서지 발생기는 어떻게 작동할까요? - 블로그

EMC 연구실을 지나가다 보면 키가 크고 상자 모양이며 때로는 작동할 때 안심할 수 있는 윙윙거리는 소리를 내는 서지 발생기를 본 적이 있을 것입니다. 그러나 대부분의 사람들과 같다면 이를 단지 또 다른 산업용 테스트 도구, 즉 명확한 이유 없이 불꽃을 일으키는 도구로 간주했을 수도 있습니다. 12년 동안 항공우주, 통신, 소비자 가전 고객을 위해 이러한 기계를 튜닝해 온 서지 발생기 공급업체로서 저는 막을 내리기 위해 왔습니다. 무작위 전압 스파이크처럼 보이는 것은 실제로 전자 장치가 현실 세계에서 직면하게 될 가장 파괴적인 서지를 모방하고 매번 안전하게 수행하도록 설계된 긴밀하게 구성된 시스템입니다.

먼저 이것이 왜 중요한지부터 시작하겠습니다. 스마트폰에서 서버 랙에 이르기까지 전자 제품은 갑작스럽고 엄청난 양의 전력 급증을 처리하도록 제작되지 않았습니다. 1마일 떨어진 곳에서 번개가 칠 경우 전력선에 10,000볼트의 서지가 발생할 수 있습니다. 결함이 있는 그리드 변압기는 5,000볼트 스파이크를 데이터 센터에 쏟을 수 있습니다. 테스트하지 않으면 이러한 급증으로 인해 출시 중간에 회로가 손상되거나 통신 네트워크가 충돌하거나 리콜 후 리콜이 발생할 수 있습니다. 이것이 서지 발생기가 필요한 곳입니다. 통제된 실험실에서 정확한 서지 프로파일을 재현하므로 엔지니어는 생존 가능한 제품을 만들 수 있습니다.

작동 방식을 단계별로 분석해 보겠습니다. 서지 발생기의 핵심은 언뜻 보기에 크고 스파크가 발생하기 쉬운 장치가 아니라 전원 공급 장치, 커패시터 뱅크, 펄스 성형 네트워크의 세 부분으로 구성된 시스템입니다. 번개를 치기 위한 레시피처럼 각 항목을 살펴보겠습니다. 왜냐하면 그것이 바로 우리가 여기서 굽고 있는 것이기 때문입니다.

1단계: 에너지를 저장하는 전원 공급 장치

첫째, 일하려면 에너지가 필요합니다. 서지 발생기는 표준 120V 또는 240V AC 전원을 사용하지만 의미 있는 서지를 생성하기에는 그 전력이 너무 낮고 너무 느립니다. 전원 공급 장치의 역할은 안정적인 저전압 AC를 고전압 DC 전류로 변환한 다음 해당 전류를 커패시터 세트에 공급하는 것입니다.

여기서 커패시터는 서지 발생기의 배터리입니다. 휴대전화에 충전할 수 있는 것이 아니라 짧은 순간 동안 충전할 수 있도록 설계된 크고 밀도가 높은 배터리입니다. 전원 공급 장치가 전압을 높이면 각 커패시터는 설정된 수준(예: 소형 소비자 모델의 경우 1,000V, 중공업 작업의 경우 10,000V)까지 충전됩니다. 대부분의 발전기에는 병렬로 연결된 커패시터 뱅크가 있어 더 많은 전하를 더 빨리 저장할 수 있습니다. 고객이 항상 맞춤형 커패시터 뱅크를 요구하는 데는 이유가 있습니다. 테스트마다 다른 에너지 수준이 필요하기 때문입니다. 예를 들어, 통신 장치는 긴 케이블 라인을 통해 이동하는 서지를 처리해야 하므로 해당 커패시터는 더 낮고 더 빈번한 펄스에 맞게 교정되어야 하며, 항공우주 부품은 번개로 인한 훨씬 드물고 훨씬 더 강렬한 서지를 견뎌야 합니다.

