산업용 전원 공급 장치 표시 LED 드라이버-아이씨엔매거진

ADI, 산업용 제어 시스템에서 시각적 피드백 제공을 위한 LED 구동 솔루션

산업용 제어 시스템 이미지 — 산업용 제어 시스템(image. ADI 웹페이지 갈무리)

글_
라인하르트 바그너(Reinhardt Wagner) 수석 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

이 글은 시스템 전원의 존재 또는 부재 여부에 대한 시각적 피드백을 제공하기 위해 LED를 구동하는 간단하고 작은 솔루션을 제시한다. 이 회로는 애초에는 이러한 기능을 목표로 하지 않았던 소형 칩과 저항으로 구성되며, 기존 솔루션에서 여러 가지 부품을 대체할 수 있도록 설계되었다. 이 솔루션은 독립적으로 작동하며 본질적으로 전력 소모가 적고, 배선 오류 시에도 이에 대한 강건성을 가지고 있어 산업용 및 유사한 시스템에 적합하다.

머리말

산업용 제어 시스템은 일반적으로 24V DC를 필드 공급 전압으로 사용한다. 전압원의 존재 여부는 일반적으로 컨트롤러 헤드 유닛, I/O 모듈, 통신 모듈과 같은 장비에 사용되는 LED에 의해 표시된다. LED 전원 조명은 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 및 분산 제어 시스템(DCS) 컨트롤러, 전원 공급 장치, 센서 및 액추에이터와 같은 산업 시스템과 서브 시스템의 설치 및 유지 보수 그리고 가동 중단 시간(downtime)을 최소화하는데 도움이 된다.

전원 공급 LED는 요구되는 작동 범위에 있는 전압과 같이 정의된 조건이 충족될 때 켜져야 한다. 개념적으로는 단순하게 보여도 실제 구현은 그리 간단하지가 않다. 여기에는 히스테리시스(hysteresis) 기능이 내장된 전압 비교기(voltage comparator)가 필요하고, 자체 전원이 필요하며, LED 구동이 안정적으로 이루어져야 한다.

이러한 회로의 일반적인 요구 사항은 다음과 같다:

전력 소모가 적어야 한다
공급 전압이 최소 작동 전압보다 낮을 때는 LED가 꺼져 있어야 한다
빛의 강도는 공급 전압에 따라 달라지지 않아야 한다
회로는 과전압에 대해 내성을 가져야 한다
극성을 반대로 연결함으로써 발생하는 역전압 같은 배선 오류에 대한 강건성이 확보되어야 한다

단순한 회로들은 부품, 온도, 전압 변동에 따라 상당한 차이를 보일 수 있다.

배경

이 LED 드라이버 회로는 원래 의도된 애플리케이션과 다른 기능으로 용도를 변경한 산업용 디지털 입력 칩을 기반으로 설계되었다. 산업용 제어 시스템에서 흔히 볼 수 있는 산업용 입력 신호는 24V 로직을 기반으로 하며, 입력 전류/전압 특성이 정의된 입력 임계전압(input threshold voltage)으로 명확히 지정된다.

싱킹 입력(sinking input: 일명 p형(p-type) 입력)은 가장 일반적인 산업용 입력 유형인 Type 3 입력의 최대 입력 임계 전압 11V에서 풀다운(pulldown) 전류가 2.0mA보다 크도록 지정된다. 전력 손실을 최소화하기 위해, 오늘날의 디지털 입력 회로는 입력 전류를 제한하고, 한계치 2.0mA보다 약간 높은 수준으로 엄격하게 조절한다.

아이디어

2.0mA 전류 수준이 일반적인 LED 구동 전류와 일치하고 산업용 디지털 입력이 명확한 스위칭 임계값을 가지고 있다는 점에 주목하여, MAX22191 단일 채널 디지털 입력과 같은 칩이 전원 공급 모니터링 및 LED 구동에 적합한지에 대한 의문을 제기한다. 이 산업용 입력 장치는 OUT 핀을 통해 옵토아이솔레이터(opto-isolator)를 구동하도록 설계되었다. 그림 1은 제안된 애플리케이션 회로를 보여준다. REXT는 전류 설정 저항이며, OUT 전류를 2.0mA ~ 2.6mA 범위 내에서 조절할 수 있다.

내부 전류 소스는 온도, 입력 전압 및 부품 공차에 대해 ±12.5%의 허용 오차를 가지며, 전력 소모가 작고 공급 전압에 의해 무시해도 될 정도의 LED 광도 변화량을 보장한다. 이 전류 소스는 OUT 출력 전압이 5.5V로 고정되어 있어서 대부분의 최신 LED를 구동할 수 있다. 이 디바이스의 110μA(typ) 공급 전류는 솔루션의 낮은 전력 소모를 보장한다.

그림 2에서는 LED 전류가 평균 9V(typ)에서 급격히 켜지고, 8V(typ)에서 꺼져서 1V의 히스테리시스를 제공한다는 것을 알 수 있다. 최대 켜짐(max-on) 및 최소 꺼짐(min-off) 임계 전압 값들은 MAX22191 데이터 시트에 지정되어 있다. 더 높은 임계 전압이 필요할 경우에는, 그림 3과 같이 IN 입력과 직렬로 RIN 저항을 추가할 수 있다. R_IN 값을 구하는 공식은 R_IN = (임계 전압 증가)/I_IN이다.

그림 2와 같이, LED 전류는 ON 상태에서 입력 전압 변동에 관계없이 일정하게 유지된다. 이는 LED를 구동시키기 위해 단순한 바이폴라/MOS 트랜지스터를 사용하는 것과는 대조적으로, 트랜지스터의 초기 전압으로 인해 현저하게 높은 전류-전압 의존성을 보이는 차이점이 있다.

LED 제어

논리 제어 하에서 LED를 켜거나 꺼야 하는 애플리케이션의 경우에는, 그림 3과 같이 TEST 입력을 편리하게 사용할 수 있다. 이 방법을 사용하면 전원 켜기 지연, 깜빡임(blinking) 또는 기타 상태 피드백과 같은 보조 기능들을 쉽게 구현할 수 있다.

그림 3. 온/오프(On/Off) 제어 및 증가된 임계 전압이 있는 회로

강건성

이 솔루션은 –40°C ~ +125°C의 작동 온도 범위에서 사용하도록 지정되어 있다. IN 공급 전압 범위는 –70V ~ +60V으로 매우 넓으며, 서지 보호 기능과 극성을 반대로 연결하는 배선 오류에 대한 강건성을 제공한다. 역방향 연결이 발생할 경우, 이 회로는 음전압 입력 시 1μA의 낮은 입력 전류를 유지한다.

결론

MAX22191 칩은 LED 전원 공급 상태 표시 애플리케이션을 위한 간단한 솔루션을 제공한다. 이 칩의 SOT23 패키지와 저전력 전류 설정 저항은 소형 솔루션 구현에 적합하다.

저자 소개

라인하르트 바그너(Reinhardt Wagner)는 독일 뮌헨 소재 아나로그디바이스(Analog Devices)의 수석 엔지니어이다. 원래는 맥심 인터그레이티드(Maxim Integrated)에서 근무했으며 현재는 ADI 산업 자동화 그룹에 속해 있다. 그는 21년 동안 IO-Link, 고속 디지털 I/O, Beyond-the-Rails™ 아날로그 스위치, 디지털 아이솔레이션 등 통신 및 입출력 장치 분야의 신제품 칩 개발을 담당해 왔다.

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