50개의 즉석 서바이벌 회로 (Ⅲ) - 다양한 신호가 필요하다.

 

[전자기술] [기술특집] 50개의 즉석 서바이벌 회로 (Ⅲ) - 다양한 신호가 필요하다 | 2012년 07월

50개의 즉석 서바이벌 회로 (Ⅲ) - 다양한 신호가 필요하다.

트러블이 발생하면 당황해서 허둥거린다. 또 전용 IC가 없을 때에는 어찌해 볼 도리가 없다. 그러나 전문가는 부품을 구할 수 없다, 성능이 좋지 않다, 측정기가 없다, 사양이 바뀌었다 등과 같은 위기에 직면해도 마치 미리 준비해 놓은 듯이 주변에 있는 부품을 사용하여 해결한다. 여기서는 전문가가 유사시 사용하는 회로에 대해 소개한다.

즉석 회로 33 : 1Hz∼200kHz의 방형파를 출력하는 클록 제너레이터

범용 카운터 IC와 CR 부품만으로 만들 수 있다. 그림 1은 1Hz∼200kHz의 방형파를 얻을 수 있는 클록 제너레이터이다. 일반 로직 회로의 클록 신호원이 고정밀도일 필요는 없다. 증폭기 동작 체크나 고역 및 저역의 주파수 특성을 간단히 체크하는 데 사용할 수 있다.

가변저항 VR1에서 약 3배의 주파수를 연속으로 가변할 수있으며 JP1에 점퍼를 접속하는가의 여부에 따라 주파수 레인지를 변환할 수 있다.


1. 회로 설명

그림 2는 바이너리 카운터 IC 74HC4060의 내부 회로이다. 수정진동자 또는 CR을 외장하여 발진기를 구성하고 그 출력을 분주한다. 신호 출력용 버퍼는 74HC04, 74AC04,74HC541, 74AC541 등의 인버터 IC를 사용할 수 있다. 74AC 시리즈가 상승이 더 빠르며 출력 임피던스도 낮아진다.


2. 바이너리 카운터의 CR 상수와 발진주파수의 관계를 실측한다.

데이터시트에는 일반적으로 발진 회로의 발진주파수를 결정하는 CR 상수의 그래프 또는 식이 기재되어 있지만TC74HC4060에는 없다. 그래서 CR을 변화시키면서 발진주파수를 측정했다. 그림 3은 측정 결과이다.




즉석 회로 34 : 배터리로 동작하는 핸디 펄스파 발생 회로

30Hz∼840kHz를 OP 앰프 1개로 생성한다. 프리앰프나 프로브, 절연 회로 등의 아날로그 회로를 만들면 그 응답 특성이 요구를 만족시키는지 확인해야 한다.
앰프의 과도 특성은 펄스 신호를 가하여 조사하는 것이 유효하다. 이 때 파형 발생기가 필요한데, 대부분의 파형발생기는 콘센트에서 전원을 얻는 타입뿐이므로 현장에 콘센트가 없으면 실험할 수 없다.
펄스파라면 타이머 IC 555로 간단하게 만들 수 있다. 그러나 출력 진폭 15V로는 부족한 경우나, 진폭을 가변하여부하의 영향을 최소한으로 억제하는 경우에는 버퍼용 OP 앰프를 추가해야 한다.
듀얼 OP 앰프를 사용하면 IC 1개로 펄스파를 만들 수 있다. 소비전류도 적으므로, 일반적으로는 이 발진 회로의 신호를 받는 회로에서 전원을 융통할 수 있다.

OP 앰프에 가하는 전원은 노이즈나 부하 변동이 작은 것을 준비해야 한다.

1. OP 앰프 평가 회로로도 사용할 수 있다

이 펄스 발생기 회로를 이용하면 OP 앰프의 소비 전류나 교류 특성을 측정할 수 있다. 가변 전원을 사용한 경우 동작 가능한 최저 전원전압도 알 수 있다. IC 소켓으로 OP 앰프를 변경할 수 있도록 해 두면 좋을 것이다.

2. ±15V의 레일 투 레일 OP 앰프 LM6152를 사용한 회로

회로는 그림 4와 같다. 깨끗한 펄스파 생성에는 레일 투 레일 출력의 OP 앰프가 유리하다. 최근 레일 투 레일 타입의 OP 앰프가 증가하고 있지만 ±15V에서 사용할 수 있는 것은 드물다. 여기서는 ±15V에서 사용할 수 있는 OP 앰프 중에서도 특히 주파수 특성이 좋은 LM6152를 테스트해 보았다.

표 1은 전원전압을 ±0.8V에서 ±15V까지 변화시켜 측정한 결과이다. ±0.8V는 메이커의 동작보증 밖이지만 저항값 Rf가 클 경우 일단은 동작한다. Rf＝5kΩ에서는 파형이 크게 깨진다. 사진 1은 전원전압과 발진주파수를 변화시켰을 때의 파형을 나타낸 것이다.

표 1과 같이 Rf＝35kΩ까지 측정해 보았다. Rf는 1MΩ에서도 동작하므로 1MΩ의 가변 저항을 사용하면8.5k∼430kHz의 연속 가변이 가능하다. 단, 듀티비가 50%에서 어긋나며 주파수 안정도도 떨어진다.

