50개의 즉석 서바이벌 회로 II - 부품과 회로의 특성을 체크하고 싶다

50개의 즉석 서바이벌 회로 II - 부품과 회로의 특성을 체크하고 싶다

 

단골손님에게 보내기 전에

부품과 회로의 특성을 체크하고 싶다

 

 

즉석 회로 (19) : 파워 MOSFET이 고장나면 LED가 꺼지는 회로

 

전원 회로나 모터 드라이브 회로가 고장났을 때 MOSFET의 교체 여부를 알 수 있다. 테스터로는 알 수 없다. 바이폴러 트랜지스터가 파손됐는지는 테스터의 다이오드 측정 기능을 사용하여 간단히 판별할 수 있지만, 파워 MOSFET의 고장 여부는 간단히 판별할 수 없다.

여기서는 전원 회로나 모터 드라이브 회로 제작 시 많이 사용하는, N채널 파워 MOSFET의 고장을 판정할 수 있는 지 그에 대해 소개한다.

이 회로에서는 완전하게 파손된 파워 MOSFET을 검출할수 있다. 예를 들면 게이트-소스간 쇼트는 알 수 있지만 절연 열화는 검출할 수 없다.

 

1. 회로

 

(1) 동작

 

 

그림 1은 회로의 동작을 나타낸 것이다. 파워 MOSFET과 OP 앰프로 16.7mA의 정전류 회로를 구성했다. 파워 MOSFET이 파손되지 않았다면 소정의 드레인 전류가 흐르는 것이므로 전류값을 전압으로 추출하여 윈도우 콤퍼레이터로 판별한 후 LED를 점등시킨다. 정전류 회로는 소스 저항의 전압 강하가 기준 전압 2.5V로 되도록 제어하고 있다.

윈도우 콤퍼레이터는 OP 앰프 1개로 동작시킨다. 왜냐 하면 전체 회로를 2개들이 OP 앰프 1개로 처리하기 때문이다 또한 파손 판별용이라면 정밀한 역치 레벨이 필요 없기 때문이다. 드레인에 넣은 저항 R5는 드레인-소스 사이가 쇼트되어 있는 경우의 보호 저항이다.

D1은 전원의 역접속 보호용이다. 직접 외부 전원을 접속할 때 외에는 필요 없다.

 

(2) 특성

 

 

그림 2는 윈도우 콤퍼레이터 부분을 추출하여 동작을 체크했을 때의 파형을 나타낸 것이다. D2와 D3의 접속점에 직접 바이어스된 삼각파를 입력하여 출력(IC1의 핀 7)을 보았다. 파형에서 파워 MOSFET이 파손되지 않은 경우의 역치 레벨은 1.84V(전류 환산 12.3mA)∼3.16V(전류 환산 21.0mA)였으며 파손을 판별하는 데 충분히 사용할 수 있는 값이다. 파손됐을 때의 출력 전압은 다음과 같다.

 •0V(전류 환산 0mA) : 드레인-소스 사이가 오픈됐거나 게이트가 파손돼 파워 MOSFET이 동작하지 않는 경우

 •6V(전류 환산 40mA) : 드레인-소스 사이가 쇼트된 경우

 

(3) 응용

이 회로는 전원전압 12V로 동작하도록 설계되어 있다. 8V정도까지 낮춰도 동작하지만 그 경우에는 R1, R7, R11을 재설계해야 한다. P채널 파워 MOSFET을 체크할 때에는 극성을 반대로 하여 재설계하면 가능하다.  

 

즉석 회로 (20) : 20A의 방형파 전류를 끌어올 수 있는 간이 전자 부하 회로

 

전원이나 앰프의 안정성은 부하를 급변시키면 알 수 있다. 앰프나 전원의 안정성 및 응답 특성을 보는 데에는 방형파 펄 스가 유효하다. 그러나 시판되고 있는 전자 부하장치나 함수 발생기는 오버스펙이며 고가이다. 그래서 범용 로직 IC로 간단하게 제작할 수 있으며 최대 20A의 방형파 부하를 끌어올수 있는 부하 회로에 대해 소개한다. 전원 안정도와 응답 특성을 체크할 수 있다.

