Half - bridge 구성에서의 Dynamic disturbance
Double-SENSE 구성은 Half-bridge 구성에서 치명적인 불량 접점이나 supply line의 동적인 간섭 현상과 커플링 현상으로 인한 "좋지 않은" 환경에서 사용할 수 있습니다. 하프-브리지 구성에서만 이러한 문제가 발생하는 이유는 무엇일까요?
Half-Bridge 구성에서 단순히 Single-SENSE를 사용하는 경우, 대칭적으로 내부 Half-Bridge 구성은 항상 internal +/- VB 노드에 연결됩니다. 이렇게 연결되면 불균형적이고 Dynamic한 에러는 Wheatstone bridge에서 외부(active) 회로에만 영향을 미치고 내부의 나머지 Half-bridge에는 영향을 주지 않습니다. 이것은 여전히 매우 작은 Gain error를 유발하지만 그래도 "느껴질만한" offset error 또는 signal jump(spike)를 유발할 수 있습니다.
이러한 현상은 본질적으로는 동적이기(Dynamic) 때문에 산술 보상(다소 느린)으로는 억제할 수 없습니다.
Double-SENSE를 사용하면 대칭 +/- SENSE 신호 피드백이 가능하고 내부적인 HB(Half-bridge) completion 구성이 되어 동적인(아날로그) 공통 오차를 크게 줄일 수 있습니다. 다만 배선과 입력 회로의 대칭이 깨지면 잔여 오차는 남습니다.
Quarter Bridge 구성
쿼터 브리지 측정을 위해서는 wheatstone bridge에서의 수동적인 half-bridge와 옆에 있는 하위 quarter-bridge가 모두 증폭기(Amplifier)에서 구성됩니다. 실제(active) 요소이자 저항이자 센서인 strain gauge는 2wire 또는 3wire(single SENSE)으로 연결됩니다.
아래와 같이 2 wire로 연결된 quarter bridge 구성의 경우, 이전에 배운 offset error 및 drift 문제가 있기 때문에 실제 계측에서는 가급적이면 사용되지 않습니다.
2 Wire
아래 그림에서와 같이 센서 케이블 양단의 저항은 wheatstone bridge 상단 부분과 연관이 있습니다.
이전 글에서와 같이 실제적인 예를 들어 보면,
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케이블 저항 ( 2 * 10m, 130 mΩ/m = 2.6Ω )
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Gain error : 2.6 Ω /120 Ω = 2%, 수긍할만하지만
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Offset error : 1/4 * Rk/Rb = 1/4 * 2% = 1/4 * 20mV/V = 5 mV/V, 눈에 띄는 오차가 생기고
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Offset drift : with Cu-Drift 4000 ppm / °C * 5 mV/V = 20 µV/V / °C, 로 오차는 눈덩이처럼 불어납니다.
이 정도면 거의 Thermocouple 수준의 변화량입니다. 50°C의 변화량이면 거의 1mV/V 를 넘는 값입니다.
이와 대조적으로 Quarter bridge의 3선식 결선은 길이와 굵기가 같은 두 리드선 저항을 브리지의 인접한 암에 나눠 넣습니다. 두 리드선이 같은 온도를 겪고 저항도 같다면 공통 변화가 브리지 비에서 상쇄되어 offset error와 thermal drift를 크게 줄일 수 있습니다.
3 Wire
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동일한 재질·길이·굵기의 리드선을 상부와 하부 암에 대칭 배치
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Offset과 thermal drift: 두 리드 저항이 같다는 조건에서 상쇄
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Gain error: 예제의 10 m 케이블과 120 Ω 게이지에서는 약 2%가 남음
3선식이 offset을 줄여도 excitation 경로의 전압 강하로 인한 gain error까지 자동으로 사라지는 것은 아닙니다. 계측기가 실제 excitation을 별도로 감지하지 않는 구성이라면 Shunt calibration이나 알려진 하중을 이용한 전체 체인 교정으로 잔여 scale error를 확인할 수 있습니다.
Gain error 보상을 위한 3 Wire 계측
일부 계측기는 별도의 고입력 임피던스 SENSE 증폭기와 ADC로 센서 쪽 전위를 읽어 케이블 전압 강하를 추정합니다. 한쪽 전압 강하만 읽는 회로는 양쪽 전원 도선의 저항이 같다는 가정 아래 그 값을 두 배로 사용하고, +SENSE와 -SENSE를 모두 읽는 회로는 센서에 실제로 걸린 excitation을 직접 계산할 수 있습니다.
SENSE 보상은 케이블 손실에 강하지만 Shunt calibration을 완전히 대체하지는 않습니다. Shunt 신호는 브리지 완성 저항, 결선, 증폭기, ADC와 scaling 설정까지 측정 체인이 예상대로 응답하는지 확인하는 데 여전히 유용합니다. SENSE는 오차 원인 하나를 줄이는 기능이고, Shunt calibration은 알려진 전기적 변화를 넣어 전체 체인의 응답을 확인하는 절차입니다.