누설전류란 무엇인가?

Leakage Current

누설전류는 Protective Ground 금속으로부터,대지면으로 향하여 흐르는 전류입니다.그라운드 결선이 되어있지 않다면 도전체 나 전도경로 형성이 가능한 비전도체 표면으로부터 (인체) 전류흐름이 발생합니다.
이 전류는 항상 불필요한 성분이며 접지단자를 통하여 안전하게 대지로 유입되어야 합니다.

Leakage Current

누설 전류대책의 중요성

전기전자 장비는 일반적으로 절연체의 이상으로 인하여 발생되는 위험한 전기쇼크를 방지하기 위하여 그라운드 시스템을 제공합니다.그라운드 시스템은 대지와 장비를 연결하는 그라운딩 도전체를 포함합니다.만일 전력선과 인체가 접촉되는 도체 (장비의 케이스)간의 절연체에 심각한 문제 (절연파괴 또는 기름 먼지 등에 의한 절연저항 저하현상)가 발생하면 전압은 대지 를 향하여 흐르게 됩니다.그 결과 위험을 방지하기 위하여 전류는 Fuse를 끊어버리거나 Circuit Breaker를 Open시킬 것입니다.분명한 것은 그라운드 접속이 의도적이든 그렇지 않든 간에 연결되지 않으면 쇼크 위험성이 항상 있습니다.쇼크 위험은 누설전류 때문에 클 것입니다.
절연체의 이상이 없으며 대지를 향한 누설전류의 중단된 경우 인체가 접지되지 않은 장비 또는 접지된 장비에 접촉 하였을 때 쇼크 위험이 발생합니다.
이러한 가능성은 충격에 민감한 환자가 있는 의료장비에서 좀더 주의 하여야 합니다.중대한 쇼크는 환자가 약한 상태이거나 무의식적인 상태 또는누설전류가 환자의 접촉에 의하여 인체 장기에 흐르게 될 때 일어납니다.
이중 절연 구조는 접지되지 않은 장비에서 적용됩니다.이 방법은 두개의 절연층이 파괴되지 않아 야합니다.
그렇지만 누설전류는 존재하며 대책을 마련하여야 합니다.

누설전류의 발생요인은 무엇인가?
AC 누설전류와 DC 누설전류 두 종류가 있습니다.

DC누설전류는 최종 장비에서 나옵니다.
AC 누설 전류는 전압 발생원(AC라인)과 장비의 접지 전도체에서
용량성분(커패시턴스)과 DC 저항의 병렬 조합에 의하여 발생합니다.
DC 저항에 의한 누설전류는 다양한 병렬 용량 성분에 의한
AC 임피던스와 비교하여 심각하지 않습니다.
용량성분은 의도적(EMI 필터 캐패시터)이든 아니든 간에 존재합니다.
의도적이 아닌 캐패시턴스 성분은 프린트 배선간의 용량성분,
반도체와 접지된 방열판 간의 캐패시터
그리고 절연 트랜스에서 1차와 2차 코일에 존재하는
캐패시터 성분 등이 있습니다.

누설전류 측정

누설전류의 측정:누설전류는 특수하게 제작된 계측기에 의하여 측정합니다.접지단자를 통하는 전류는 접지와 미터를 연결하여 측정합니다.정보처리 장비는 접지단자를 개방하고 파워라인의 중성단자로 흐르는 전류를 측정합니다.의료장비의 경우는 접지를 향하는 전류를 측정합니다.미터는 Power Supply의 출력과 접지에 연결합니다.중성단자를 연결하고 AC 라인을 교환하면서 파워스위치를 Off하며 측정 시에는 on 합니다.측정 시에는 상온에서 충분히 예열시간을 갖습니다.
최악조건에서의 특별한 경우에는 고온에서 측정합니다.매우 낮은 누설전류를 측정 시에 미터는 저항이나 저항과 캐패시터의 조합으로 대치됩니다.네트워크 양단의 드롭전압을 예민한 AC 전압계로 측정합니다.접지되지 않았거나 이중 절연으로 구성된 장비는 손에 닿는 것이 가능한 도전체와 접지간의 흐르는 누설전류를 측정합니다.케이스가 절연체인 경우 특정한 크기의 구리호일을 케이스에 부착하고 접지로 흐르는 전류를 측정합니다.