 

1. 회로

 

 

그림 3은 회로를, 사진 1은 외관을 나타낸 것이다. CMOS 인버터 IC TC74HC14로 제작하는 방형파 발생 회로(프리런 멀티 바이브레이터)와 파워 MOSFET으로 구성되어 있다. 파워 MOSFET Tr1은 50V, 20A 정도의 스위칭이 가능하다.

주파수 가변용으로는 콘덴서 변환용 스위치와 가변저항기를 갖췄다. 출력에는 주파수 고정인 OUT1과 주파수 가변인 OUT2의 방형파 발생 출력도 있다.

발진 주파수 범위는 10Hz∼수백kHz로 하고, 출력 전압은 고정 출력 OUT1이 5Vpeak 고정, 가변 출력 OUT2가 0∼5Vpeak까지 연속 가변한다. 예를 들어 앰프 회로의 안정도 체크에는 주파수 가변 출력 OUT2를 사용한다. 앰프 입력에 방형파를 입력하고, 필요하다면 콘덴서로 직류분을 차단하여 앰프 회로의 출력 파형에 큰 오버슈트나 링잉이 없다는 것을 확인한다. D1 은 전원 역접속 보호용이다. 외부 전원을 직접 접속할 때 외에는 필요없다.

 

2. 사용해 본다

 

 

그림 4는 DC-DC 컨버터의 출력에 이 기기를 연결하고 부하전류를 0.1 ⇔ 0.7A로 변동시켜 확인한 응답 파형이다. 부하전류 변환에 사용한 부하저항은 그림 3에서 점선으로 나타난 RL＝50Ω과 RH＝8.25Ω이다. 최고 발진주파수 f1max는 다음 식 과 같다.

fmax≒1/(2.2C1R2)＝2.07MHz

너무 큰 R1＝68kΩ과 핀 13의 기생용량에서의 지연과 함께 인버터에 지연 시간이 표준 인버터 TC74HC04의 약 2배인 슈미트 인버터 TC74HC14를 사용했으므로 실제 측정에서는 730kHz로 약 1/3이었다. 회로 안정도 체크에는 지장이 없다.

 

3. 응용

 

방형파 출력을 디지털 회로의 클록 신호발생기로 사용하고자 할 경우에는 R1과 VR1의 저항값을 낮추고 인버터 IC를 지 연 시간이 짧은 TC74HC04 혹은 더 고속인 TC74AC04로 한다. 또한, 콘덴서도 1-3.3 계열, 즉 10pF-33pF-100pF-330pF-1000pF으로 변환하고 VR1의 저항값을 낮춰도 발진주파수 설정에 지장이 없도록 한다.

방형파 출력의 전압 레벨을 15Vpeak까지 크게 하고자 할 때에는 CMOS4000 시리즈의 인버터 IC 4069를 사용하면 가능하지만 R1과 R2, VR1, VR2를 크게 해야 한다. 이 회로는 전원전압 2∼6V로 동작하지만 파워 MOSFET에 의한 스위칭 출력을 사용할 때에는 5V 이상으로 한다.  

 

즉석 회로 (21) : 전원 경부하 시의 불안정 동작을 해소해 주는 정전력 부하 회로

 

가변 전원의 출력 전압이 클 때에는 전류 소비를 줄여 본다. 스위칭 전원 회로는 방식에 따라 다르지만 출력이 무부하나 경부하로 됐을 때 전압 안정화가 어려워져 출력 전압이 올라가는 경우가 있다. 그 원인은 회로 각 부의 지연 등에 의해 최소 ON 시간이 제한되기 때문이다. 예를 들어 강압형 초퍼나 포워드 컨버터에서 평활 초크 코일의 임계 전류 이하가 됐을때 일어난다.

