절연 증폭기란?
절연 증폭기 (영어: isolation amplifier)는 입력과 출력 신호 사이를 전기적으로 절연하면서 신호를 전달할 수 있는 증폭기입니다.
절연 증폭기는 마이컴 제어 보드와 같은 인쇄 기판의 입력 회로나 출력 회로에 내장되어 외부에서 들어오는 신호를 직류로 절연하여 정확한 계측을 가능하게 합니다. 따라서 일반적으로 계측기나 의료기기 등에 사용됩니다.
또한 사용자의 안전을 보장하는 역할도 합니다. 감전 방지, 신호 분기, 높은 접지 전위 대책, 노이즈 대책 등이 특징입니다.
절연 증폭기의 사용 용도
절연 증폭기는 높은 접지 전위로 인한 역주행 전류를 제거하여 전원을 보호합니다. 또한, 노이즈 발생원이 많은 환경에서도 설치할 수 있습니다. 구체적인 사용 용도는 다음과 같습니다.
- 열차 차량
가선 전압, 전류 모니터링, 구동 동력계통 모니터링, 차량 간 제어 신호 인터페이스 등 - 발전 설비
발전부-제어부 간 인터페이스, 직렬로 연결된 각 배터리 셀-태양전지 셀의 단자 전압 감시, 파워 컨디셔너 제어 신호의 전송 용도 등 - FA 관련
각종 센서-제어기기 간 인터페이스, 대형 전원의 제어신호 전송 용도 등 - 기타
의료기기, 반도체 제조장치, 통신기기, 계측기기 등
회로의 요소에 내장하여 장비가 고장 났을 때에도 사용자가 감전되지 않도록 안전 대책으로 작용합니다.
절연 증폭기의 원리
절연 증폭기는 회로가 접지나 전원 공통에 의해 서로 영향을 받지 않도록 회로를 완전히 분리하여 절연하면서 회로 동작을 하는 타입의 증폭기입니다. 주요 신호 전달 방식은 광, 자기, 정전 용량식 등이 있으며, 그 중 자기 방식의 동작은 다음과 같습니다.
절연 증폭기의 입력 신호는 먼저 입력측의 버퍼 앰프1로 들어갑니다. 이 증폭기는 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스의 특성을 가지고 있습니다. 아이솔레이션 앰프의 출력 측에 설치되는 것은 유사한 버퍼 앰프 2입니다.
두 버퍼 증폭기 사이에는 절연 회로가 있지만, 입력 측과 출력 측과는 직류로 완전히 절연되어 있습니다. 절연 회로에는 신호 트랜스포머가 있고, 1차측과 2차측 코일에 각각 스위칭 소자가 연결되어 있으며, 두 개의 스위칭 소자를 동시에 켜고 끄는 것을 반복하여 동기 정류를 할 수 있습니다.
그러면 동기 정류를 통해 1차측에 들어온 신호 전압과 동일한 전압이 2차측에 전달됩니다. 따라서 신호 트랜스포머의 1차측과 2차측이 완전히 절연된 상태에서도 2차측에서 신호를 꺼낼 수 있습니다.
절연 증폭기의 특징
절연 증폭기에는 다음과 같은 특징이 있습니다.
- 출력측에서 입력측으로 전류가 누설되지 않아 감전되지 않아 안전성을 확보할 수 있습니다.
- 입력과 출력 사이에 고전압이 존재해도 동작하기 때문에 고전압부의 신호 증폭이 가능합니다.
- 입력과 출력 사이에 매우 큰 노이즈가 있어도 동작하여 동상 노이즈 제거가 가능합니다.
- 내전압이 높습니다. (수천 볼트의 제품이 많습니다.)
절연 증폭기의 기타 정보
1. 절연 증폭기의 전원
절연 증폭기의 절연 변압기에는 신호 변압기 외에 전원 변압기가 설치되어 있습니다. 전원 변압기의 1차측에는 발진기의 구형파가 더해져 2차측에도 동일한 구형파가 발생합니다.
발진기의 발진 주파수는 아이솔레이션 앰프의 주파수 특성에 맞게 설정되며, 50kHz~100kHz 정도의 구형파 발진기입니다. 전원 변압기의 전압은 1차측, 2차측 모두 각각 스위칭 소자를 구동합니다.
전원 변압기도 1차측과 2차측이 직류적으로 절연되어 있으며, 1차측과 2차측의 버퍼 앰프의 전원도 전원 변압기의 1차측 및 2차측에서 공급됩니다.
2. 절연 증폭기의 포토 커플러
절연 증폭기의 신호 전송이 광식인 경우 포토 커플러를 사용합니다. 이 포토커플러는 입력과 출력을 서로 완전히 분리된 절연회로로 만들거나, 서로 다른 전위의 신호를 감지할 때 등에 사용되는 절연 증폭기 회로에 사용되는 광 IC입니다.