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문제 정의
- 본 논문에서는 전계강도 감소 대책과 고주파의 전자파를 줄이기 위한 EMI 노이즈 필터회로를 회로 설계에 반영하였다. 특히 고주파로 구성된 공통모드의 전자파를 줄이기 위하여 사용된 필터에서는 기생소자의 성분값이 미지인 관계로 거듭된 시행착오로 인덕터 L1은 1.
제안 방법
- Mast(model 1051-12) 및 EMI Receiver(model ER-265)를 사용하여 불꽃감지기에서 3m떨어진 위치에 안테나를 설치하고 높이를 1∼4m로 가변하면서 30∼1000MHz의 주파수 대역에서 발생하는 방사전자파 노이즈를 측정하였다.
- 식 (8)에서 전계강도는 주파수 f Hz, 전류경로 길이 l m에 비례하고 폐회로에서의 거리 r m에 반비례한다. 그러므로 공통모드 방사를 줄이기 위해서는 경로 길이를 줄이는 것이 가장 확실한 대책이고, 그 외는 전압 전류에 의한 전자기장의 세기를 최소화하기 위하여 정전압 보호회로, 입출력단의 접지, 페라이트 비드와 노이즈 필터를 적용하였다.
- 먼저 클럭신호 경로에 의해 형성되는 루프영역의 최소화를 위하여 불꽃감지기의 표준 전계강도 방사기준 즉, 주파수 30∼230MHz에서 A등급의 경우 전계강도는 40(dBμV), 주파수 230∼1000MHz에서는 47(dBμV)이므로 본 연구에서는 30∼1000MHz에서 A등급의 전계강도인 40(dBμV) 이하가 되도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 전자파 발생의 주원인인 고주파 신호 경로의 루프영역을 6.3㎠ 이내가 되도록 2개의 PCB 기판을 적층으로 설계하고, 증폭기 차폐와 마이크로프로세서 스위칭 제어회로의 동작전류는 최대 90mA로, 입력 전압 DC 5V로 소전력으로 동작하게 설계하였다. 또한 시간적으로 변화하는 전자기장 공간에서 발생하는 전자파 방사 노이즈의 발생을 최소화 하기위하여 입력전원 보호회로, 전류출력 보호회로 및 정전압회로를 개발한 결과 전자파방사에 대한 EN규격의 한계값과 규격요구 상한값의 62.
- 시험방법은 EN규격(EN 61000-4-3)에 따라 전기장세기 1, 3, 10V/m, 주파수 80∼2000MHz 대역의 반송파 신호는 1kHz 정현파로 80% 진폭 변조하였고, 진폭변조 반송파의 체재시간은 불꽃감지가가 동작하고 응답하는데 필요한 시간 보다 길어야 함으로 요구 최소시간인 0.5초 즉, 1Hz의 위상변조로 하여 실제 상항을 모의하여 시험하였다.
- 식 (3)에서 방사를 줄이기 위해서는 비례요소인 전류 i, 루프 면적 A 및 주파수 f 중에서 회로의 동작특성과 무관한 신호경로에 의해 형성되는 루프영역의 최소화와 다음과 같은 방사 방지대책을 고려하여 PCB보드를 설계하였다.
- 또한 전자기장으로 구성된 공간에서는 자기장이 시간적으로 변하면 그 주변에 전기장이 발생하고, 자기장이 시간적으로 변화하면 전기장이 발생하여 전자파 방사 노이즈를 발생하는 원인이 된다. 이러한 문제점은 입력전원 보호회로와 전류출력 보호회로 및 정전압회로를 개발함으로서 전자파 노이즈의 발생을 최소화 하였으며, 전원 및 신호전달부는 페라이트 비드와 전자파 노이즈 저감 필터 및 시스템 접지로 전자파내성을 제고하도록 하였다.
- 전자파적합성(EMC)은 전기설비의 정상 동작상태에서 다른 설비에 영향을 줄 수 있는 전자파장해(EMI)와 전자파 환경에서 다른 설비로부터 노이즈 관습도 받지 않고 정상적인 동작을 할 수 있는 전자파내성(EMS)을 만족시켜야 한다. 이를 위하여 본 논문에서는 PCB기판 상에서 발생하는 차동모드 방사와 공통모드 방사에 관련된 매개변수를 파악하여 이를 회로 설계에 반영하며, 동시에 전자파 내성에 대한 대책도 계획한다.
- 3㎠이 된다. 이를 위하여 본 논문에서는 불꽃감지기의 회로 기능을 특성별로 구분하고 총 2개의 기판(PCBboard)을 적층으로 구성하였다. 그림 1의 기판별 구성 블록도에서, PCB 1은 입력 및 신호 전달 부, 입출력전원 보호회로, 통신출력(RS-485) 보호회로, 통신출력(RS-485)회로 및 전류출력(4∼20mA signal)회로이다.
- 이를 위하여 본 논문에서는 입력전원 보호회로(그림 4), 통신출력 보호회로(그림 5), 전류출력 보호회로(그림 6)와 정 전압회로(그림 7)를 개발함으로서 전자 유도와 정전유도 전압을 최소화 하였다.
- 2㎛는 태양광이나 인공광의 검출용으로 활용함으로서 비화재보에 대한 오동작율은 개선되었지만 아직도 규정을 초가하는 전자파장해와 취약한 전자파내성으로 오동작하는 경우가 종종 있다[7-8]. 이를 위하여 본 논문에서는 전자파 발생의 주원인인 고주파 신호경로의 루프영역 최소화에 중점을 두고 전자파 방사의 확산을 억제하기 위하여 2개의 PCB 기판을 적층으로 설계하였다. 또한 전자기장으로 구성된 공간에서는 자기장이 시간적으로 변하면 그 주변에 전기장이 발생하고, 자기장이 시간적으로 변화하면 전기장이 발생하여 전자파 방사 노이즈를 발생하는 원인이 된다.