 

1. 대책

 

각 부의 스피드 업에는 한계가 있으므로 최소 부하 조건을 만족시키는 브리더 회로(저항)를 부가하는 것이 일반적일 것이다. 고정 출력 전압 전원이라면 고정 저항기여도 되지만, 가변 출력 전압인 경우 최소 출력 전압으로 안정 동작하도록 저항값을 설정하면 최대 출력 전압에서 로스가 증가한다. 정전류 회로에서도 이러한 경향이다. 그래서 항상 거의 일정한 브리더 전력을 소비하는‘정전력적 브리더 회로’를 소개한다.

 

2. 회로

 

 

그림 5는 회로를 나타낸 것으로, 부귀환형 정전류 회로에 전압 제어 루프를 추가한 것이다. 그림 6은 입력 전압에 대한 부하전류이다.

설계(근사)식은 그림 안에 기재했다. 브리더 전류의 검출값(전압)과 인가 전압을 계산하여 일정한 조건으로 유지한다. 완전한 정전력으로 되지는 않지만, 원하는 브리더 회로로서는 효과가 있다. 전원 출력 전압의 최대값과 최소값에서 전압이 안정화되고, 가능한 한 적은 소비전력으로 되도록 회로상수를 설정한다.  

 

즉석 회로 (22) : 파워 트랜지스터 내압의 실력값을 알 수 있는 회로

 

 단시간 고압을 가해 오실로스코프로 파형을 관측하면 메이커의 공칭값에 대한 여유를 알 수 있다.

내압이 900V인 파워 MOSFET의 내압을 실제로 측정해 보고 싶어도 그런 고전압 전원을 갖고 있는 경우는 드물다. 반도체 회로에 이러한 고전압 전원이 사용되는 경우는 별로 없으 며, 만약 준비한다고 해도 내압 측정에만 사용되므로 아깝다고 할 수 있다.

바이폴러 트랜지스터나 MOSFET 내압을 안정적으로 측정하려면 단시간에, 그리고 전류가 제한된 상태에서 고전압을 가해야 한다. 설령 정전류 리미트가 있는 전원을 사용한다고 해도 눈사태와 같이 부하가 급변한 경우, 순간적으로 대전류가 흘러 안전한 측정은 불가능하다. 그래서 안전하게 작은 전원을 사용하여 고전압 반도체의 내압을 측정하는 방법에 대해 소개한다.

이 내압 측정은 부품 각각의 실력을 선별하는 데 효과적이지만 메이커 규격에 대해 어느 정도 여유가 있는지, 즉 안심하고 사용할 수 있는 범위에 있는지를 파악하는데에도 도움이 된다.

 

1. 회로

 

 

그림 7은 플라이백 코일을 이용하여 단시간만 고전압을 발생시키는 회로이며, 사진 2는 그 외관이다. 피측정 디바이스 자체에 고전압을 발생시키는 기능을 담당한다. 그림 7의 회로에서는 함수 발생기로 MOSFET을 ON/OFF시켜 ON일 때 코일에 에너지를 저장하고, OFF일 때 고전압으로서 개방한다.

이번에 플라이백 코일로 사용한 트랜지스터 OUT-41-357(가스카무선)은 진공관용으로서는 가장 작으며 사용 가능한 범위는 1,000V(필자의 판단) 정도이다. 그 이상의 전압을 측정하고자 할 때에는 보다 하이 파워의 트랜스로 대응한다. 예를 들면 시판되고 있는 진공관용 출력 트랜스라면 5,000V 정도까지는 가능하다. 그러나 그런 고내압 트랜지스터가 있을까.

 

(1) 출력 전압 파형 

 

 

사진 3에 나타낸다. 출력은 측정하고자 하는 전압이 200V를 넘어설 경우 100배의 프로브를 사용하여 측정한다. 출력(드레인)은 고압으로 되므로 절대 접촉해서는 안 된다.

측정 방법은 전원전압을 0V로 하여 게이트에 펄스를 가하고 전원전압을 조금씩 올린다. 이렇게 하면 드레인 전압의 피크는 서서히 올라가 수백V의 전압을 얻을 수 있다. 사진 3에서는 500V 이상이 나왔다. 내압을 넘어선 드레인 전압은 출력할 수 없으므로 드레인 전압값이 상승하지 않게 되면 그 때의 전압이 내압으로 된다.