안전레벨:비의료장비의 안전레벨은 국제기구에서 제시한 IEC950 안전표준을 따릅니다.의료장비에서의 누설전류 표준안은 많이 다릅니다.정확한 안전조건은 정의하기가 더 어렵습니다.왜냐하면 생명체에서 의미 있는 검사조건을 정하는 것이 어렵기 때문입니다 (이런 종류의 검사 시 지원자를 구하기가 어려움).두개의 표준안이 있으며 미연방 규정 UL544 과 다른 국가의 IEC601-1이 있습니다.
누설 전류의 단위는 Micro Ampere(1uA = 0.001 mA)인 것을 알 수 있습니다.
의료장비용 Power Supply에서의 허용 누설전류 크기는 작아야 하므로 누설전류를 발생하는 캐패시턴스를 획기적으로 줄이는 것이 중요합니다.이러한 제한은 Power Supply와 EMI 필터의 설계를 특별하게 하여야 합니다.예를 들면 전력선과 접지간의 캐패시터 성분은 EMI 필터의 적정성능 능력의 중요한 요소입니다.캐패시터 값을 줄이는 것은 필터의 효율성을 감소시킵니다.

UL 544 표준안

UL544

IEC601-1, UL2601-1 안전규정
누설전류 (1) : 환자가 접지를 포함한 모든 회로에서 절연 되어있는 상태
누설전류 (2) : 환자가 접지에 연결된 상태 ( 인체의 일부가 젖은 땅에 접촉 )

IEC601-1, UL2601-1 안전규정

ELECTRICAL SAFRTY

임피던스란 무엇인가 ?

임피던스 공식

Impedance의 사전적의미는 방해.또는 저지 저항,.이라는 의미의 단어이다.즉, 전기 회로의 저항(resistance)라는 개념과 매우 유사하며 실제로도 그러하다.그래서인지 임피던스를 단순히 저항의 개념으로 착각하는 사람들이 많다.그리고 원래 저항소자 (resistor)가 전력소모(dissipation)의 개념보다 함께 부하(load)의 개념이 더 널리 사용되 듯이,임피던스 역시 부하와 관련된 개념으로 더욱 활용된다.한가지 중요한 차이점은,임피던스는 철저히 주파수를 가진 AC 회로에서 응용되는 개념이라는 점이다.즉 임피던스는 주파수와 무관한 저항 R에,주파수 개념이 포함된 저항소자인 L과 C에 대한 개념이 포함된 보다 큰 AC 개념의 저항이다.

임피던스의 정의는 바로 전압과 전류의 비라고 할 수 있다.
IMPEDANCE의 역활 :크게 보면 저항과 마찬가지로 소모와 저장, 부하의 3가지 역할로 나눌 수 있다.도선을 따라 전류가 흐를 때,주파수와 구조에 따라 자기장으로 에너지가 축적되는 인덕턴스(L)나 전기장으로 에너지가 축적되는 캐패시턴스(C)로 에너지가 축적되면 외부에서 보기에 에너지가 사라져서 마치 소모된 것처럼 보인다.물론 실제 소모되는 경우도 있지만,대체로 축적후에 교류상황에 맞게 에너지가 재활용되게 된다.바로 이렇게 교류저항성 소자들로 인해 주파수에 따라 임피던스가 다르고,이러한 것을 이용하여 부하(load)를 걸 수 있다.소모나 축적이라는 기능은 단어만으로도 어느정도 이해가 가능한 부분이지만,부하라는 부분은 좀더 설명이 필요하다.예를 들어서 하나의 큰강이 흐르다가 계곡을 만나 똑 같은 크기의 두 줄기로 나뉘어서 흐를 수 밖에 없는 강물이 있는데 ,어느 한쪽의 강폭을 20% 넓혀준다면 강물은 자연스럽게 20% 넓혀진 부분으로 더 많은 강물이 흘러 갈 것이다 강물의 한줄기가 두줄기로 나눠지는 것은 부하의 원리이며
강폭은 바로 임피던스라고 할 수 있다.