듀티비는 플러스, 마이너스 전원을 비대칭으로 할 경우 바꿀 수 있다. 듀티비와 전압비에 비례 관계는 없으며 주파수도 변화하게 된다. 사진 2는 듀티비를 변화시켰을 때의 파형을 나타낸 것이다.


3. 단전원 5V 고속 OP 앰프 OPA2350을 사용한 회로

회로는 그림 5와 같다. 5V까지 괜찮다면 그 나름의 특성을 가진 OP 앰프를 찾을 수 있다. 여기서는 CMOS의 고속 OP 앰프 OPA2350을 시험해 보았다. 듀티비는 50%로 고정했다.

측졍 결과는 표 2, 전원전압을 변화시켰을 때의 파형은 사진 3과 같다. 840kHz에서는 사진 4와 같이 펄스파라기보다 사다리꼴의 파가 된다. 이것이 OP 앰프의 슬루레이트에 의한 한계이다.

CMOS 입력이나 FET 입력의 OP 앰프에서 Rf 값은 거의 제한이 없으며 100MΩ에서도 동작한다.

4. C_f와 R_f의 상수 제한

노이즈의 영향을 잘 받지 않도록 분할 저항은 10kΩ으로 했다. 분할 저항과 시간을 결정하는 Rf는 OP 앰프의 부하로 되어 소비전류를 증가시킨다. 저항값을 크게, 콘덴서 Cf를 작게하면 소비전류는 감소하지만 안정도도 떨어진다. OP 앰프의 구동 능력에도 한계가 있어 OP 앰프에 맞는 저항값을 선택해야 한다.



즉석 회로 35 : 0V에서 출력 전압이 직선적으로 상승하는 톱니파 발생 회로

범용 OP 앰프와 로직 IC만으로 만들 수 있다. VCO 평가 등에 사용할 수 있다.

1. 0V에서 직선적으로 상승하는 전압 신호가 필요하다

직선적으로 변화하는 전압원이 있으면 VCO(Voltage Controlled Oscillator) 가변 주파수 범위를 확인하거나 모터

속도 제어 시험을 실행할 수 있다.

그림 6과 같이 적분 회로와 히스테리시스 콤퍼레이터를 사용하면 삼각파를 생성할 수 있다.⁽¹⁾ 그리고 적분 회로의 전류를 플러스, 마이너스 별도로 제어하면 톱니파를 얻을 수 있다. 그러나 이 방법으로 얻을 수 있는 톱니파는 0V를 중심으로 하여 플러스, 마이너스에서 흔들린다.

0V에서 상승하는 경사파형(톱니파)이 필요할 경우에는 오프셋 전압 가산 회로를 부가해야 한다. 이것은 다소 번거로운작업이라 할 수 있다.


2. 회로 ① … 양전압 ±15V 동작 타입

그림 7은 0V에서 전압이 상승하는 톱니파 발생 회로이다. 주기는 적분 회로의 시정수와 플러스 측 피크 전압에 따라 정해진다. 전원전압은 ±15V를 상정했다. OP 앰프는 TL064(FET 입력)를 사용하여 0∼10V의 톱니파를 얻는다.

경사는 적분 회로(IC_1B)에 흘러 들어가는 전류(I₁)와 콘덴서 C₁에 따라 정해진다. 이 I₁을 흘리기 위해 마이너스 전원이 필요하다.

톱니파의 직선성은 C₁의 특성에 따라 정해지므로 세라믹 콘덴서가 아니라 필름 콘덴서를 사용한다.

IC_1D는 콤퍼레이터로서 기능한다. 적분 회로의 전압이 상승하여 R₈과 R₉에 의한 분압값이 기준전압인 2.5V에 달하면 플립플롭이 반전되어 아날로그 스위치를 ON시키고 적분 콘덴서를 방전한다.

아날로그 스위치의 경우에는 전원전압 ±15V에서 사용할 수있는 제품으로 선택해야 한다. CMOS 표준 로직 IC인 4016이나 4066은 단전원용이다. 4051, 4052, 4053의최대전원전압은±9V이다.

리셋 시간, 즉 아날로그 스위치를 ON하고 있는 시간은 R₇과 C₂의 시정수에 따라 정해진다. 이 값을 크게 하면 톱니파의바닥, 즉 0V 시간이 길어진다.
R₅는 방전 전류를 제한하기 위한 저항이다. 순간적으로 충전된 콘덴서를 단락할 때 흐르는 전류가 작아지므로 저항으로 전류를 제한한다. 저항이 없으면 아날로그 스위치가 파괴될지도 모른다.

R₆은 출력이 플러스, 마이너스에서 진폭하는 IC_1D의 출력을 CMOS의 게이트 IC로 받기 위한 저항이다. IC_2A 내부의 보호 다이오드에 흐르는 전류를 제한한다. HS-CMOS에서는 전원 전압 범위를 넘으므로 사용할 수 없다. 반드시 CMOS의 표준로직 IC를 사용한다.



3. 회로 ② … 단전원 5V 동작 타입

그림 8은 ＋5V 단전원에서 동작하는 회로이다. 동작 원리는 회로 ①(양전원 타입)과 거의 같으며 아날로그 스위치가 다르다. 아날로그 스위치는 단전원용 74HC4066이다.“ H”에서 ON하여 적분 콘덴서를 방전한다.

