엔코더 : 올바른 출력을 선택하는 방법

Dynapar

설계 엔지니어는 올바른 엔코더를 선정할 때 무수한 변수를 고려해야 한다. 인크리멘탈 대비 앱솔루트 출력, 분해능, 그리고 물리적 폼 팩터(form factor)는 대부분의 엔지니어가 최상위 설계 요소로 인식하고 있는 핵심 변수다. 그러나 출력 칩 및 드라이버의 선택 역시 중요한 요소다. 부적절하게 선택된 엔코더 출력은 의도한 애플리케이션에서 불필요한 성능, 처리량 감소, 생산 효율성 감소의 형태로 나타날 수 있다.
 

다양한 선택

오늘날 시장에서 제공되는 많은 엔코더는 변경할 수 있다. 해상도, 샤프트 크기, 씰 옵션 및 커넥터 변형은 설계 엔지니어가 선택할 문제로써 직면하게 된다. 출력 유형도 중요하다. 여기서는 보다 전형적인 애플리케이션 에서의 일반 출력 유형에 대해 설명한다.
 

애플리케이션 고려 사항

가장 중요한 고려 사항 두 가지는, 적절한 엔코더 출력을 선택할 때의 노이즈와 케이블 길이다. 대부분의 경우 상호 관련성이 있다. 긴 케이블은 본질적으로 더 큰 ‘안테나’가 돼 노이즈를 감지할 때 더욱 민감하다. 이 경우, 작동 시스템에 사용되는 알맞은 케이블 유형이 매우 중요하다.

차폐된 연선 케이블은 필수이며, 낮은 커패시턴스(capacitance)가 더 바람직하다. 양질의 케이블은 푸트 당 낮은 커패시턴스 등급(capacitance-per-foot rating)을 가짐으로써, 엔코더에서 나오는 구형파 펄스가 컨트롤러 끝까지 이동한 후에 톱니 모양이 되지 않도록 보장한다.

또 다른 고려 사항은 전류 드레인(drain)이다. 고전류 라인 드라이버는 배터리 수명이 중요한 배터리 구동 애플리케이션에서 문제가 빨리 발생할 수 있다. 그러나 대부분의 배터리 구동 시스템은 휴대할 수 있도록 설계됐다.

때문에 많은 경우 케이블 길이가 피트가 아닌 인치로 표시되므로, 고전류 라인 드라이버가 불필요할 수 있다.

만약, 사용되는 컨트롤이 선택한 엔코더 출력을 허용하지 않으면 이런 사항들은 중요하지 않다. 모터 드라이브가 차동 라인 리시버(differential line receivers)로 선정되면, 케이블이 단 몇 피트 일지라도 오픈 컬렉터 출력 (open collector output)의 엔코더를 선택하는 것은 의미가 없다.

오픈 컬렉터

인크리멘탈 엔코더의 가장 보편적이고 간단한 출력 유형 중 하나는 오픈 컬렉터 출력이다(그림 1 참조). 출력 트랜지스터의 컬렉터(엔코더 내부)는 플로팅(floating) 상태이므로, 신호를 공급 전압으로 끌어올 때 풀업 저항 (pull-up resistor)을 사용해야 한다.

그러면 출력 펄스를 온-오프 해서 익숙한 구형파를 만들기 위해 활성 출력이 신호를 끌어내린다. 많은 제조업체가 고객에게 자체 풀업 저항을 제공할 것인지 아니면, 내부 엔코더에 포함할 것인지를 선택하게 한다.

큰 장점은 단순성과 내재된 저비용이다. 오픈 컬렉터 출력은 단지 전류를 내리는 장치(부하에서 전류를 싱크)로써, 짧은 케이블 길이에 적합하다. 대개 길이가 30피트 미만이다. 오픈 컬렉터 출력은 전류를 공급하거나 밀어 넣을 수 없으므로, 더 긴 케이블에서의 실행과 높은 노이즈 환경에 적합하지 않다.

결과적으로 오픈 컬렉터 출력은 차동(differential) 또는 보완(complementary) 엔코더 신호(A, A-not, B, B-not)와 함께 사용하기에 부적합하다. 그러나 케이블 길이가 짧고 낮은 노이즈 환경이 애플리케이션의 특성인 경우, 오픈 컬렉터 출력이 경제적인 선택이 될 수 있다.