사진 3(a)은 고전압이 가해진 시간이 매우 짧은 경우이다. 출력 주파수는 10Hz로 하고 평균 전력을 낮췄기 때문에 보통은 방열기가 필요 없다.

사진 3(b)은 OFF 직후의 전압 변화를 확대 표시한 것으로, 산 정상이 약간 평탄해져 있는 것은 내압을 넘으려고 하여 뭉개진 부분이다. 여기서 전원전압을 더 올리면 파형이 뭉개진 부분의 시간이 길어져 소자가 파괴된다.

사진 3(c)은 산이 뭉개지기 직전의 전압 파형이다. 이 때의 전압값을 내압이라고 판단한다. 실제로 반복해서 가하는 전압은 이 값의 10% 정도 이하로 설정하는 것이 일반적이다.

 

2. 그 밖의 소자에 응용

 

(1) P채널 파워 MOSFET의 내압 확인

 

 

그림 7은 N채널 MOSFET이지만 P채널 제품에서도 드라이브 회로와 구동 전압을 변경하여 대응할 수 있다. P채널에서는 전원과 펄스의 극성을 반전시킨다. 출력 파형은 사진 4와같다. 드레인 파형도 반전되어 나오지만 측정 방법은 N채널 MOSFET과 동일하다.

 

(2) 바이폴러 트랜지스터의 내압 확인

구동 전압을 ±0.6V로 낮추고 베이스의 직렬 저항을 200Ω으로 조금 크게 한다. 컬렉터 전류는 최대라고 해도 수십mA이므로 hFE가 낮아도 구동 전압을 높이면 대응할 수 있다. 출력 파형은 사진 5와 같다.

 

(3) 다이오드의 내압 확인

다이오드의 경우에는 그 자체로 구동하여 고압을 발생시킬수 없다. 앞에서 설명한 방법으로, 내압을 알고 있는 트랜지스터와 병렬로 접속하면 트랜지스터의 내압을 한도로 하여 측정할 수 있다. 이 경우 내압을 측정하기 위해 고내압 트랜지스터를 구입하게 되는데, 전용 내압 측정기나 고압 전원을 구입하는 것보다 훨씬 저렴할 것이다. 

 

즉석 회로 (23) : 수W∼수십W를 소비할 수 있는 대전력 가변저항기와 정전류 부하 회로

 

파워 소자의 방열 특성(열저항)을 조사할 수 있다. 방열기 데이터시트에는 열저항값이 나타나 있어 파워 소자의 방열 특성을 대략적으로 파악할 수 있지만, 여기에 팬을 달아 케이스내에 수납한 경우에 대해 생각하면 요소가 많아 예측이 어려워진다. 그러나 실제로 조사하려면 수십W의 가변저항기가 필 요하다.

 

1. 회로

 

 

그림 8은 파워 소자의 방열 특성을 조사할 때 이용할 수 있는 유사 저항 회로이다. 사용 상태에서의 허용 손실뿐만 아니라 방열기를 포함하지 않은 절연물까지도 열저항을 측정할 수 있다. 열저항을 알고 있는 방열기와 세트로 사용할 때의 방열 특성을 예측할 수 있다.

그림 8의 회로는 전원을 테스트하는 부하 장치로 이용할 수 있다. 단, 일정 전류로는 되지 않으며 저항값도 완전히 일정해 지지는 않는다. 이 회로는 방열기에 파워 소자를 설치하여 만든다. 필요하다면 절연물을 끼운다. 실험에서는 실제로 사용하는 상태로 근접시키는 것이 포인트이다. 팬도 생각할 수 있는 최저 전압으로 돌린다.