톱니파의 피크 전압은 전원전압을 저항(R₅와 R₆)으로 분압하여 검출한다. R₅＝R₆이므로 전원전압의 1/2이 톱니파의 피크로 된다. R₆을 기준 전압 IC로 바꾸면 파형의 피크 전압을 고정할 수 있다.

적분 회로 IC_1A의 출력을 플러스 측에서 흔들려면 I₁을 마이너스 방향으로 흘려야 한다. 이것을 위한 마이너스 전압을 만드는 것이 IC_2C의 발진 회로이다.

약 100kHz의 방형파(피크 투 피크 값은 전원전압)를 다이오드로 피크 검파하여 마이너스 전압을 얻는다. 무부하라면 피크 투 피크에 가까운 마이너스 전압을 얻을 수 있지만, 전류를 흘리면 다이오드 2개의 순방향 전압만큼 드롭하며 실리콘 다이오드라면 약 －3.8V의 출력으로 된다. 쇼트키 배리어 다이오드는 순방향 전압이 작으므로 출력은 약 －4.4V로 된다. 이마이너스 전압을 Tr₁의 LM385Z-2.5로 안정화하여 －2.5V의 기준 전압을 얻는다.




즉석 회로 36 : 계단파 발생 회로

앰프 포화 레벨이나 검파 회로의 다이내믹한 움직임을 조사할 수 있다. 다양한 파형의 신호를 입력했을 때 회로의 다이내믹한 응답을 보고자 할 때는 임의 파형 발생기라는 측정기가 정석이다. 하지만 별로 복잡하지 않은 파형의 신호라도 괜찮다면 직접 제작해 보자. 여기서는 2종류의 계단파 발생 회로를 소개한다.

1. 계단파를 생성하는 회로

그림 9는 계단 형태로 전압이 상승, 하강하는 회로이다. CMOS 바이너리 카운터(74HC4060)에 R-2R 래더 저항을 연결하면 계단파가 발생한다. 8레벨(3비트)의 계단 형태로 변화하는 출력 전압을 얻을 수 있다.

카운터의 마지막 단 Q₁₄(1/16384) 출력이 1주기가 되고, 반복 주기는 74HC4060의 발진주파수에 따라 결정된다. 이 발진주파수는 R₂와 C₂에 따라 결정된다. 값을 크게 하면 낮게, 즉 반복 주기가 길어진다.

출력 전압은 0V에서 전원전압의 7/8까지 변화한다. 뒷단의 OP 앰프가 피크에서 포화할 것같으면 R₉를 부가하여 출력 레벨을 낮추면 될 것이다.

그림 9에서는 Q₁₂∼Q₁₄ 출력을 사용했지만 Q₈∼Q₁₀이어도 상관없다. Q₇까지 사용하여 4비트로 하고 R-2R 래더를 1단 더 늘리면 16레벨의 계단파를 얻을 수 있다.

(1) 진폭을 컨트롤할 수 있는 1kHz 정현파 발생 회로와 조합

그림 10은 직류로 진폭을 컨트롤할 수 있는 1kHz 정현파 발생 회로(다음에 나오는‘직류로 진폭을 조절할 수 있는 1kHz 정현파 발진 회로’)에 그림 9의 회로 출력(계단파)을 입력한 실험 결과이다. 1kHz 정현파의 진폭이 계단 형태로 변화하고 있으며 그 주기는 약 10Hz이다. 이 신호는 저주파 앰프의 포화확인이나 AGC(Auto Gain Control) 회로의 응답 실험에 이용할 수 있다.


(2) 발진 대책

발진부의 C₁은 이상 발진 방지용 콘덴서이다. HS-CMOS 게이트에서 발진 회로를 넣었을 때 주 발진 파형의 에지(스레숄드 통과 시)에 이상 발진이 생기는 경우가 있다. C₁에서 정귀환을 약간 걸면 방지할 수 있다.

2. 계단의 스텝 전압을 자유롭게 설정할 수 있는 계단파 발생 회로

그림 11은 스텝 전압을 자유롭게 설정할 수 있는 계단파 발생 회로를 나타낸 것이다.
8채널 입력 CMOS 멀티플렉서에 가변 저항기를 연결했다. 이렇게 하면 1주기의 1/8을 단위로 하여 계단 레벨을 자유롭게 설정할 수 있다.
변환 타이밍 생성에는 시계용 수정진동자를 사용했다. CMOS 표준 로직 IC인 4060을 사용하면 Q₁₄ 출력에 정확히 2Hz가 나타난다. HS-CMOS에서는 잘 발진하지 않는다.
트랜지스터 Tr₁은 4060의 Q₅ 출력(1024Hz의 방형파)을 진폭 변조하고 있다. 가변저항기로 설정한 레벨에서 진폭이 변화하는 방형파를 얻을 수 있다.
그림 12(a)는 그림 11의 회로 각 부 파형이다. Q₁₄의 출력은 1주기를 나타낸다. OP 앰프 IC₃에서는 가변저항기로 설정한 레벨의 직류가 출력된다.
트랜지스터 Tr₁의 컬렉터에서 진폭 변조된 1024Hz의 캐리어가 출력되고 있다. 그 변화점을 확대하면 그림 12(b)와 같이 방형파의 진폭 변화가 보인다.

(1) 마무리

발진 회로에 사용하는 것은 수정진동자가 아니어도 상관없다. 간단하게 제작하려면 그림 9와 같이 CR 발진도 괜찮다.