라인 드라이버

이름에서 알 수 있듯이, 이런 종류의 출력 칩은 전류를 공급받거나 ‘구동’한다. 오픈 컬렉터 출력과 달리, 라인 드라이버 칩은 출력을 높이거나 낮추는 것을 적극적으로 강제한다. 부하에서 싱크(sink) 및 소스 전류 모두를 얻을 수 있다.(그림 2 참조)

가장 큰 장점은 케이블을 통해 더 많은 전류를 흐르게 해서 케이블을 길게 연결할 수 있다는 점이다. 단일 종단 형(single-ended format) 즉, 푸시-풀 출력으로 사용될 수 있지만, 보완 또는 차동 신호와 함께 가장 일반적으로 사용된다. 차동 신호(차폐된 트위스트 페어 케이블이 이용된)의 사용은 더 긴 케이블 혹은 고 소음 환경에서 매우 중요하다.

라인 드라이버 7272

가장 유명한 라인 드라이버 중 하나는 7272다. 이 칩은 여러 경쟁적인 엔코더에 제공된다. 7272는 전류 성능과 사용 가능한 전압 범위 및 칩 비용 사이에서 잘 절충된다. 일반적인 전류 출력 기능은 40-50mA이다. 50-75피트 부근의 케이블을 연결하는 데 적합하다. 또한, 일반적으로 미러 전압(mirrored voltage) 출력을 제공한다. 즉, 엔코더에 어떤 전압이 입력되더라도 동일한 전압이 출력된다(엔코더 전력 요구 사항을 참조해 소량을 뺀것).

7272의 또 다른 주목할 만한 특징은 온도 보호 기능이다. 7272가 한계(고부하, 상위 전압 한도, 고주파수)에서 구동돼 온도가 상승하면 보호 모드로 들어가 ‘출력 중단’ 또는 출력 정지를 시작한다. 냉각되도록 허용되면, 열스위치와 마찬가지로 칩이 재설정돼 다시 작동하기 시작한다. 그러나 너무 많은 리셋은 시간이 지남에 따라 임계값 레벨이나 트립 포인트를 낮춘다. 궁극적으로 엔코더를 신뢰할 수 없게 만든다. 즉, 애플리케이션이 트립 아웃을 계속 발생시키면 다른 라인 드라이버를 선택해야 한다.
 

라인 드라이버 4469

또 다른 두드러진 출력 선택은 4469 라인 드라이버다. 7272와 달리 훨씬 높은 전류 구동 능력을 가지며, 보통 100mA 범위에 있다. 케이블 길이가 더 긴(보통 100-300 피트) 애플리케이션에서 확실한 이점이 있다. 그러나 높은 전류 용량에는 단점이 있다.

4469는 매우 많은 전력만을 발산할 수 있으므로 고전류에서는 전압 범위가 영향을 받게 된다. 일반적인 미러 전압 출력이 15VDC로 제한되지만, 조정된 5V 출력을 선택하면 입력 전압을 24V로 증가시킬 수 있다. 비용 측면 에서 볼 때 4469는 7272와 대등하다. 또한, 4469에는 자동 보호 기능이 없다. 트립 아웃에 대한 걱정 없이 작동할 수 있는 만큼 기대한 수명에 명백한 반대 효과를 줄 수 있다.
 

라인 드라이버 ic-DL

엔코더 출력에서 새로운 선택인 ic-DL 타입은 전 세계적인 전압 범위와 고전류 성능을 모두 커버한다. 5~30VDC의 ‘범용 전압’이 ic-DL칩에 적용될 수 있지만 이것은 가격으로 온전히 반영된다.

칩의 전형적인 구성 요소 비용은 7272 또는 4469의 5배에 달할 수 있다.

ic-DL의 다른 고유 기능은 적응 회로(adaptive circuitry)이다. 이 라인 드라이버는 부하 요구 사항 및 사용되는 케이블 유형에 맞게 출력 임피던스를 조정한다. 이로써 케이블 유형과 길이 및 제어 장치에 관계없이 제어기 에서 깨끗하고 선명한 신호를 얻을 수 있다. 7272와 마찬가지로 ic-DL에도 과열에 대한 보호 기능이 있다.

자료 제공 : Dynapar(www.dynapar.com)