[Automation System] 05

신호 조절 과정의 개요

신호는 센서나 외부 환경으로부터 받아들이는 입력이기 때문에, 자동화 시스템에서는 이를 효과적으로 처리하고 전달하기 위한 다양한 신호 조절이 필요하다. 주로 다음과 같은 과정이 포함된다:

1. 보호(Protection)
   • 고전압, 고전류에 의해 회로가 손상되지 않도록 보호 회로를 구성한다.
   • 이는 보드, 부품의 파손 방지를 위한 필수 단계이다.
2. 신호 형태 변환(Signal Type Conversion)
   • 저항값, 전류값 등 다양한 센서 출력은 원하는 형태(예: 전압)로 변환되어야 한다.
   • 아날로그 신호 → 디지털 신호 변환도 필요하며, 이는 후속 디지털 제어를 위한 전처리 단계이다.
3. 신호 크기 조절(Amplification)
   • 센서로부터 들어오는 신호는 매우 미세한 경우가 많아, 이를 처리 가능한 수준으로 증폭(Amplify) 한다.
   • 보통은 증폭(증대) 위주이며, Voltage Gain이라는 개념으로 표현된다.
4. 노이즈 제거(Noise Filtering)
   • 신호를 증폭하게 되면 원치 않는 **노이즈(잡음)**도 함께 커질 수 있다.
   • 이를 제거하기 위한 필터링 회로나 신호처리 기술이 필요하다.
5. 비선형 → 선형화(Linearization)
   • 일부 센서나 회로는 비선형 응답 특성을 가지므로, 이를 선형적인 형태로 변환하는 작업이 필요하다.
   • 선형화는 제어 알고리즘이나 연산 처리를 더 쉽게 만들어 준다.
6. 신호 디지털화 여부 판단
   • 상황에 따라 아날로그 처리로도 충분할 수 있으며, 필요 시 디지털 변환을 진행한다.

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신호 처리 관련 주요 부품

1. 연산 증폭기 (Op-Amp)

• 여러 개의 트랜지스터로 구성된 회로로, 입력 전압 차이에 따라 출력을 만들어냄.
• 두 개의 입력 단자가 있으며 이를 통해 덧셈, 뺄셈, 증폭 등 연산이 가능.
• **이상적인 연산 증폭기(ideal Op-Amp)**는 전압 이득(G)이 무한대라 가정한다.
  → 입력 차이가 작아도 매우 큰 출력 전압을 만들어낼 수 있다는 뜻.

*트랜지스터의 역할 : 작은 전류나 전압을 증폭과 전류의 흐름을 키고 끄는 스위칭

2. 증폭기 (Amplifier)

• 입력 대비 출력을 증가시키는 장치.
• 전압 증폭(Voltage Gain)을 주로 나타냄.
• 일반적으로 트랜지스터를 사용하여 구성됨.

3. 트랜지스터 (Transistor)

• 전류나 전압을 이용해 증폭 또는 스위칭 역할을 하는 반도체 소자.
• 대표적으로 NPN 트랜지스터가 있으며, 3개의 반도체 층으로 구성됨:
  • 가운데는 P형 반도체 (Base)
  • 양쪽은 N형 반도체 (Collector, Emitter)
• 스위칭 작동 원리:
  • B(Base)에 전압이 인가되면 공핍층이 줄어들고 저항이 낮아져 전류가 흐르게 된다.
  • B=0이면 전류가 흐르지 않음 → 스위칭 "OFF" 상태.

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핵심 개념 요약

항목설명

보호 회로	고전압/고전류로부터 회로를 보호
신호 변환	저항/전류 → 전압, 아날로그 → 디지털
증폭기	미세한 신호를 큰 신호로 증폭
노이즈 제거	필터링 회로를 통한 신호 정제
선형화	비선형 입력 특성을 선형으로 변환
Op-Amp	연산 및 증폭 기능을 가진 회로
Transistor	증폭기와 스위칭 회로의 핵심 소자