아이솔레이터

기술자료 [기초지식]

아이솔레이터 이야기 (1)

티엠솔루션(주) 최시용
2000년 12월 17일
또다시 어려운 시기가 닥쳐와서 많은곳에서 "구조조정"이란 단어를 손쉽게 접할 수 있는 현실을 보면서 자조하기도 하고, 한숨을 쉬어 보기도 합니다. 세상살이가 어렵지만 많은공장에서 아직도 땀흘리는 계장인들을 보면서, 그사이 시간이 나면 쓰려고 했던 아이솔레이터(Isolator)를 정리하여 보려고 합니다. 여기에서 인용한 상당부분의 그림은 Moore Ind.사의 설명자료를 인용하였습니다. 많은계장인들의 질문사항중, 아이솔레이터와, 써지 프로텍터의 차이점을 알고 싶어하셨던분들이 많아 간단히 정의하여 드리면,
1) 아이솔레이터(Isolator)는 입력/출력의 전기적인 신호를 중간에 완충장치를 사용하여 전기적으로 분리시키는데 중점을 두고 있습니다. 따라서 작은량의 써지, 노이즈, 접지문제, 전원문제로 인한 여러 가지 충돌사항을 해결합니다.
2) 써지 프로텍터(Surge Protector)는 장비 주변에 야기되는 임펄스, 노이즈, 써지등으로부터 해당장비를 보호하기 위하여 장비가 견딜 수 없는신호를 접지로 바이패스시켜 등전위를 유지시켜서 전기적 충격으로 인한 장비의 파손을 방지하는데 주력합니다.
따라서 현장의 문제가 신호의 왜곡, 전원충돌, 임피던스문제등일 경우는 아이솔레이터로 접근하셔야 하며, 장비의 회로가 자주소손된다든지, 설사 아이솔레이터나 각종 입력,출력관련 컨버터류를 사용하고 있더래도 자주 소손되는 경우는 써지 프로텍터를 추가로 적용하여야 합니다. 전편의 써지프로텍터에서 설명드렸다시피, 유지보수행위가 어려운장소에 설치되어 있거나, 주변의 외란에 노출이 심하거나, 민감한 장비이거나 (고가격 장비포함) 또는 장비운용상 중요한곳이라면, 써지프로텍터를 추가하시는 것이 순리입니다.
그러나 현실은 베이직디자인에 있는사항도 빼는게 현실이고 그나마 들어있다손 치더라도, 구매시 또다시 저가의 장비로 탈바꿈되어 (꼭 무신 부실공사 얘기 같다구요? - 우리의 현주소입니다) 나중에 현장의 계장인들만 힘들어 지는 것이죠. 디자인시 무식해서(몰라서) 그렇게 했다면 그나마 다행이지만 대부분은 돈과 관련되어 그렇게 되는게 문제인 것입니다. 어떤게 경비절감인지?? 모르는 무식한분들이 그냥 싸기만 하면 사는 것이죠...싼게 비지떡이라.. 자신이 남을 속이니까 남도 다 자기를 속이리라 생각합니다...바가지를 써도 않되지만 비지떡은 더안되죠... 속담에 그런말이 있지 않습니까.. 모르면 좀더 비싼것을 사라, 바가지를 썼을지모르지만 불량품을 사는 것 보다는 낫다 !!! 좀 높은곳에 있는분들이 필요한곳에 필요한만큼 투자를 하면 문제가 없죠..엉뚱한곳에 돈을 뿌리니까...민초들만 괴로운 것이죠..그꼴보기 싫으면 직접 사업해 보세요...그또한 문제가 많으니까..외국으로, 외국으로...나가는 것 아닐까요?? 각설하고,

아이솔레이터 개요

아이솔레이터 (Isolator)의 기능은 다음그림에서 보는 것처럼, 입력과 출력사이에 적절한 완충장치를 삽입하여 입,출력단의 전기적경로를 차단시키는 것 입니다. Isolator Function

여기서 분리를 어떻게 하느냐에 따라 2Port, 3Port 아이솔레이션이라고 합니다. 통상적으로 3점 아이솔레이션을 하며 일부 루프전원을 사용한 경우 2 port아이솔레이션을 합니다.

Isolation 3Port

아이솔레이션 기술

아이솔레이션하는 기술적인방법은 크게 1) 트랜스포머 분리 테크닉 2) Opto-coupler 분리 테크닉의 두가지로 나눌 수가 있습니다.
Isolation Technique

그림에서 보는 것처럼, 두기술의 차이점은 간단명료 합니다. 여기에서 주목할점은 트랜스포머를 사용하는 경우 일반적으로 약 500Vrms정도의 절연상태를 유지한다는것입니다. 따라서 써지로 인한 임펄스인 경우에는 파손되는 경우가 종종 발생한다는 얘기죠...(스위치기어와 관련된 PLC류, 원거리를 커버하는 상,하수처리시설계장기기류 등등)

그럼 아이솔레이터는 어떤 경우에 필요할까요?