 

(1) 동작

동작은 가변저항기와 마찬가지로 VCC가 올라가면 전류도 증가하는 간단한 것이다. 단, 전류 설정 바이어스 회로의 경우 저항 분할만으로는 온도에 따라 전류가 크게 변동하므로 다이오드로 온도 보상을 실시했다. 전력을 소비하는 것뿐이라면 정전류 동작으로도 가능하지만 전압과 전력이 비례 관계로 되어(P＝IV) 알기 쉬운 반면, 전력의 가변 범위가 좁아진다.

한편, 저항 동작으로 하면 전력이 전압의 제곱에 비례하므로(P＝V2/R) 전압을 3배로 바꾸면 전력은 9배로 된다. 저항값도 가변이므로 광범위한 전압, 전류, 전력의 부하를 실현할 수 있다.

트랜지스터의 방열 특성을 보려면 트랜지스터와 방열기의 온도를 방사온도계 등으로 감시하면서 전원의 전압을 올린다. 트랜지스터의 손실은 전원의 전압×전류에서 저항(주로 이미터의 0.56Ω)에 의한 손실을 뺀 것이므로 전원에는 전압과 전류가 표시되는 것이 편리하다.

 

 

그림 9는 부하 장치 전용으로서 일정 전류로 한 회로이다.

즉석이므로 완전한 정전류가 되지는 않았지만 뒤에 나오는 ‘300V 입력 대응! 출력 전압이 입력 전압과 연동하는 분압 레귤레이터’부분의 간이 레귤레이터 테스트에는 실제로 충분히 사용할 수 있었다.

그림 9의 회로에서는 R1에 의해 전류 범위가 결정된다. 그림 에 나타난 470Ω에서는 200㎂에서 14.69mA로 가변했다. 200㎂는 정전류 다이오드뿐인 전류이며 그 이하로는 설정할 수 없다. 또한, 260V는 정전류 다이오드의 내압으로 제한된다. 직렬 다이오드의 수를 늘리면 900V까지 대응할 수 있다.

R1을 작게 하면 전류는 증가하지만 동시에 발열량도 증가하므로 방열기도 크게 해야 한다. 이 회로도 방열 테스트에 사용할 수 있다. 

 

즉석 회로 (24) : 트랜지스터의 오픈 루프 게인을 측정할 수 있는 고부하 회로

 

증폭하고자 하는 주파수에서 트랜지스터 출력 임피던스를 얻을 수 있다. 수백kΩ까지나 되는 출력 임피던스를 측정할 수 있다.

 

1. 트랜지스터의 출력 임피던스는 어떻게 하면 측정할 수 있는가?

 

트랜지스터의 출력 임피던스는 초음파나 고주파에서의 게인을 결정하는 중요한 파라미터이다. 트랜지스터에는 병렬로 기생 용량(출력 용량 Cout)이 달라붙어 있으므로 고주파에서는 출력 임피던스가 내려간다.

 출력 임피던스는 순저항분인 경우 직류 전압을 바꿔 전류의 변화를 측정하면 알 수 있다. 그러나 여기에는 문제가 있다. 트랜지스터의 출력 임피던스가 매우 높다는 점이다. 출력 임피던스는 전압 게인을 전류 게인으로 나누면 얻을 수 있지만 보통은 출력 임피던스보다 부하저항이 더 낮으므로 전압 게인을 바르게 측정할 수 없다.

10MΩ의 저항을 부하에 접속하면 전압을 측정하여 전압 게인을 얻을 수 있을 것이다. 그러나 가령 1mA에서의 동작을 측정하고 싶을 때에는 1만V 이상의 전원이 필요하므로 사실상 무리이다.

실제로는 내압 범위 내에서만 측정할 수 있으므로 극히 소량의 전류 변화만 얻을 수 있어 측정 오차가 커진다. 더욱이 전류 값은 온도 변화에도 크게 영향을 받기 때문에 출력 특성을 측정하고있는지 온도 특성을 보고 있는지 알 수 없게돼버린다.

이것과는 별개인 문제도 있다. 그것은 직류에서의 저항값이 고주파에서의 순저항분과는 일치하지 않는다는 점이다. 따라서 실제 사용 주파수 부근에서 출력 임피던스의 순저항분을 측정하지 않으면 설계에 도움이 되지 않는다.