즉석 회로 37 : 직류로 진폭을 조절할 수 있는 1kHz 정현파 발진 회로

저주파 앰프의 다이내믹 레인지나 과도 응답을 조사할 수있다. 앰프에 정현파를 입력하고 그 레벨을 높여 나가면 어떤 레벨에서 출력이 포화된다.

측정 시에는 오실로스코프의 파형을 보면서 저주파 발진기의 출력 레벨 조정손잡이를 돌리는데, 수동이라면 선별 등 측정 개수가 많아 힘들다.

그래서 외부에서 직류 전압을 가하면 진폭이 변화하는 1kHz 정현파 발생 회로를 제작했다. 외부에서 삼각파나 톱니파를 가하면 실험용 정현파 신호 발생 회로를 만들 수 있다.

정현파의 진폭이 커졌을 때 어떤 레벨에서 출력이 포화되는지 (플러스 피크인지 마이너스 피크인지 등) 파형을 보고 동적으로 판단할 수 있다.

저주파 앰프의 다이내믹 레인지나 과도 응답을 조사할 때도 편리하게 사용할 수 있다.

1. 회로

그림 13은 진폭 가변 정현파 발생 회로이다. 4.096MHz의 수정발진자를 74HC4060으로 발진시켜 분주(1/4096)하고 정확히 1kHz의 방형파를 얻는다. 이 신호를 토대로 정현파를 만든다.

트랜지스터 Tr₁의 베이스를 1kHz 방형파로 구동하면 역위상 방형파가 컬렉터에 나타난다. 그 진폭은 진폭 제어 입력 전압에 비례한다.

1kHz 방형파를 캐리어로 하고 Tr₁의 컬렉터에 공급되는 전압으로 진폭 변조된다. Tr₁의 컬렉터가 R₄를 통과하여 진폭 제어 입력되고, 가해진 정전압에 비례하는 진폭의 1kHz 방형파가 나온다. 진폭 제어 입력 전압이 0V라면 0V, 5V라면 5V_P-P의 방형파를 얻을 수 있다.

이 1kHz 방형파를 C₃으로 교류 결합하고 4차 측 로우 패스 필터를 통과시킨다. 방형파에 포함되어 있는 고조파를 제거하여 정현파로 변환하는 것이다. 필터 회로는 양전원으로 동작 시킨다. 필터 상수는 E12 계열의 수치에 맞춰 선택했으므로 엄격한 것은 아니다.

주파수는 1kHz 고정이다. 직류 입력에 비례하는 진폭의 정현파를 얻을 수 있다.

2. 동작시켜 본다
그림 14는 출력 파형을 나타낸 것이다. 1.5∼5V로 변화하는 16ms 주기의 펄스파를 가한 것으로, 8파씩 진폭 변조된 정현파가 출력에 늘어서 있다.

결합 콘덴서 C₃의 값을 크게 하면 제어 입력 파형의 에지(미분파)가 출력에 나타나고 1kHz 신호의 오버슈트와 언더슈트가 눈에 띄게 되므로 LPF의 입력 임피던스로 컷오프 주파수 (1kHz가 통과하도록)를 결정한다.




즉석 회로 38 : CR과 다이오드로 만들 수 있는 2개의 정현파 발진 회로

OP 앰프 1개로 만들 수 있다. 배터리로 동작하며 발진주파수는 1.6kHz, 왜곡률은 0.03%이다.

정현파 신호는 교류를 다루는 아날로그 회로의 근원적인 신호이지만 항상 측정기 레벨 실장이 가능한 것은 아니다. 또한, 그렇게까지는 필요하지 않은 경우도 있다. 예를 들면 다음과 같은 경우이다. 
(1) 전원 공급이 곤란한 경우(전지 동작으로 대응) 
(2) 여러 개의 신호원이 필요한 경우(노이즈 혼입 테스트 등) 
(3) 테스트용 신호원을 제품 내에 내장한 경우(기기의 주요 목적이 아닌 덤 신호원)
(4) 센서 신호 대용 
그럴 때를 위해, 일반적인 부품만으로 만들 수 있고 저전압에서도 동작하는 정현파 발진 회로에 대해 검토해 보았다.

1. 기본적인 발진 회로는 부품을 구하기 어렵다

본격적인 정현파 발진기는 서미스터 등의 가변 리니어 소자로 게인 컨트롤한다. 서미스터를 사용한 윈 브리지 발진 회로는 그림 15와 같이 OP 앰프 1개로 만들 수 있다. 이렇게 하면 THD＝0.005% 이하의 정현파를 조정 없이 만들 수 있는 것이다.
그러나 이 회로에서 사용하는 서미스터와 같은 아날로그 동작 진폭 제어용 소자는 요즘 구하기 어려워지고 있다. 동일한 기능은 곱셈기로도 만들 수 있지만 회로가 더 복잡하고 소비 전력도 증가하여 다른 회로에 이어서 내장하는 것은 어렵다.  비용도 대폭 상승한다. 
그래서 왜곡이 적은 발진기를 간단하게 만드는 방법에 대해 생각해 보았다.

2. 회로

회로를 간단하게 하기 위해 사양을 한정한다. 우선, 주파수를 오디오 대역으로 제한하고, 고정 주파수 1개로 한다. 전원은 전지 동작이 가능한 3V 이하로 하며 왜곡률은 0.1% 이하여도 되도록 한다. 진폭 제어에는 다이오드 리미터를 사용하고 이것이 원인이 되어 발생하는 왜곡을 이중 적분으로 제거하는 방식이다.