커패시터가 충전되면 전원 공급 장치가 분리되어 더 이상 전류가 유입되지 않습니다. 이제 급증이 시작될 준비가 되었습니다.

2단계: 서지를 방출하는 스파크 갭(또는 스위치)

다음으로, 저장된 커패시터 에너지를 천천히 하지 않고 한꺼번에 덤프하는 방법이 필요합니다. 이것이 스위치가 들어오는 곳이며 대부분의 표준 서지 발생기의 경우 스파크 갭입니다. 스파크 갭은 작은 공기 틈으로 분리된 두 개의 금속 전극입니다. 간격에 충분한 전압을 가하면 공기가 이온화되어 절연체에서 도체가 되어 본질적으로 임시적이고 즉각적인 스위치인 스파크가 생성됩니다.

이는 수문을 여는 것과 거의 비슷하지만 수문은 마이크로초 안에 열립니다. 스파크 갭이 발생하면 커패시터에 저장된 모든 전하가 급증합니다. 점진적인 방전이나 대기 시간이 없습니다. 테스트 샘플을 직접 겨냥한 엄청난 양의 전기 폭발만 있을 뿐입니다. 일부 최신의 보다 정밀한 발생기는 스파크 갭 대신 솔리드 스테이트 스위치를 사용하므로 엔지니어는 작고 미세 조정된 제어 장치로 펄스 타이밍을 조정할 수 있습니다. 이는 일관되지 않은 서지 프로필을 감당할 수 없는 의료 기기 테스트와 같은 고부담 테스트의 큰 판매 포인트입니다.

하나의 크기가 모든 것에 적합할 수는 없기 때문에 여기에 다양한 발전기가 필요합니다. 통신 테스트를 위해 당사는 전화선을 통해 이동하는 특정 서지 프로파일(통신 엔지니어가 매일 처리하는 실제 서지를 모방하는 저전압, 고전류 펄스)과 일치하도록 보정된 Telecom Surge Generator와 같은 특수 장치를 구축했습니다. 번개 시뮬레이션을 위해 당사의 번개 서지 시뮬레이터는 직접적인 번개 충격의 이중 펄스를 재현합니다. 즉, 빠르고 강렬한 초기 펄스와 충격의 여파를 모방하는 느리고 긴 꼬리가 뒤따릅니다. 데이터 라인을 테스트하는 경우 라인별 설정과 함께 작동하는 도구가 필요하며 당사의 데이터 라인 커플링 네트워크는 민감한 장비를 손상시키지 않고 서지 발생기를 데이터 포트에 안전하게 연결하도록 설계되었습니다. 저전압 및 고전압 테스트가 모두 필요한 고객의 경우 당사의 10kV 서지 발생기 및 다기능 서지 발생기를 사용하면 추가 장비 없이 프로필 간에 전환하여 실험실 시간과 비용을 줄일 수 있습니다.

3단계: 실제처럼 보이게 만드는 펄스 형성 네트워크

이것이 바로잡기 가장 까다로운 부분입니다. 임의의 전기 폭발은 테스트에 쓸모가 없습니다. 모방하려는 실제 이벤트의 정확한 모양, 지속 시간 및 강도와 일치하는 서지가 필요합니다. 펄스 성형 네트워크가 들어오는 곳은 정밀한 회로에 배선된 저항기와 인덕터(노트북 충전기의 AC 전류를 균일하게 하는 동일한 구성 요소)의 혼합입니다.

표준 낙뢰 서지 프로파일을 예로 들어 보겠습니다. 일반적인 직접 번개 서지는 1.2/50마이크로초 펄스로 설명됩니다. 즉, 120만분의 1초 안에 최고 전압으로 상승한 다음 5천만분의 1초 후에 최고 강도가 절반으로 감소한다는 의미입니다. 또 다른 일반적인 프로필은 전력망에서 서지를 전환하는 데 사용되는 8/20마이크로초 펄스입니다. 즉, 상승 속도는 더 빠르고 감쇠 속도는 짧습니다. 펄스 형성 네트워크의 임무는 스파크 갭의 원시적이고 지저분한 급증을 정확한 모양으로 바꾸는 것입니다.