전자회로 설계를 잘 들여다보면, 결국 여러 부위에 원하는 전압이나 전류를 분산하여 인가함으로써
특정한 목적을 가진 회로로서 동작하게 만드는 것이다.그러려면 특정 부위,특정 지점에 일정한 전압 또는 전류가 흐르도록 제어해야하게 되는데,대부분 전압이나 전류중 한 가지는 고정되있기 때문에 임피던스를 조절하면 나머지 한가지 요소를 조절할 수 있게 된다.
임피던스란 한마디로 “신호에 대한 저항치”를 말한다.전기기기 회로에는 콘덴서나 트랜지스터, 저항, 다이오드 등이 있다.신호는 교류이기 때문에 이러한 부품에 신호를 흘려 보내면 저항이 생기는데,이 각각의 저항을 합친 것,즉 신호가 회로나 소자등을 통과 할 때 받는 모든 저항의 합성치이다.예를 들어 설명하도록 하자. 본론으로 들어가 이것저것 말하기 전에 반드시 확인하여 놓고 싶은 것은 음향기기가 서로 신호를 주고 받는 경우 그 신호의 실체는 전압도 전류도 아닌 전력이라는 것이다.전기 계통을 하는 분은 알고 계시듯이
“전력=전압×전류”의 공식이 성립되는데 예를 들어 10W의 전력을 보낼 때에
전압이 1V에서 전류를 10A(암페어)로 하였다고 하자.여기서 옴Ω의 법칙을 상기해주기 바란다.
1V 때에 10A 흐르는 경우 저항치는 0.1Ω이 된다(저항치= 전압/전류).이 저항치를 바로 임피던스라고 하는 것이다.그리고 같은 10W의 전력을 보내었을 때 이번에는 10V· 1A의 형으로 보내었다고 하면,저항치는 10Ω이 될것이다. 앞에서 1V·10A의 형으로 보내었을 때에 1Ω이니까 그것에 비교하면 100배의 저항치 즉, 100배의 임피던스가 되는 것이다.이처럼 같은 신호를 보내는 경우도 높은 임피던스 형(10Ω)으로 보낼 것인지,
아니면 낮은 임피던스의 형(0.1Ω)으로 보낼 것인지 어느 쪽이든 선택이 필요하게 된다.그런데 라우드스피커(Loudspeaker)를 제외한 모든 음향기기가신호로서 필요로 하고 있는 것은 전압이다.
이 전압에 의해서 음향기기는 여러가지 기능을 컨트롤하고 있는 것이다.임피던스는 기호 Z로 표시하며 AC(교류회로)에서 설명하는 전자요소, 회로, 시스템에 상대되는 표현이다.임피던스는 두 개의 독립적인 스칼라 현상으로 구성된다.그 각각은 저항과 리액턴스이다.이 두 가지 양의 표현단위는 오옴(Ω)이다.

저항은 기호 R로 표현하며 원자 속에서 전자의 운동에 반대되는 물질의 크기를 측정하는 개념이다.원자가 전자를 쉽게 받아들이거나 방출하려면,낮은 저항 값을 가져야한다. 저항은 항상 양의 실수 값이다.저항은 직류·교류회로에서 같은 값을 유지한다.낮은 저항체의 예로서는 구리, 은, 금 등을 포함한전기도체로 잘 알려져있다.높은 저항체의 물질을 절연체라고 부른다.절연체는 폴리에틸렌 운모, 유리와 같은 물질이다.저항의 중간레벨을 차지하는 물질을 반도체로 분류한다.예로서 실리콘, 게르마늄, 아세나이드 등이 있다.리액턴스는 기호 X로 표시한다.전류의 흐름을 방해하는 성분으로 저항과 유사한 개념이다.교류회로 사이클에서 전압과 전류가 변화되는 것처럼 리액턴스는 전자소자, 회로시스템에서 에너지를 방출하거나 저장하거나하는 크기의 측정단위이다.리액턴스라는 것은 교류회로에서 존재하나 직류회로에서는 존재하지 않는다.교류회로에서 리액턴스 소자를 통과할 때전자유도 형태로 에너지가 저장되거나 방출될 수 있다.에너지가 저장되는 경우에는 양의 혹은 유도성의 경우이며,에너지가 방출되는 경우는 리액턴스가 음의 혹은 용량성의 경우이다.