 

2. 고임피던스를 실현하려면

 

코일의 자기 공진을 이용하여 고임피던스를 실현하고 부하에 사용한다. 다양한 코일을 시도한 결과, 큰 페라이트 코어 중 수십kHz에서 임피던스를 100MΩ으로할수있는것이있었는데, TDK의 H5AP45/29A630이다. 이 코어에 Ø0.3 폴리우레탄선을 735회 감았더니 자기 공진주파수에서의 임피던스가 9.7MΩ으로 됐다. 임피던스는 348mH로 실측됐다. 단, 여기서 임피던스값은 중요하지 않다. 코어가 있는 코일일 경우에는 코어가 포화되지 않는 전류 범위를 알아둘 필요가 있다.

상기의 코일이 280mA까지의 직류에서 9MΩ이상의 임피던스를 나타낸다는 것을 확인하고 사용하기로 했다.

 

3. 사용해 본다 … MOSFET의 전압 게인을 측정해 본다

 

 

그림 10의 회로에서 입출력 전압을 보며 MOSFET의 게인을 측정한다. MOSFET에는 큰 출력 용량(Cout)이 있어 이것을 없애기가 힘들다. 이번에는 부하 코일의 자기 공진을 이용하므로 공진주파수가 내려가는 것만으로는 동작이 거의 변하지않는다.

측정 조건으로 전압 VDS와 전류 ID를 설정하고 신호발생기의 출력을 0.1V 정도로 하여 주파수를 변화시킨 후 출력 전압이 최대로 되는 주파수를 찾는다. 출력 전압이 최대가 된 점이 공진주파수이므로 출력 전압을 입력 전압으로 나누면 거의 정확한 전압 증폭률을 얻을 수 있다.

그림 10에서는 입력 전압을 1001 분할했기 때문에 게인은 전압비의 1001배가 된다. 여기서 부하의 코일과 병렬로 1kΩ을 연결해 전류 게인을 측정한다. 트랜스 컨덕턴스 g1fs의 값은 전압비의 1배당 1mS가 된다. 이 측정값 및 전압 게인과 전류게인의 비가 출력 임피던스의 순저항분이 된다.

 

(1) 측정 결과

그림 10의 회로에서 오디오 앰프용 MOSFET 2SK213의 입 출력 전압을 측정했더니 90V, 22mA 부근에서 전압 게인이 최대로 되어 20169.4배(86.1dB) 있었다. 이 때의 gfs는 49.66mS이며 출력 임피던스는 약 406kΩ으로 계산됐다.

측정 시의 주의점은, 전압 VDS와 전류 ID를 변화시킬 때마다 공진주파수가 바뀔 가능성이 있으며 그 때마다 어긋나지 않았는지 확인해야 한다는 것이다. 이로 인해 동작점의 최적값을 찾는 측정에는 다소 시간이 걸린다. 또한, 항상 파형을 보면서 왜곡이 없는(포화되어 있지 않은)지 확인해야 한다. 측정 정밀도를 높이려면 가능한 한 진폭을 크게 해야 하지만, 포화되지 않은 범위가 아니라면 바른 값이 나오지 않는다. 이 측정에서 포화되지 않은 범위의 게인을 확인할 수 있다.  

 

즉석 회로 (25) : 신호원의 출력 임피던스를 전환하는 회로

 

 

앰프의 직류 바이어스 전류, 입력 용량, 잡음 성능 평가에 사용할 수 있다. 앰프 특성 평가 등에 편리하도록 전환 기능이 있는 입력 저항 회로를 만들었다. 그림 11은 회로를, 사진 6은 외관을 나타낸 것이다.

 

1. 사용법

 

(1) 앰프의 입력 저항을 측정할 수 있다

앰프의 입력 저항을 계측할 경우 스위치를‘SHORT’에 맞춰 쇼트 상태로 하고 앰프의 출력 전압 VS를 계측한다. 이어서 100kΩ의 저항으로 전환하여 출력 전압 VR을 계측하면 앰프의 입력 저항Rin[Ω]은 식 (1)로구할수있다. 