작동 방식은 다음과 같습니다. 저항이 전류를 제한하므로 서지가 시작되기도 전에 테스트 샘플이 폭발하지 않습니다. 인덕터는 타이밍을 제어하여 실제 프로파일과 일치하도록 서지의 상승 및 하강 속도를 늦춥니다. 엔지니어는 이러한 구성 요소의 값을 마지막 옴 또는 마이크로헨리까지 조정하여 이 네트워크를 조정합니다. 아주 작은 계산 착오라도 실제 서지를 실제로 재현하지 못하는 테스트로 이어질 수 있습니다. 펄스 형성 네트워크가 펄스 지속 시간에서 단 10%만 벗어났기 때문에 실험실에서 몇 주를 낭비하는 것을 본 적이 있습니다. 이는 실험실 테스트를 통과한 제품이 현장에서 실패했음을 의미합니다. 그렇기 때문에 여기서는 전력만큼 정밀도가 중요합니다.

모든 사람과 모든 것을 손상시키지 않는 안전 기능

서지 발생기는 수만 볼트를 밀어낼 수 있으므로 안전은 나중에 고려할 것이 아니라 작동 방식에서 타협할 수 없는 부분입니다. 이러한 도구를 실험실에서 안전하게 사용할 수 있게 만드는 숨겨진 시스템에 대해 이야기해 보겠습니다. 첫째, 대부분의 발전기에는 방전 회로가 내장되어 있습니다. 테스트가 완료되면 회로는 커패시터에서 남은 전하를 자동으로 빼내므로 누구도 실수로 충전된 커패시터를 만져 위험한 감전을 당하는 일이 없습니다.

그런 다음 인터록 시스템이 있습니다. 서지가 준비되는 동안 실험실 문을 열면 발전기가 자동으로 축전기의 전력을 차단하므로 발사할 수 없습니다. 일부 고전압 모델에는 절연 테스트 프로브와 원격 제어 장치가 있어 엔지니어가 직접 접촉하지 않고도 방 건너편에서 서지를 발사할 수 있습니다. 민감한 소형 전자 장치를 테스트하는 고객을 위해 모든 장치에 서지 전류 제한 기능도 포함되어 있습니다. 이를 통해 스파크 갭이 예상보다 일찍 발생하더라도 서지가 교정 중에 설정된 수준을 초과하지 않도록 보장합니다. 이는 매우 중요한 기능입니다. 한 고객은 경쟁사의 서지 발생기가 전류를 제한할 수 없어 10,000달러짜리 반도체를 태워버렸다고 말한 적이 있습니다. 이것이 바로 우리가 판매하는 모든 제품에 해당 보호 장치를 내장한 이유입니다.

서지 발생기에 대한 일반적인 오해

많은 사람들은 서지 발생기가 임의의 전기를 만드는 큰 스파크 기계일 뿐이라고 생각합니다. 그것은 진실과는 거리가 멀다. 예를 들어, 일부 사람들은 전압이 높을수록 발전기가 더 좋아진다고 생각하지만 이는 옳지 않습니다. 전력망 장비 테스트를 위한 10,000V 서지는 USB 포트 테스트를 위한 500V 서지와 완전히 다릅니다. 잘못된 것을 사용하면 테스트 샘플이 손상되거나 쓸모없는 데이터가 제공됩니다. 이것이 바로 우리가 생성기의 기능을 테스트 요구 사항에 맞추는 데 중점을 두는 이유입니다.

