변환기의 종류

변환기: 정의, 기능 및 분류

변환기는 물리적 양을 전기 신호로 변환하는 데 중요한 역할을 하는 전자 장치입니다. 두 가지 기본적인 기능을 수행합니다: 감지와 변환. 먼저, 온도, 압력 또는 변위와 같은 관심 있는 물리적 양을 감지합니다. 그런 다음, 이를 기계 작업이나, 더 일반적으로는 측정, 처리, 분석하기 쉬운 전기 신호로 변환합니다.

변환기는 다양한 유형으로 나누어질 수 있으며, 여러 가지 명확한 기준에 따라 분류할 수 있습니다:

• 사용된 변환 메커니즘에 따른 분류: 이 분류는 변환기가 입력된 물리적 양을 전기 출력으로 변환하는 특정 물리적 또는 화학적 과정에 초점을 맞춥니다. 다른 변환 메커니즘은 서로 다른 종류의 측정과 응용에 맞게 조정되어, 광범위한 물리 현상에 대한 정확하고 신뢰성 있는 감지를 가능하게 합니다.

• 주 변환기와 부 변환기에 따른 분류: 주 변환기는 측정된 물리적 양을 직접 전기 신호로 변환합니다. 반면, 부 변환기는 주 변환기와 함께 작동하여 주 장치에서 생성된 전기 신호를 추가로 수정하거나 처리하여 사용성이나 정확성을 향상시킵니다.

• 수동 변환기와 능동 변환기에 따른 분류: 수동 변환기는 외부 전원을 필요로 하며, 출력 신호는 입력된 물리적 양과 적용된 전력의 함수입니다. 반면, 능동 변환기는 자체 전원을 포함하고 있으며, 외부 전원 공급 없이 출력 신호를 생성할 수 있어, 종종 더 큰 민감도와 신호 강도를 제공합니다.

• 아날로그 변환기와 디지털 변환기에 따른 분류: 아날로그 변환기는 입력된 물리적 양에 따라 연속적으로 변하는 출력 신호를 생성하며, 일반적으로 전압이나 전류 형태로 나타납니다. 디지털 변환기는, 대조적으로, 입력량을 이산적인 디지털 신호로 변환하여, 현대 디지털 전자기기와 컴퓨팅 시스템을 통해 더 쉽게 처리, 저장, 전송할 수 있습니다.

• 변환기와 역 변환기에 따른 분류: 표준 변환기는 물리적 양을 전기 신호로 변환합니다. 역 변환기는, 반대로, 전기 신호를 입력으로 받아 이를 다시 물리적 양으로 변환하여, 전통적인 변환기의 과정을 역으로 수행합니다. 이 개념은 특정 물리적 반응을 생성하기 위해 전기 제어가 필요한 응용 분야에서 유용합니다.

작동 시, 변환기는 측정되는 물리적 양(측정값)을 받고, 그 크기에 비례하는 출력 신호를 생성합니다. 이 출력 신호는 신호 조건화 장치로 전송됩니다. 여기서 신호는 감쇠(신호 진폭 조정), 필터링(불필요한 노이즈나 주파수 제거), 변조(더 나은 전송이나 처리를 위한 신호 인코딩) 등의 일련의 과정을 거칩니다. 이러한 단계는 최종 신호가 후속 분석, 표시, 제어 작업에 적합한 형태로 되도록 보장합니다.

변환기의 입력량은 일반적으로 비전기적인 양이며, 출력 전기 신호는 전류, 전압 또는 주파수 형태로 나타납니다.

1. 변환 원칙에 따른 분류

변환기는 사용하는 변환 매체에 따라 분류할 수 있습니다. 변환 매체는 저항, 유도, 또는 용량일 수 있습니다. 이 분류는 입력 변환기가 입력 신호를 저항, 유도, 또는 용량으로 변환하는 과정에 따라 결정됩니다. 각각의 변환 매체 유형은 고유한 특성을 가지고 있으며, 다양한 물리적 양을 전기 신호로 정확히 변환하는 데 적합합니다.