소비전력을 줄이기 위해 회로의 임피던스를 올리고 CMOS OP 앰프 LMC6482를 사용한다. 회로는 그림 16과 같다. 이회로는 출력 단이 일반적인 반전 적분, 앞단이 비반전 적분 동작을 한다.

다이오드의 리미터는 2직렬로 하여 안정된 전압을 높였다. 이 방식의 특징은 1kΩ의 반고정 저항에 있다. 이 반고정 저항으로 발진하기는 하지만 파형은 뭉개지지 않는 게인의 균형점을 구한다.

다이오드 특성 자체를 이용하고 있어 다이오드의 개성과 온도의 영향을 받는다. 그렇다고 해도 특별한 다이오드가 필요한 것은 아니어서 스위칭용이라면 어떤 것이든 사용할 수 있다.
그림 16의 회로는 ±1.20V∼±7.5V까지 제어할 수 있으며 실측값은 표 3과 같다. 왜곡률도 0.030%로 예정보다 상당히 좋아졌다.

사진 5는 ±1.40V에서의 파형이다. 이 회로는 높은 임피던스에서 동작하므로 측정은 실드판(알루미늄판) 위에서 한다. 실드가 없으면 파형이 흔들려 왜곡률이 증가한다.



3. 발진주파수 5MHz의 발진 회로

고주파 영역에서 발진기라고 하면, LC 공진 회로를 사용하거나 수정을 사용한 발진 회로로 하는 것이 일반적이다. 그러나 코일을 감는 것은 힘들며 수정은 시중에 나와 있는 주파수 외에는 납기가 걸리는 등 잘 융통되지 않는 편이다. 고주파에서도 CR로 발진시킬 수 있다면 간단하게 구할 수 있어 편리하다. 단, 여기서는 구형파가 아니라 깨끗한 정현파를 만든다. 사양으로는 일단 5MHz에서 각 차의 고조파 －60dB 이하를 목표로 한다. 
고주파용이라고 해도 원리는 앞에 나온 저주파용과 같으며 회로로서도 그림 17과 같이 거의 동일한 구성으로 되어 있다. 이 회로의 핵심은 고속 OP 앰프 LM6172를 사용하고 있다는 점이다. 실제로 제작한 모습이 사진 6이다. 
CR 값은 주파수가 높은 만큼 작은 값으로 되었다. 특히 C의 값이 작으므로 OP앰프 입력 용량 등의 영향이 크며, 발진주파수는 이론과 잘 맞지 않는다. 
그림 17의 회로를 ±5.0V로 동작시켰을 때의 파형은 사진 7, 스펙트럼은 사진 8과 같이 되었다. 각 차의 고조파는 표 4와 같으며 －65dB를 밑돌고 있다.

또한, 이 회로는 ±3.0V∼±16V까지 동작할 수 있지만 5V 이하에서는 왜곡이 증가하여 주파수가 내려간다. 5V 이상에 서는 변화가 거의 없다. 
출력 전압을 높이려면 저주파 발진인 경우와 마찬가지로 다이오드를 직렬로 한다. 단, 전원에 여유가 없으면 왜곡이 증가한다. 또한, 소비전류도 출력 전압에 비례해서 증가하며 결과적으로 발열도 증가하므로 안정성은 나빠진다.







즉석 회로 39 : 배터리로 움직이는 왜곡률 0.0006%의 정현파 발진 회로
직접제작한CdS 포토커플러나24V 램프로진폭을제어한다

1. 서미스터가 왜곡의 한계를 결정한다

서미스터를 사용한 윈 브리지 회로‘( CR과 다이오드로 만들수 있는 2개의 정현파 발진 회로’부분의 그림 15)에서는 THD＝0.003%를 얻을 수 있었다.

충분히 좋은 값이지만 OP 앰프의 왜곡 특성에 비하면 한참 떨어진다. 데이터시트에 따르면 LME49720의 왜곡률은 0.00003%_typ이다.

처음에는 CR 등의 부품에 원인이 있다고 생각했지만, 아무래도 서미스터의 온도가 저주파 사이클 내에서 근소하게 변동하기 때문인 것 같았다. 윈 브리지 회로에서는 이 변동이 출력에 직접 영향을 주어 왜곡률이 높아진다고 생각할 수 있다.

그래서‘CR과 다이오드로 만들 수 있는 2개의 정현파 발진회로’부분에서 좋은 실적을 거뒀던 이중 적분 회로를 서미스터 회로로 하면 서미스터 저항 변화의 영향도 감소할 것으로 생각했다.

즉석에서 테스트해 봤더니 조정 없이 THD＝0.0006%를 얻을 수 있었다. 그러나 이 서미스터 RA53은 현재 카탈로그에서 삭제됐다. 그래서 갖고 있던 CdS 포토커플러로 테스트했더니 조정은 필요해졌지만 마찬가지로 THD＝0.0006%가 가능했다. 그러나 CdS 포토커플러도 생산이 중지된 상태이다.

현재 이와 같은 종류의 회로를 만들려면 CdS 소자와 LED를 조합하여 직접 제작할 수밖에 없다.