또 다른 오해: 서지는 번개에서만 발생합니다. 물론 번개가 가장 극적이지만 대부분의 산업 서지는 일상적인 그리드 이벤트(공장 기계 켜기 및 끄기, 전력선 결함, 심지어 이웃의 HVAC 시스템 사이클링)에서 발생합니다. 이것이 바로 펄스 성형 네트워크를 번개뿐만 아니라 수백 가지의 다양한 프로필에 맞게 조정할 수 있는 이유입니다. 예를 들어 당사의 다기능 서지 발생기를 사용하면 통신 회선부터 자동차 전자 장치까지 모든 것에 대한 100개 이상의 서지 프로필 간을 하나의 도구로 전환할 수 있습니다.

Lightning Surge Simulator Multi-function Surge Generator

귀하의 제품에 중요한 이유

이것을 관점에서 생각해 봅시다. 작년에 우리는 새로운 세탁기 회로 기판의 15%가 판매 후 6개월 후에 고장나는 주요 스마트 기기 제조업체와 협력했습니다. 문제는 결함이 있는 그리드 변압기로 인한 서지였으며, 내부 테스트에서는 해당 지역의 정확한 전압 스파이크와 일치하지 않는 일반 서지 프로파일을 사용했습니다. 우리는 로컬 그리드의 서지 프로파일에 맞게 보정된 맞춤형 서지 발생기를 공급했으며, 재테스트 후 고장률이 0.1% 미만으로 떨어졌습니다. 이것이 제대로 작동하는 서지 발생기가 만드는 차이점입니다.

항공우주 고객의 경우 위험은 훨씬 더 높습니다. 위성의 전자 장치는 발사 중 직접적인 낙뢰를 견뎌야 하며 일단 궤도에 진입한 후에는 수리할 수 있는 방법이 없습니다. 당사의 낙뢰 서지 시뮬레이터는 낙뢰 서지에 대한 NASA의 정확한 표준을 충족하도록 보정되었으므로 엔지니어는 모든 회로를 테스트하고 유지되는지 확인할 수 있습니다. 통신 제공업체의 경우 한 시간 동안 셀 타워가 중단되는 단일 급증으로 인해 $100,000의 수익 손실이 발생할 수 있습니다. 따라서 Telecom Surge Generator를 사용한 테스트를 통해 폭풍이 닥쳤을 때 네트워크가 온라인 상태를 유지할 수 있습니다.

귀하에게 적합한 서지 발생기 선택

서지 발생기 시장에 있는 경우 첫 번째 질문은 "몇 볼트입니까?"가 아닙니다. 그것은 "무엇을 테스트하고 있으며 어떤 서지 프로필을 복제해야 합니까?"입니다. 데이터 및 이더넷 라인으로 작업하는 경우 발전기를 안전하게 연결하기 위해 당사의 데이터 라인 커플링 네트워크가 설계된 올바른 커플링 네트워크가 필요합니다. 자동차 또는 항공우주 산업에 종사하는 경우 10kV 서지 발생기와 같이 고전압, 고에너지 펄스를 처리하는 장치가 필요합니다. 여러 제품 라인을 테스트하는 경우 다기능 모델을 사용하면 별도의 도구가 필요하지 않으므로 시간과 비용이 절약됩니다.

우리가 제작하는 모든 발전기는 시설을 떠나기 전에 테스트를 거치며 고객과 긴밀히 협력하여 고객의 정확한 테스트 요구 사항에 맞게 조정합니다. 동일한 실험실은 없으므로 기성 장치를 판매하지 않으며 테스트 대상에 맞게 조정합니다.

서지 발생기는 단순한 산업용 장비가 아닙니다. 이것이 바로 휴대폰, 자동차, 전력망이 안정적으로 작동하는 이유입니다. 현실 세계의 무작위적이고 파괴적인 급증을 제어되고 반복 가능한 테스트로 전환하므로 엔지니어는 우리를 연결하고 안전하게 온라인으로 유지하는 제품을 만들 수 있습니다. 실험실의 테스트 기능을 업그레이드하거나 특정 요구 사항에 맞는 생성기를 찾고 계시다면 저희가 도와드리겠습니다.