 

(2) 앰프의 입력 용량을 측정할 수 있다.

앰프의 입력 용량을 계측할 경우 충분히 낮은 주파수에서 출력 전압을 계측한다. 이어서 주파수를 높이며 앰프의 출력전압이 －3dB(70.8%로 저하) 저하되는 주파수 f-3dB를 찾는다. 이 때 저항값은 앰프의 입력 임피던스보다 충분히 낮으며 f-3dB를 앰프의 고역 차단주파수보다 충분히 낮게 계측할 수 있는 저항값 Rx로 설정한다. 이렇게 하면 입력 용량 Cin[F]은 식 (2)로 구할 수있 다.

 

 

앰프의 입력 임피던스보다 충분히 낮은 값으로 Rx를 설정할 수 없는 경우에는 앰프의 입력 임피던스와 Rx의 병렬 합성값 (Rin Rx)/(Rin＋Rx)로 식 (2)에서 Cin을구할수있다.

 

(3) 앰프의 직류 바이어스 전류를 측정할 수 있다

앰프의 직류 바이어스 전류를 계측할 경우에는 입력 전환 스위치를 [Short]로, 토글 스위치를 [GND]로 설정한다. 이 때 앰프 직류 출력 전압을 Vout으로 하고 이어서 저항값 Rx로 설정하여 직류 출력 전압 VR을 계측한다. 앰프의 게인을 A라고 하면 직류 바이어스 전류 IB[A]는 식 (3)과 같이 구할 수 있다.

 

 

이 때 직류 전압계의 지시가 흔들릴 경우, 지난 달‘오실로스코프의 표시 파형을 깨끗하게 해주는 로우 패스 필터 어댑터’부분에서 소개한 LPF를 충분히 낮은 차단주파수로 설정하여 전압계의 입력에 삽입한다. 그러면 흔들림이 없어져 계측하기 쉬워진다.

 

(4) 앰프의 잡음지수를 측정할 수 있다.

앰프의 잡음지수를 계측할 경우에는 계측하고자 하는 입력저항값으로 설정하고 고역 차단주파수를 15.7kHz로 설정한 LPF를 실효값 전압계의 입력에 삽입한다. 그리고 앰프의 출력 잡음 전압을 계측하여 앰프의 게인에서 입력 환산 잡음 전압 VNin을 구한다. 각 저항값의 10kHz 대역폭 잡음 전압 VNR 은 다음과 같은 값이 된다. 

100Ω : 129nVRMS 1kΩ : 407nVRMS

10kΩ : 1.29㎶ 100kΩ : 4.07㎶

잡음지수는 방금 전에 나타낸 잡음 전압과 입력 환산 잡음전압의 비를 데시벨로 한 것이므로, 식 (4)에서 잡음지수 NF[dB]를 구할 수 있다. 단, 입력 저항값 << 앰프 입력 임피던스라는 조건이 있다. 

 

 

앰프의 출력 잡음이 너무 작아 실효값 전압계로 계측할 수 없는 경우에는 제2장의 저잡음 앰프로 증폭한 후 LPF를 접속하고 잡음 전압을 계측하여 입력 환산 잡음 전압을 구한다.

 

2. 제작 시 주의할 점

 

스위치 중에는 미소 전류에서 확실히 ON되지 않는 것도 있다. 따라서 여기서 사용하는 스위치에는 금 접점 등을 사용하여 미소 전류에서도 ON/OFF할 수 있는 것을 선택한다. 케이스는 다카치의 MB-1이다.

잡음을 계측할 경우에는 외부에서 오는 잡음 자계 등을 받지 않도록 가능한 소형으로 제작한다.

극저잡음 앰프의 경우에는 전환 스위치 등이 없고 저항을 완벽하게 실드한 것이 더 적절하다. 

 

구입해서 바로 사용할 수 있는 충전 전지를 검증한다 

 

산요전기의 니켈수소 축전지 eneloop는 충전이 완료된 상태로 팔기 때문에 처음에 충전하지 않아도 된다.