- 입력전원 보호회로는 그림 4와 같이 DC 24V(±20%) 입력전압의 역방향 접속방지와 대지 접지로 전자파 노이즈의 방사를 억제하도록 회로를 구성하였다.
- 전자파내성시험은 정전기방전내성, 방사성 RF 전자기장내성, 급속과도현상내성, 서지내성, 전도성 RF 전자기장내성 시험을 실시하였다.
- 전자파내성을 제고하기 위하여 전원 및 신호전달부에 페라이트 비드와 전자파 노이즈 저감 필터 및 시스템 접지를 적용함으로서 정전기방전내성, 방사성 RF 전자기장내성, 급속과도현상내성, 서지내성, 전도성 RF 전자기장내성 모두가 EN규격을 만족함을 공인 인증기관의 시험을 통하여 확인하였다.
- 서지내성 시험은 수십 ㎲의 펄스폭을 갖는 서지를 인위적으로 발생시켜서 불꽃감지기에 인가하여 오동작여부를 시험하는 것으로 규격 EN 61000-4-5에 따른다. 즉 Lighing Surge Simulator(Model : LSS-6030)에서 발생된 전압 0.5, 1kV를 불꽃감지기 전원단자에 1분 1회씩 5회 인가한 시험에서 표 5와 같이 정상적으로 동작함을 확인하였다.
대상 데이터
- 전자파장해시험은 유럽표준화위원회(CEN)와 유럽 전기기술 표준화위원회(CENELEC)에서 제정한 EN 규격 중 산업, 과학 및 의료용 기기류를 대상으로 하는 EN55011(무선 주파수 장치의 무선장해 특성의 허용치와 측정방법)에 따라 시험인증기관에 의뢰하였다. 시험은 전자파 무반향실에서 Byconilog 안테나(model 3142), Ant.
- 2mH, L2는 110μH로 산정하였다. 커패시터 C 값은 일반적으로 가장 많이 사용하는 2200pF, 3300pF, 4700pF 중에서 300MHz 이상의 대역에서 가장 좋은 특성을 가지는 2200pF를 선정하였다. 신호측 커패시터 Cy3과 Cy4는 불꽃감지기 회로의 내부 동작 임피던스가 미지인 관계로 신호의 전파속도 유지를 위하여 22pF로 선정함으로서 그림 9와 같이 전자파 방출이 전자파 한계기준치(KN 14-1 QP) 보다 약 20dB의 여유가 있음을 알 수 있다.
이론/모형
- 시험방법은 EN규격(EN 61000-4-2)에 따라 불꽃감지기의 접점에는 최고 직류 6kV, 기중에서는 8kV 전압을 1초 간격으로 10회 이상 인가하여 시험한 결과 표 2와 같이 기기가 오동작하지 않고 정상적으로 동작하였다.
성능/효과
- 3㎠ 이내가 되도록 2개의 PCB 기판을 적층으로 설계하고, 증폭기 차폐와 마이크로프로세서 스위칭 제어회로의 동작전류는 최대 90mA로, 입력 전압 DC 5V로 소전력으로 동작하게 설계하였다. 또한 시간적으로 변화하는 전자기장 공간에서 발생하는 전자파 방사 노이즈의 발생을 최소화 하기위하여 입력전원 보호회로, 전류출력 보호회로 및 정전압회로를 개발한 결과 전자파방사에 대한 EN규격의 한계값과 규격요구 상한값의 62.8%와 76.2% 이내로 되었고 목표값에 대한 여유(Margin)의 비율인 여유도도 최소 각각 32.4%와 40.5%로 방사전자파가 획기적으로 감소되었다.
- 15∼100MHz의 전자파 노이즈를 불꽃감지기의 전원선에 인가하여 시험하는 것으로 규격 EN 61000-4-6에 따른다. 즉 Continuous Wave Simulator 80W(Model : CWS500CSI)에서 발생된 전압 10V를 1kHz 사인파로 80%의 진폭변조를 하여 3초 동안 전자파 전도 노이즈를 인가한 시험에서 표 6과 같이 정상적으로 동작함을 확인하였다.
- 급속과도내성 시험은 전원선, 신호선 등에서 반복되는 빠른 스위칭 과도현상을 인위적으로 발생시켜서 불꽃감지기에 인가하여 오동작여부를 시험하는 것으로 규격 EN 61000-4-4에 따른다. 즉 EFT/B Wave Generator (Model : FNS-AX2-A16)에서 발생한 전압 1kV를 불꽃감지기의 직류 전원단자에 144초 동안 인가한 시험에서 표 4와 같이 정상적으로 동작함을 확인하였다.
- 표 1에서 M.V(Measure Value)는 측정값, A.F(Antenna Factor)는 안테나 수신기 보증 값, C.L(Cable Loss)은 케이블 손실 보증값으로 측정결과값(Result = M.V+A.F+C.L)은 EN규격의 한계값(Emission[(dBμV)/m])과 규격요구 상한값(Q.Peak[(dBμV)/m])의 62.8%와 76.2% 이내로 만족되었고 목표값에 대한 여유(Margin)의 비율인 여유도도 최소 각각 32.4%와 40.5%로 방사전자파가 획기적으로 감소되었음을 확인하였다.
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