일반적인 교류회로에서 저항 R과 리액턴스 X는 복합임피던스 형태의 벡터구조로 표시한다.리액턴스는 전통적으로 양의 이중근 -1을 곱한다.j 연산자를 사용하며, 임피턴스 Z를 복소수 형태로 R+jX로 표현한다. 인덕터의 값이 커지면 유도성 리액턴스가 커진다.주파수는 일정하다고 가정했을 경우이다.인덕턴스 값이 주어진 값에 대해 주파수가 증가함에 따라 유도성 리액턴스의 값도 증가한다.

만약 L을 인덕턴스 단위【H】라하고,f를 주파수 단위【㎐】라고 하면,유도 리액턴스 XL 이라는 것은 다음공식으로 계산된다.

XL = +6.2832 f·L 여기서 6.2832는 π의 2배에 상당하는 근사치이다.AC사이클에서 라디안 값을 대표하는 상수이다.위 공식은 마이크로헨리에 대해서도 메가헤르쯔에 상당하는 주파수에도 적용된다.실제의 예에서는 10.000마이크로헨리를 가진 인덕턴스 코일에 주파수는 2.000㎒인 경우를 고려한다.위 공식을 적용하면 XL 은 +125.66 오옴이다.만약 주파수가 2배(4.00㎒)로 증가하면 XL 은 2배로 되어 +251.33【Ω】이 된다.만약 주파수가 반감하여 1.000㎒로 되면 XL 은 반감되 +62.832【Ω】이 된다.캐패시터의 값이 증가하면 주파수가 고정상수로 가정할 때 용량성 리액턴스는 작아진다.주어진 캐패시턴스 값에 대해 주파수가 증가하면 용량 리액턴스는 0에 근접하도록 음으로 감소한다.만약 C를 단위 패럿(F)을 가진 캐패시턴스라하고 f를 단위 ㎐인 주파수라 할 때 용량 리액턴스 XC는 다음과 같다.XC = -1/(6.2832f·C) 위 공식은 또한 캐패시턴스가 마이크로 패럿(㎌)과 주파수가 메가헤르쯔(㎒)인 영역에서도 적용된다.실제의 예에서 캐패시터가 0.0010000 ㎌이고 주파수가 2.000㎒인 경우를 고려한다.위 공식에 의하면 XC 값은 -79.577【Ω】이다.만약 주파수가 2배로 증가하여 4.0000㎒로 되면 XC는 반감되어 -39.789【Ω】으로 된다.만약 주파수가 반감되어 1.0000㎒로 되면 XC는 2배로 증가하여-159.15【Ω】이 된다.직렬회로에서 저항과 리액턴스가 있으면 각각 독립적으로 더해진다. 저항 100.00【Ω】과 직렬로 10.000μH의 임피던스가 연결되어 있을 때 주파수는 4.000㎒이면 복소임피던스는 ZRL = R + jXL = 100.00 + j251.33 이 된다. 만약 0.0010000㎌의 캐패시터가 인덕터 대신에 있는 직렬회로에 주파수를 4.0000㎒일 때 합성 임피던스는 ZRC= R + jXC= 100 - j39.789이다. 만약 이 모든 3가지 소자가 직렬로 연결된 회로이면 리액턴스는 더해지고 합성 임피던스는 ZRLC= 100 + j251.33 - j39.789 = 100 + j211.5이 된다. 이 회로는 211.5 오옴을가진 인덕터와 100 오옴의 저항에 직렬로 등가되는 회로와 같다.4㎒에서 이 리액턴스는 8.415μH로 대표된다.공식에 의해서 캐패시터와 인덕터의 임피던스가 내부 계산된다.병렬 RLC 회로는 직렬 RLC회로에 비해서 더 복잡하다.병렬회로에서 용량성·유도성 리액턴스의 영향을 계산하기 위해서는각각의 값은 유도성 서셉턴스, 용량성 서셉턴스로 변환시켜야 한다.서셉턴스는 리액턴스의 역수이다.서셉턴스는 저항의 역수인 콘덕턴스와 연결된다. 복소임피던스의 역수인 복소어드미턴스로 변환된다.