vx라는 입력이 들어가서 Voa가 출력되는 opamp인데 비반전 증폭기 증폭2

B전압강하후 voltage 팔로워로 그대로 출력

Vx값 정의>Voa

Voa=Vob+Vref

 

Iref의 값이 Vref에 의해 결정된다. 

 

 

정전류가 100프로 부하로 내려감. 

부하입장에서 위쪽의 회로 블럭이 전류를 공급해주는 전류원으로 볼 수 있음. 

 

원하는 전류를 만들어냄. 

위에서 Io라는 전류가 내려옴. 

 

VRTD만 출력으로 측정하고 싶음. 

R1,R2는 같은 큰 저항임. Io가 흘러내리는데 일부는 R로 가고 나머지가 내려감. 

근데 오른쪽에 큰 저항을 달아두면 대부분 아래로 내려감. 

 

Vx,Vy로 출력이 어떻게 되는지 보자

중첩의 원리 이용.