Simcenter Testing Solutions Ground Loops : How to break ground loops

*   Article 소개
 

FE(Frontend _ SCDAS Hardware를 의미)들을 통해 데이터들을 측정 시에, 하기 그림 1과같이 특정 주파수의 잡음(Noise)가 발생한 경우는 없으신가요?
하기 그림 1에서는 동일한 측정 대상체에서 같은 위치에서 측정할 경우, 접지의 방식에 따라 측정 데이터를 비교합니다. 빨간 선은 잘못된 접지(Ground Loops)일 때 측정된 데이터이고, 파란 선은 올바른 접지에서 측정한 결과 데이터입니다.  두 결과를 비교하면, 빨간 그래프는 특정 주파수에서 노이즈가 끼는 것을 볼 수 있습니다.
이와 같이 접지방식에 따라 측정 데이터 값에 잡음(Noise)이 발생할 수 있는데, 이번 Article에서는 해당 노이즈의 원인인 Ground loops에 대한 설명과 올바른 접지 방법을 안내합니다.

<그림 1. 동일한 측정위치에서 접지 방식에 따른 측정 데이터 비교>

접지(Ground, Earth)란 대지와 전자기기(FE) 간의 전위차를 Zero(0)으로 만들어 주는 것을 의미합니다. 
접지를 하는 이유는 기기적 결함 혹은 잘못된 사용으로 발생하는 정전기 혹은 전기를 대지로 흘러 보내기 위함이고, 이때 발생하는 정전기 혹은 전기 같은 경우 인체 혹은 장비를 손상시키기 때문에 접지는 필수입니다. 
접지 방법으로는 대상체나 시험환경에 따라 다르지만, 기본적으로 전용 Adaptor나 Ground Cable을 사용하여 FE와 접지용 전반 혹은 대지를 연결합니다.
 

<그림 2. SCADAS Mobile 전용 어뎁터 사진>

Ground Loop는 연결된 2개 이상의 전자 장치에 각 장치들마다 접지가 되어 있을 경우, 접지되어 있는 곳마다 전위 차이가 발생합니다. 그리고 접지들 간의 전위 차이로 인해 전기의 흐름이 생기는데, 이를 Ground Loop라고 합니다. (그림 3. 참고)

전위차가 생기면 전류가 흐르게 되고, 발생한 전류는 교류 전원(한국의 경우_220V, 60Hz)의 영향으로 60Hz인 주파수 성분을 가지게 되며, 이를 험 잡음(Hum Noise)이라고 합니다.

<그림3. Ground Loops 발생 원인>

그림 3의 경우에 대상체와 FE에는 2개의 접지 경로가 있습니다.
 

*  Ground Loops break하는 방법

Ground Loop를 피하는 것을 대부분 "Ground loop를 깬다(Break)." 로 표현하며, Ground loop를 깨는 방법은 발생 원인인 접지 간의 전위차를 "0"으로 만드는 것입니다. 그 방법으로는 2개의 접지 경로를 각 1개씩 제거하면 전위차가 생기지 않아 Ground Loop를 깰 수 있습니다. 다음으로는 각 접지 경로를 제거한 경우들을 설명드립니다. 
 

 

Isolate된 센서 사용
 
앞서 접지에 대해 설명할 때 Frontend의 접지방식은 시험 방식에 따라 다르다고 설명드렸습니다.
이번 Chapter에서는 Isolation Pad 장착된 센서를 사용하는 것을 전제로, 시험 방식을 2개로 구분하여 접지하는 방법과 Ground Loop를 깨는 방법을 설명드립니다. 

1. 대상체와 Frontend가 서로 떨어져 있는 경우 

 

하기 그림 4를 참고하면, Frontend와 측정 대상체는 서로 떨어져 있고, 둘 사이에는 Isolated된 센서로 연결되어 있습니다. 그리고 Frontend는 Adaptor를 통해 충전과 접지를 동시에 합니다.
 

<그림 4. Isolation Pad를 이용해 대상체와 센서간의 접지경로 제거>

하기 그림 5를 참고하면, Isolation Pad 장착하여 대상체와 센서를 간접적으로 (금속 대 Isolation Pad) 접촉하게 합니다. 여기서 Isolation은 측정 신호는 받아들이되 접지 경로를 제거하는 것을 의미합니다. 이로써, 대상체로부터의 접지 경로를 제거하고, Ground Loop를 깨는(Break) 것을 확인할 수 있습니다.