2. 주 변환기와 부 변환기

• 주 변환기
  변환기는 일반적으로 기계적 요소와 전기적 요소로 구성됩니다. 변환기의 기계적 부분은 물리적 입력량을 기계 신호로 변환하는 역할을 합니다. 이 기계적 구성 요소는 주 변환기라고 불립니다. 주 변환기는 측정하려는 물리적 양, 예를 들어 압력, 온도, 또는 변위와 직접 상호작용하여 이를 기계적 형태로 변환합니다.

• 부 변환기
  부 변환기는 주 변환기에서 생성된 기계 신호를 전기 신호로 변환합니다. 출력 전기 신호의 크기는 입력된 기계 신호의 특성과 직접 관련이 있습니다. 이렇게 함으로써, 부 변환기는 기계적 영역과 전기적 영역 사이의 간극을 메우며, 원래의 물리적 양을 전기적 측정 및 처리 기법을 사용하여 측정하고 분석할 수 있게 합니다.

주 변환기와 부 변환기의 예

아래 도면에 설명된 Bourdon's Tube를 예로 들어보겠습니다. Bourdon's Tube는 주 변환기로서 설계되었습니다. 압력을 감지하고 이를 자유단의 변위로 변환하도록 설계되었습니다. 튜브에 압력이 가해지면, 튜브의 모양이 변형되어 자유단이 움직입니다. 이 변위는 시스템의 다음 단계로의 입력으로 작용합니다.

Bourdon's Tube의 자유단의 움직임은 Linear Variable Displacement Transformer (LVDT)의 코어를 이동시킵니다. 코어가 LVDT 내에서 이동하면, 출력 전압이 발생합니다. 이 발생된 전압은 튜브의 자유단의 변위, 즉 원래의 압력과 직접적으로 비례합니다.

Bourdon's Tube - LVDT 시스템의 경우, 두 개의 독특한 변환 과정이 발생합니다. 먼저, 주 변환기는 Bourdon's Tube가 압력을 변위로 변환할 때 발생합니다. 그런 다음, 부 변환기는 LVDT가 이 변위를 전기 전압 신호로 변환할 때 발생합니다. 이 예는 주 변환기와 부 변환기가 어떻게 협력하여 물리적 양을 정확하게 측정하고 전기 출력으로 변환하여 추가 분석 및 사용할 수 있는지를 명확히 보여줍니다.

Bourdon's Tube는 주 변환기로서, L.V.D.T. (Linear Variable Displacement Transformer)는 부 변환기로서 작동합니다.

3. 수동 변환기와 능동 변환기

변환기는 또한 수동과 능동 유형으로 분류될 수 있으며, 각각 고유한 작동 특성을 가지고 있습니다.

수동 변환기

수동 변환기는 작동을 위해 외부 전원을 필요로 하므로, 외부 전원 변환기라고도 합니다. 용량, 저항, 유도 변환기는 수동 변환기의 전형적인 예입니다. 이러한 변환기는 입력된 물리적 양에 따라 전기적 특성(저항, 용량, 유도)을 변경하여 작동합니다. 그러나 자신이 전기를 생성하지 않으며, 입력된 물리적 양의 변화를 반영하는 측정 가능한 출력 신호를 생성하기 위해 외부 전원을 필요로 합니다.

능동 변환기

반면, 능동 변환기는 작동을 위해 외부 전원을 필요로 하지 않습니다. 이러한 변환기는 자체 발전형으로, 자신의 전압이나 전류 출력을 생성할 수 있습니다. 능동 변환기의 출력 신호는 입력된 물리적 양에서 직접 파생됩니다. 능동 변환기는 속도, 온도, 힘, 빛 강도와 같은 다양한 물리적 현상을 외부 전력 입력 없이 전기 신호로 변환할 수 있습니다. 능동 변환기의 예로는 압전결정, 광전지, 타코제너레이터, 열전쌍 등이 있습니다.