그림 A는 새 전지를 구입하여 방전 특성을 조사한 결과이다. 제조 후 대략 6개월이 지났지만, 추정 용량을 통해 약 85%의 용량이 남아있다는 것을 알 수 있다.

3회째 방전에서는 방전 유지 전압의 상승과 함께 지속 시간이 늘어났다.

 

즉석 회로 (26) : 충전 가능한 2차 전지의 용량을 알 수 있는 정전류 방전 회로

 

방전 시작에서 정지까지의 시간을 측정해 산출한다. 원래 전지의 지속 시간을 끌어낸다.

다양한 전지의 방전 특성을 조사하는 데 편리한 방전 회로를 제작했다. 전지를 세트하고 방전 시작 스위치를 누르면 일정 전류로 계속 방전한다. 전지의 전압이 설정 전압까지 떨어 지면 자동적으로 방전을 정지한다. 방전 지속시간을 측정함으로써 전지의 열화 판단 등에 사용할 수 있다.

니켈수소전지의 경우, 구입 직후 등 장기간 방치한 후 사용할 경우 원래의 성능(방전 유지 전압이나 방전 지속시간)이 나타나지 않는다. 충방전을 2∼3회 반복하지 않으면 충분한 성능을 발휘하지 못한다. 이 경우 리플레시 방전에도 이용할 수 있을 것이다.

 

1. 회로

 

 

회로는 그림 12와 같다. IC1A 주변이 방전용 정전류 회로이며 그림 12의 점 Ⓐ에서 R7(0.1Ω)에 의한 전압 강하가 일정해 지도록 제어된다. Tr1에서 발생하는 기준 전압(2.5V)을 VR1으로 분압한 전압에서 전류값이 정해지며 0.1V에서 1A의 방전전류가 된다.

Di의 애노드“H”“/ L“에서 정전류부의 정지·동작을 제어한 다. D1의 애노드가“H”로 되면 IC1A의 반전 입력 전압이 상승하여 ICiA의 출력이 0V로 된다. 그러면 MOSFET이 OFF되어 전류가 흐르지 않게 되고 방전 정지 상태로 된다. D1의 애노드가“L”이면 R5가 분리되어(역바이어스 상태) R6을 통해 정전류제어가 이루어진다. IC1B는 전압 비교이다. VR2에서 설정한 전압보다 그림 12의점 Ⓑ의 전압이 저하되면 IC1B 출력이“L”로되어 방전상태유지 플립플롭 IC2C와 IC2D를 리셋한다.

R13과 R14에서 전지 전압을 분압하여 기준 전압인 2.5V보다 높은 전지(리튬전지 등)까지 다룰 수 있게 했다. 1.5V 정격의 전지밖에 사용할 수 없는 R13은 필요 없다. 그 대신 IC1B의비반전 입력을 GND 레벨로 하기 위한 R15(100k∼1MΩ)를 연결해 둔다.

SW1을 눌렀다 떼면 전지 전압에 관계없이 방전이 이루어진다. VR1에 의한 방전 전류 조정은 이 상태에서 실행한다.

방전 정지 전압은 LED2를 보면서 조정한다. 설정하고자 하는 방전 정지 전압에 맞춘 외부 전원을 전지 홀더에 연결하고 VR2를 조정하여 LED가 점등에서 소등으로 되는 부분에 맞춘다.

 

(1) 마무리

외부에 설치한 타임 카운터 H7ET-N1(오므론)로 방전 시작에서 정지까지의 시간을 재도록 했다. 전압 변화는 기록할 수없지만 방전 지속시간을 통해 전지의 용량을 추측할 수 있다. 1A의 방전 전류에서 2시간일 경우 2Ah의 용량이 있었던 셈이다. 또한, 방전 시의 전력은 MOSFET에서 열로 바뀐다. 방열은 필수이다. 발열에 대해 충분히 여유 있는 방열기를 사용하기 바란다.  

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=001&idx=9846