2. 직접 제작한 CdS 포토커플러를 사용하여 전지로 동작할 수 있는 저왜곡 발진기를 만든다

이중 적분 정현파 발진 회로에서 CdS 포토커플러를 사용하여 왜곡을 줄였다. OP 앰프는‘잡음에 대한 강도를 조사할 수있는 서지 펄스 발생기’부분과 마찬가지로 LMC6482를 사용했다.

(1) 전원전압이 낮으면 LED를 점등하기 어렵다

전지 동작(최저 ±1.3V부터 동작)과 LED의 조합은 간단하지 않았다. 어려운 이유는 LED 점등에 1.6V 이상의 전압이 필요하기 때문이다. 이것은 이미 전원전압을 넘어섰다. 교류 회로에서 점등하기 위해 브리지 정류하면 다이오드 2개분의 전압이 더 필요하게 된다. 전압이 작은 쇼트키 배리어 다이오드를 사용한다고 해도 최저 0.5V이다. 출력 전압으로 점등하는 것은 불가능해진다.

정류 회로와 점등 회로를 나누어 여러 개의 트랜지스터 또는 OP 앰프를 추가하면 동작할 수 있지만 회로를 추가하면 전지 소모가 증가하여 전지를 작게할수없다

(2) 교류용으로 LED를 2개 넣은 포토커플러 직접 제작

그래서 정류하지 않고도 교류 점등할 수 있도록 LED 2개를 역병렬로 하여 CdS를 비추기로 했다. 이 CdS와 LED는 사진9에 나와 있으며(사토전기에서 구입한 중국산) 규격은 알 수없다.

이것을 사용하여 교류 점등 포토커플러를 구성하기 위해 그림 18과 같이 가공했다. LED 2개와 CdS를 대면시켰다. 거리를 너무 근접시키면 LED 2개의 균형이 잡히지 않으므로 약간 거리를 두었다.

(3) LED는 OP 앰프의 출력 사이에 넣어 전압 확보

그러나 아직 LED 문제는 해결되지 않았다. 레일 투 레일 OP 앰프를 사용해도 ±1.3V 전원에서는 LED를 점등시킬 수없는 것이다. 이것도 OP 앰프를 추가하지 않고 그림 19와 같은 회로로 해결했다.

이 회로에서는 LED를 두 OP 앰프 출력으로 점등했다. 뒷단은 반전 회로이고, LED에는 2배의 전압이 가해지는 것처럼 보인다. 그러나 동작 시의 파형인 사진 10을 보면 알 수 있듯이, 신호 2개는 90°의 위상차이므로 2배가 아니라 1.414배의 전압이 가해진다.



(4) 발진주파수도 변하지만 연속 가변은 어렵다

주파수 가변 응용까지 고려하여 R1, R2를 변경해도 주파수만 변화한다는 것을 확인했다. R의 값을 0Ω과 100kΩ으로 했을 경우의 측정 결과는 표 5와 같다.

이 결과에서 R₁, R₂를 2줄의 가변 저항으로 하면 142.3Hz에서 1,527Hz까지 연속 가변할 수 있을 것 같다. 그러나 실제로 연동 오차가 클 경우 CdS 저항 변화분으로는 다 보정할 수 없어 가변 저항 재조정이 필요해진다. 즉석 회로로는 이 정도가 한계이다.

램프를 사용한 초저왜곡 발진기 서미스터가 개발되기 이전에는 텅스텐 램프로 발진을 제어했다. 발진 회로 전용 램프도 만들어졌었던 것 같다. OP 앰프와의 조합이므로 우선은 점등 전력이 작은 램프를 사용해 보았다. 그러나 필라멘트가 작으므로 응답이 너무 빨라 왜곡률이 떨어지지않았다. 1. 의외로전압이높은램프가좋았다 반대로, 전력 증가를 각오하고 필라멘트가 길며 전압이 높은것을 사용했더니 초저왜곡을 얻을 수 있었다. 그 램프는 중국제 맥구(Wheat Bulb, 사토전기에서 구입)이며 모델명은 모르지만 24V용이었다. 이 램프를 단독으로 측정한 전압 전류 특성은 표 A에 나타난 바와 같다. 이것을 보면 일반 램프와 마찬가지로 냉저항과 정격 값 저항은 10배 가까이 변화한다. 이 변화를 제어에 이용할 수 있는것이다. 램프 방식의 특징은 광범위한 동작 전압에 대응할 수 있다는 점이다. 서미스터는 정전압적으로 동작하지만 램프는 정전류적으로 동작한다. 이것을 반대로 생각하면, 약간의 전류 변화로 전압이 대폭 변한다는 것을 의미한다. 이것을 이용하면 램프 하나로 발진 전압을 높거나 낮게 설정할 수 있다. 그렇다고 해도 표 A의 저항값을 보면 OP 앰프 회로에서는 다소 어려운 저저항 값이다. 여기서의 전압은 발열과 관련된 것이므로 당연히 실효값이다. 즉, 정현파에서는 피크가 1.414배로 되고 정격값(24VRMS≒34V0-P＝64VP-P)에서 점등하는 사용법의 경우 불가능하다. 이것은 표A의 저항값에서 600Ω 이상으로 되도록 하는 방법은 사용할 수 없으므로 300에서 400Ω이라는 값에서 동작하도록 설계해야 한다. 2. 저왜곡 OP 앰프와 조합시켜 발진 회로를 만든다 OP 앰프로는 초저왜곡률인 LME49720을 사용하여 게인 설정 GND 측에 램프를 넣고 그림 A와 같은 회로를 만들었다. 이회로에서는 가변 저항값이 램프의 저항값과 일치할 때까지 발진진폭이커진다. 즉, 정상 상태에서는 가변 저항과 램프가 같은 저항값을 유지하고, OP 앰프의 부하가 되는 전압과 저항은 램프의 2배가 된다. 이것은 OP 앰프의 최소 부하저항인 600Ω에 가까운 값이지만, 과부하로 되지 않는 한계에 가까운 동작이다. 이 회로에서 전원전압과 출력 전압을 변경하여 실측한 데이터가 표 B이다. 사진A는 그 파형을 나타낸 것이다. 3. 출력 전압이 크면 왜곡이 증가한다 출력 전압은 전원전압과 상관없이 가변 저항 설정값으로만 결정된다. 전원 전압이 부족하면 왜곡이 급격히 증가한다. 이 데이터에 따르면 출력 전압이 약 6.2V일 때 왜곡이 작으며, 출력 전압이 증가하거나 줄어도 왜곡은 늘어난다. 출력 전압이 낮아지면 노이즈의 영향이 증가하거나 OP 앰프 내부의 동작이 불안정해지므로 왜곡률이 증가하는 것도 이해할 수 있다. 그러나 출력 전압이 높아져 왜곡률이 증가하는 것은 무슨 이유일까? 그것은 램프가 밝을 때에는 온도 변화가 빠르고 저항 변화도 빨라져 왜곡이 증가하기 때문이다. 램프는 사진 B에 나타난 바와같이 상당한 밝기로 빛났다. 이것이 램프 제어 정현파발진기의 한계이다.