예: 압전결정

능동 변환기의 작동을 설명하기 위해 압전결정을 예로 들어보겠습니다. 압전결정은 일반적으로 두 개의 금속 전극 사이에 끼워져 있으며, 전체 구조물은 기판에 고정됩니다. 이 구조물 위에 질량이 배치됩니다.

압전결정은 독특한 특성을 가지고 있습니다: 힘이 가해지면 전압을 생성합니다. 설명된 설정에서, 기판이 가속되면 질량이 압전결정에 힘을 가합니다. 이 힘은 압전결정에 출력 전압을 유발합니다. 이 출력 전압의 크기는 기판이 경험한 가속도와 직접적으로 비례하며, 효과적으로 기계적 가속도를 전기 신호로 변환합니다. 이 예는 능동 변환기가 물리적 입력을 기반으로 스스로 전기 출력을 생성하는 방법을 명확히 보여주며, 수동 변환기와의 차별성을 강조합니다.

위에서 언급한 변환기는 가속도를 전기 전압으로 변환하도록 설계된 가속도계입니다. 특히, 이 유형의 변환기는 물리적 양을 전기 신호로 변환하는 동안 어떠한 보조 전원도 필요하지 않으며, 신호 생성의 자립성을 보여줍니다.

4. 아날로그 변환기와 디지털 변환기

변환기는 또한 출력 신호의 특성에 따라 분류될 수 있으며, 이는 연속적이거나 이산적일 수 있습니다.

아날로그 변환기

아날로그 변환기는 입력량을 연속적인 함수로 변환합니다. 이는 출력 신호가 입력의 변화에 따라 부드럽고 연속적으로 변함을 의미합니다. 아날로그 변환기의 예로는 변형률 게이지, Linear Variable Displacement Transformers (LVDTs), 열전쌍, 열저항 등이 있습니다. 이러한 장치는 측정된 물리적 양의 비례적이고 연속적인 표현이 필요한 다양한 응용 분야에서 널리 사용되며, 예를 들어 정밀 측정 시스템과 산업 프로세스 제어에서 사용됩니다.

디지털 변환기

반면, 디지털 변환기는 입력량을 디지털 신호, 일반적으로 펄스 형태로 변환합니다. 디지털 신호는 이진 상태, 즉 "높음" 또는 "낮음" 전력 수준으로 정보를 표현합니다. 이 디지털 출력 형식은 노이즈 저항, 디지털 전자기기와 컴퓨팅 시스템과의 쉽게 통합, 그리고 데이터 처리와 저장의 용이성과 같은 여러 가지 이점을 제공합니다. 디지털 변환기는 디지털 기술의 보급에 따라 현대 측정 및 제어 시스템에서 점점 더 많이 채택되고 있습니다.

5. 변환기와 역 변환기

변환기

변환기는 비전기적 양을 전기적 양으로 변환하는 장치로 정의됩니다. 이 변환 과정은 온도, 압력, 변위, 힘과 같은 다양한 물리적 현상을 전기적 측정 및 처리 기법을 사용하여 측정, 모니터링, 제어할 수 있게 합니다. 변환기는 산업 자동화부터 과학 연구, 소비자 전자기기까지 광범위한 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다.

역 변환기

역 변환기는 전통적인 변환기와 반대의 기능을 수행합니다. 전기적 양을 다시 물리적 양으로 변환합니다. 이러한 변환기는 일반적으로 높은 전기 입력과 해당하는 낮은 비전기 출력을 가집니다. 역 변환기는 전기 신호를 물리적 행동이나 반응으로 번역해야 하는 응용 분야에서 사용되며, 특정 유형의 액추에이터와 제어 시스템에서 활용됩니다. 역 변환기의 개념은 전기 제어와 물리적 작동 사이의 루프를 닫아, 더욱 복잡하고 정밀한 기계적 및 물리적 시스템의 제어를 가능하게 합니다.