과전압으로부터 오실로스코프를 보호하기 위한 가이드

엔지니어링 실험실이나 테스트 부서를 거닐다보면 입력 연결에, 'NG', '간헐적' 또는 '고장'과 같은 설명문이 담긴 작은 스트링 태그가 달려 있는 기기를 볼 수 있습니다. 이러한 고스트 개체는 가장 널리 사용되는 전자 측정 장비 중 하나인 오실로스코프일 가능성이 높습니다. 이는 흔한 일일 뿐 아니라 일반적으로 기가헤르츠(GHz) 대역폭당 약 10,000달러 ~ 12,000달러의 비용이 듭니다. 기기 비용을 감안할 때 엔지니어와 기술자는 이러한 기기의 입력을 보호하고 작은 스트링 태그를 피하는 최선의 방법을 알고 있어야 합니다.

통상적인 1GHz 오실로스코프를 생각해 보겠습니다. 이는 50옴(Ω) 및 1메가옴(MΩ) 입력을 모두 갖습니다. 50Ω 입력은 1mV/div(구획당 밀리볼트) ~ 1V/div(구획당 볼트)의 전압 민감도를 가집니다. 1MΩ 입력 민감도는 1mV/div ~ 10V/div입니다.

50Ω 입력 보호

50Ω 입력은 5Vrms의 최대 전압 입력을 가지며 이는 내부 종단의 전력 정격으로 설정됩니다. 50Ω 저항기에 5Vrms가 인가되면 0.5와트의 전력이 손실됩니다(전류(I) = V/R = 5V/50Ω = 0.1암페어(A), 전력 = V × I = 5 × 0.1 = 0.5와트).

5V보다 높은 전압을 측정해야 할 경우에는 어떻게 해야 할까요? 간단히 Crystek Corporation CATTEN-03R0-BNC와 같은 인라인 감쇠기를 사용하면 됩니다(그림 1).

그림 1: 인라인 감쇠기는 오실로스코프 및 스펙트럼 분석기 50Ω 입력의 전력 처리 성능을 증가시킵니다. (이미지 출처: Crystek Corporation)

감쇠기는 왜곡 현상 없이 신호의 전력 수준을 낮춥니다. 동축 인라인 버전은 고정 감쇠를 제공하며 다양한 플러그 및 잭 구성을 가진 여러 커넥터 유형으로 제공됩니다.

CATTEN-03R0-BNC는 0 ~ 1GHz의 대역폭과 2와트의 전력 정격을 가진 3데시벨(dB), 50Ω, BNC 감쇠기입니다. 이 감쇠기는 Crystek의 1dB ~ 20dB 범위 감쇠기 제품 라인에서 제공되는 모델 중 하나입니다. 감쇠기에 대한 최대 입력 전압이 전력 정격으로 제한되므로 3dB 감쇠기를 사용하면 오실로스코프의 최대 입력 전압이 7볼트까지 증가됩니다.

1GHz보다 큰 대역폭을 가진 오실로스코프의 경우, 0 ~ 40GHz의 대역폭을 가진 Amphenol SV Microwave의 SF0915-6200-03, 3dB, 50Ω 감쇠기와 같은 2.92mm 인라인 감쇠기를 사용할 수 있습니다.

오실로스코프 보정은 대부분의 오실로스코프에 있는 입력 스케일링 기능을 사용하여 유지할 수 있습니다. 3dB 감쇠기의 경우 입력은 0.707의 곱셈 계수로 스케일링됩니다. 이러한 감쇠기의 정확도는 일반적으로 1dB 이상입니다.

1MΩ 입력 보호

1MΩ 입력은 10킬로헤르츠(kHz) 이하의 입력 주파수에 대해 통상 400볼트(DC + 피크 AC)의 최대 전압 정격을 가집니다. 이 경우 훨씬 더 견고한 사양이지만 낙뢰 또는 기타 EMI(전자기 간섭) 현상으로 발생하는 높은 진폭의 과도 전압으로 인해 여전히 손상될 수 있습니다.

1MΩ 입력은 스파크 갭, 가스 방전 튜브 또는 전기 서지가 손상을 일으키기 전에 접지로 방전하기 위해 분해하는 다이오드 등의 서지 보호기를 사용하여 보호할 수 있습니다.

Amphenol Times Microwave Systems LP-GTR-NFF는 교체 가능한 가스 방전 튜브를 사용하는 N형 커넥터 인라인 서지 보호기입니다. 이 튜브는 ±90볼트 이상의 DC 전압/20A에서 절연 파괴되며 최대 50와트의 서지를 처리할 수 있습니다. 튜브는 인라인으로 삽입되며 DC ~ 3GHz의 대역폭을 가지고 삽입 손실은 0.1dB(최대 1GHz)입니다(0.2dB(최대 3GHz))(그림 2).

그림 2: LP-GTR-NFF 서지 보호기는 교체 가능한 가스 방전 튜브를 사용하여 최대 50와트의 과도 상태에서 동축 라인을 보호합니다. (이미지 출처: Amphenol Times Microwave Systems)

서지 보호기는 일반적으로 기기 입력과 직렬로 배치되고 대개 대규모 과도 전압이 발생할 수 있는 긴 데이터 통신 및 전력선에 연결되는 기기에 필요합니다.

DC 바이어스 전압 제거

DC 전력 버스의 리플 측정과 같은 일부 측정 응용 제품은 더 민감한 수직 스케일을 사용할 수 있도록 DC 바이어스를 제거하는 DC 블록이 필요합니다. DC 블록은 고주파 신호의 흐름을 허용하도록 직렬 커패시터를 사용하는 동축 어댑터입니다.

DC 블록은 대개 50Ω 또는 75Ω인 특정 특성 임피던스에 대해 설계되었습니다. Crystek Corporation CBLK-300-3은 최대 16V의 DC 레벨을 차단하면서 300kHz ~ 3GHz의 주파수로 신호를 전달하는 50Ω, 내부 컨덕터 DC 블록입니다. 이 장치는 작동 주파수 범위에 걸쳐 낮은 삽입 손실과 반사 손실을 제공합니다.

그림 3: Crystek CBLK-300-3은 최대 16볼트의 DC를 차단하며 300kHz ~ 3GHz의 주파수로 신호를 전달합니다. (이미지 출처: Crystek Corporation, 작성자가 수정함)

결론

오실로스코프는 설계자에게 최고의 친구이며 조금만 신경을 쓴다면 버려지지 않을 것입니다. 위에서 언급한 도구를 사용하면 기기의 입력에서 발생하는 최대 전압을 줄여 이러한 일이 발생하지 않도록 하므로, 그 작은 스트링 태그를 기기 상에 사용하는 대신 서랍에 보관할 수 있습니다.