즉석 회로 40 : 잡음에 대한 강도를 조사할 수있는 서지 펄스 발생기

50V를 공급하면 피크 90V의 펄스 신호가 발생한다. 성능좋은 릴레이를 사용한다.
그림 20은 코먼 모드 잡음 등의 내성을 체크할 때 이용할수 있는 서지 펄스 발생기(사진 11)이다. 직류 전압을 C₁에 충전하고 피측정기기로 방전한다.
핵심 부품은 수은 릴레이와 콘덴서이다. 수은은 유독하므로 최근 수은 릴레이를 제조하는 회사가 줄어 구하기 어려워졌지만, 인터넷에서 찾으면 해외 제품을 구할 수 있을 것이다. 수은 릴레이는 사용 방향에 제한이 있는데, 이 서지 펄스 발생기에 서는 세워서 사용하지 않을 경우 수은 릴레이가 오동작한다.
콘덴서는 순간적으로 대전류를 흘릴 수 있는 HAC 시리즈 (일본케미콘)나 MPE 시리즈(루비콘)가 적합하다.



1. 동작시켜 본다

그림 21은 직류 50V를 공급하여 발생시킨 서지 펄스이다. 이와 같이 수은 릴레이를 사용하면 채터링이 발생하지 않고 상승이 빠른 펄스를 얻을 수 있다.

상승 부분을 관측하면 배선의 부유 인덕턴스의 영향으로 50V보다 높은 90V의 피크 전압이 된다. 피측정체의 임피던스에 따라 피크값이 다르기 때문에 정확한 데이터는 얻을 수 없지만 잡음 대책 비교에는 충분히 사용할 수 있다.


2. 코먼 모드 잡음과 오동작의 구조

기기 사이에서 신호를 주고 받을 때에는 코먼 모드 잡음 등에 의해 오동작하는 것을 방지하기 위해 그림 22와 같은 포토 커플러가 사용된다.

안전을 위해 모든 기기를 그라운드에 접속한다. 그러나 그라운드 2점 사이에 잡음 전압이 발생하면 코먼 모드 잡음으로 되어 각 기기의 부유용량(C_s1, C_s2)을 경유하여 잡음 전류가 흐른다. 그 결과, 회로 각 부분의 임피던스로 잡음 전압이 되어 오동작이 발생할 위험이 생긴다.


3. 사용법

그림 23은 장치의 잡음 내성을 조사할 때의 결선도이다(사진 12). R₃과 C₁을 추가했을 때 잡음 내성이 어느 정도 변하는지 실험으로 조사해 보았다. 실험 결과는 그림 24와 같다. 그림 24(b)에서도 잡음이 관측됐지만 신호가 L 레벨까지 도달하지 않았으므로 IC₁이 오동작하지 않은 것은 명백하다고 할 수 있다. 오실로스코프에 코먼 모드 잡음 전류가 흐르고, 그 영향에 의한 파형 흐트러짐도 크므로 정확한 잡음 파형을 관측할 수 없다.




즉석 회로 41 : 긴 수명·높은 안정성의 디지털 테스터 교정용 기준 전압 발생 회로

단3형 알칼리 전지 2개로 4.3년을 연속해서 사용할 수 있으며, OP 앰프 IC와 션트 레귤레이터 IC 1개로 만들 수 있다.

1. 어떤 디지털 테스터가 바르게 측정하는지 알 수 없다

최근 설계·제조 현장에서 아날로그 테스터를 사용하는 경우는 거의 없으며 디지털 테스터 일색이다. 한 사람이 여러 대의 디지털 테스터를 갖고 있는 독자도 많을 것이다.