아이솔레이션이 필요한 경우는다음과 같은 적용이 필요한경우입니다.
1. 접지 루프 (Ground Loop)가 형성되어있을때
2. 전원충돌 (Power Bucking)을 일으킬 경우
3. 신호를 분배 (Splitter)할 필요가 있을경우
4. 지역을 분리 (Area Isolation)시킬필요가 있을경우
5. 신호를 증폭 (Booster Application)할 필요가 있을경우
6. 신호 변환 (Signal Conditioning)이 필요할 경우 등이며, 이러한 경우를 다음의 3가지로 크게 압축할 수 있습니다. (물론 계장을 대상으로한경우)
1. Ground Loop 가 존재할때
2. 현장장비와 시스템사이 또는 이종장비사이에 전원충돌현상이 있을때
3. 장비류의 Driving 임피던스문제가 있을 때 (여러 계장장비류로 신호를 보내야할 경우등등) 등입니다.그럼 여기서 좀더 깊게 파보기로 합니다.

가. Ground Loop란
다음그림에서 보는 것처럼 단지 하나의 접지가 제대로 되어있다면 접지문제는 좀더 간단해 질텐데요

현실적으로는 그렇게 쉽지 않은 문제지요... 다음 그림처럼 현장의 장비가 접지되어있는 경우가 많고 (예로서 온도센서까지도 접지형을 쓰는 경우도 있으니까요) 이렇게 되면 두 Ground 사이에 전류(표류전류)가 흘러다니게 되어 이것이 신호레벨(엉터리 정보)또는 장비를 살렸다 죽였다 한단 말씀이죠.

isolator-GND loop

무엇이 문제냐구요?
물론 상기그림대로 되었다고 문제가 항상 존재하는 것은 아닙니다. Ground Loop문제아가 탄생하기 위해서는 다음의 세조건이 동시에 존재하여야 하는 것이니까요.
1) 상기 그림과 같이 두 Ground가 존재하여야 하고
2) 두 Ground 사이에 전위차가 존재하여야 하고,
3) 두 Ground 사이에 전기적 통로 (Galvanic Path)가 존재할 경우입니다.
만약이런상황이 되면 두지점사이에는 ?? (중학물상 시간에서 배운) 옴의 법칙 V=IR이 작용하므로, 좀 과장하여 극단적으로 양 V₁과 V₂사이에 1 Volt가 걸리고 양단의 저항이 2,000옴 이라면 여기에 걸리는 전류 I 는 (치매 예방을 위하여 계산해 보세요??) 0.5mA가 걸리니까 (0.5mA가 뭐가 중요하냐구요? 4~20mA계장신호의 Span은 16mA이고 여기서 0.5mA는 3%의 오차입니다.... 뭐하러 DCS, ESD, MIS깝니까?? 그냥 아날로그 패널로 운전하지...) 만약 비가오거나, 기타등등의 이유로 전압이 바뀌거나, 저항치가 바뀐다면 예로 1,000옴 이라면? 읔! 6%죠...이렇게 기후따라 날씨따라 오락가락한다면???, (여기서 온도만을 대상으로 하는 플랜트는 또다른 문제가 있으므로 따로 질문해 주세요... ) Ground Loop가 형성되어 있다고 보시면 됩니다.
그럼 문제를 알았으니까, 해결법도 알겠지요 ??? 간단한 법칙으로 상기 조건중 어느하나라도 효과적으로 제거하여 버리면 됩니다. 편하신 것을 골라서 적용해 보시기 바랍니다. (여러계장인분들이 현장에서 경험하신일들이라 생각하지만 접지가 문제아인 경우는 아이러니칼하게도 DCS 접지를 제거해 버리고 장비를 Floating시켜 버리면 잘되는 경우를 보신적이 많으실 것입니다 - 그래서는 않되겠지만요.. 도올 선생처럼 여러자료와 고증을 통하여 우리는 알 것을 똑바로 알아야 한단말씀입니다 그리고 이를 적절하게 제거하여야 하지요. ) - Ground Loop문제가 있는 플랜트의 전형적인 현상입니다. 자그럼 어떻게 할까요?? 전체를 일점접지를 한다. 정답입니다... 가능한한 일점접지를 하시면 득이 많습니다. 써지문제까지도 대부분해결하지요 ... 하지만 현실적으로 거의 불가능하지요 그렇지 않으면 신호변환기, 써지 프로텍터 맹그는회사는 예전에 구조조정되었겠지요... 따라서 두지점사이의 전위차 제거도 쉽지가 않겠고, 현실적인 전자공학적으로 간단하면서도 최선의 해결방법은 세 번째 의 전기적 통로를 제거해 버리자는 말씀입니다. 이것이 루프 아이솔레이터입니다. 전기적 통로를 제거할 때는 해당 아이솔레이터가 이러한전압을 이길 수 있을만큼 절연내압이 높은 것으로 선택하십시오...그래도 아이솔레이터가 주기적으로 죽는다구요 그럼 전단에 써지 프로텍터를 거십시오.

Loop Isolator

그럼 다음편에서는 "전원충돌 (Power Bucking)"로 인한 주제로 계속 됩니다.

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