문제는 한 군데의 전압을 여러 개의 디지털 테스터로 측정했을 때 최하위 행의 표시가 크게 달라 어떤 디지털 테스터가 바르게 측정하고 있는지 알 수 없다는 것이다. 그래서 간단하게 만들 수 있는 디지털 테스터용 체커(기준 전압원과 기준 전류원)를 소개한다.

2. 회로와 핵심 부품

그림 25는 전지로 동작하며 저소비전류인 1.5V 기준 전압회로와 전류계 체크도 가능하도록 추가한 100㎂ 정전류 회로이다.


(1) 정전압 회로부

많은 기준 전압 회로는 전원을 ON/OFF할 때마다 출력 전압이 조금씩 변화하게 된다. 이 변동을 막기 위해서 단3형 1.5V 알칼리 건전지 2개를 전원으로 상시 동작시킨다. 소비전류를 철저하게 억제한 설계로 4∼5년 정도의 동작 수명을 기대할 수 있다.

설계할 때에는 참고문헌(1)을 참고하여 IC를 신일본무선 제품으로 바꿨다. 이에 따라 회로도 대폭 변경하여 정전류 회로의 출력 전류를 1㎂에서 사용하기 쉬운 100㎂로 바꿨다.

OP 앰프 IC(NJU7002)는 동작 전원전압 범위가 1∼16V이며 소비전류는 20㎂, 출력 전류는 10㎂이다.

전원전압이 3V일 때의 동상 입력 전압 범위는 0∼2V로 매우 낮게 되어 있다. 때문에 전원전압이 2V까지 떨어졌을 경우의 동상 입력 전압 범위는 0∼1V 정도가 될 것으로 예상할 수있다.

그래서 동상 입력 전압을 약 0.3V로 하도록 1.5V 기준 전압 회로에서는 출력 전압 범위를 좁히지 않고 출력 전류 증가를 위해 이미터 접지 PNP형 트랜지스터(Tr₁)를 추가했다. 기준 전압 소자로서, 캐소드 전류가 최고 0.7㎂에서도 안정적인 1.2V 기준 전압의 NJM2825를 캐소드 전류 3㎂에서 사용했다. 
기준 전압 회로의 구성 방법은 다양하지만, 동상 입력 전압이 0.3V로 되는 그림의 회로로 했다. 출력에 넣은 CR 스너버(C₅와 R₁₁)는 발진 방지용이다.

(2) 정전류 회로부

100㎂ 정전류 회로에서는 NPN형 트랜지스터를 추가했다. 정전류회로도가급적동상입력전압을낮게하도록구성했다. Tr₂의 베이스 직렬 저항이 1MΩ과 같이 비정상적으로 큰 것은 정전류 회로의 사용법 때문이다. 정전류 회로는 대부분의 경우 전류계가 접속되지 않고 개방 상태이다. 이 때 OP 앰프 출력은 거의 0V로 되고 베이스 전류는 최대 출력 전압인 10㎂가 흐른다.

그림과 같이 베이스 직렬 저항으로 1MΩ을 넣으면 베이스 전류를 3㎂ 정도로 억제할 수 있다.

(3) 저잡음 증폭용 트랜지스터 사용

트랜지스터 Tr₁과 Tr₂는 각각 높은 h_FE(350∼700)의 저잡음 증폭용인 2SA970BL과 2SC2240BL로 했다. 저잡음 증폭용의 좋은 점은, 컬렉터 전류가 작을 때에도 h_FE가 거의 저하되지 않는다는 것이다.

NPN형 트랜지스터를 사용한 100㎂ 정전류 회로는 h_FE의 온도 변화가 오차로 되지만, 높은 hFE 때문에 거의 영향을 주지 않는다.

(4) 소비전류

이 기기의 전원 입력 전류는 출력 해방에서 전원전압 3V일때 32㎂였다. 단3형 1.5V 알칼리 건전지의 용량은 약

1,200mAh이므로 연속 동작시간은 다음과 같이 계산할 수 있다.

전원전압을 서서히 저하시켰을 때에는 1.56V까지 정상적인 전압과 전류를 출력한다. 이보다 낮춘 후 올려 갔을 때 정상적인 전압과 전류를 출력하는 것은 1.75V였다. 동작 시에는 전지 전압이 서서히 저하되지만 4년 이상의 연속 동작시간은 확보할 수 있을 것이다.

정전류 회로에 전류계를 접속했을 때의 전원 입력 전류는 134㎂이지만 이러한 사용은 단시간이므로 전지 수명에는 거의 영향을 미치지 않을 것이다.

(5) 제작 시 주의해야 할 점

제작상의 주의사항으로, 트리머 포텐셔미터는 쉽게 조정하기 위해 다회전인 것을 사용한다는 것을 들 수 있다. 여기서는 15회전인 것을 사용했다.

조정은 교정된 정밀한 디지털 멀티미터로 했다. 제작 후에는 케이스에 넣어 진동과 온도 변화가 적은 실내에 보관하고, 반년마다 교정된 정밀한 디지털 미터로 이 기기를 교정하면 안심하고 사용할 수 있을 것이다.

갖고 있던 것이 없어서 사용할 수 없었지만 OP 앰프 IC는 초저 소비전류 타입으로 하고 Tr₂로 0.8∼1.2V 구동 가능한 N 채널 파워 MOSFET을 사용하면 전지의 수명을 규격 상한인 5년으로 할 수 있다.

本記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

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