<그림5. Isolation pad 장착된 가속도계와 미 장착된 가속도계 비교>

 

2. FE가 대상체 내에 있는 경우 

하기 그림6은 Frontend를 대상체인 차량 내에 실어 실차 주행시험을 할 경우에 센서 연결과 접지 그리고 충전 방법을 표현합니다. 대상체가 차량일 경우 기존과 달라지는 부분이 2개입니다. 첫째로 FE에 AC 전원을 인가하기가 매우 어렵고, 두 번째로는 전반 혹은 접지 대상이 대상체입니다. 이를 풀어서 설명드리겠습니다.

우선 차량 내에서는 Frontend에 AC 전원을 공급하기 어렵기에 DC Battery(차량용 배터리)를 통해 DC 전원(그림 6에서 Battery와 Frontend를 잇는 빨강 선과 검정 선)을 공급합니다. 이 경우 접지가 안 되어 있기 때문에 Ground Cable(그림6에서 노란색 선)로 Frontend을 차량의 샤시에 연결하여 접지합니다. 차량의 경우 볼륨이 크고 재질로 금속으로 되어 있기 때문에 전반으로써의 역할을 할 수 있습니다.
다만 센서를 대상체에 부착할 경우 꼭 Isolation Pad를 장착 후 진행해야 합니다.
대상체 자체가 접지 대상이 되면, 센서를 직접 부착할 경우 전위차가 발생 안 할 것으로 보이지만, 실제 접지의 위치에 따라 미세한 전위차가 발생할 수 있습니다. 
 

<그림 6. Frontend_실차주행 시험 시 접지방법>

측정 센서가 많이 필요할 경우에 Isolation Pad를 장착하기에 시간 소요가 클 수 있습니다.
이 경우 시간 절약을 위해, 하기 그림 7과 같이 Frontend에 연결된 Adaptor를 제거하고 Isolation Pad를 미 장착하면, 접지 경로가 1개가 되어 Ground loop가 깨집니다. 다만 이 경우엔 Frontend의 Battery Life time에 따라 시험 가능 시간이 달라질 수 있습니다. 이 경우 전력이 높은 DC Battery를 연결하여 Battery 지속시간을 개선할 수 있습니다. 더 자세한 정보는 하기 링크를 참고하시기 바랍니다.
Link : https://support.sw.siemens.com/knowledge-base/KB000040602_EN_US
 

<그림 7. 어뎁터 혹은 Ground Cable을 제거하여 Main Ground 제거>

 

* Ground Loop troubleshooting 시 참고 사항
 

* 센서 부착 시 주의 필요
 

위에 안내드린 사항을 참고하셔서 Ground를 하셔도, Hum Noise가 발생할 수도 있는데요. 
이 경우에 확인해 할 부분은 센서를 시험 구조물에 부착할 때 사용하는 왁스입니다.
센서를 시험 대상체에 부착할 경우 왁스로 고정을 하는데, 이때 누르기의 세기에 따라 절연 상태가 일정할 수도 있고 아닐 수도 있습니다. 이는 Noise가 나타났다가 안 나타날 수 있음을 의미합니다. (즉, 노이즈가 오락가락할 수 있습니다.)
따라서 너무 강하게 눌러 고정할 경우 절연이 안될 수 있기에, 적절한 누르기로 고정해야 합니다. 이런 부분은 시험 담당자님을 많이 혼란시킬 수 있기에 센서 부착 시 주의가 필요합니다.

* Buzz Noise
 

Hum Noise와 다른 Buzz noise도 있는데, 이는 전기선과 센서 케이블 간의 EMF로 발생하는 노이즈입니다. Buzz Noise 경우 전기선과 센서 케이블을 떨어트리거나 서로 90도로 교차되게 놓을 경우 대게 해결됩니다. 혹여 이런 방법에도 해결되지 않을 경우 하기 링크를 참고하시면 됩니다.
Link : https://support.sw.siemens.com/knowledge-base/KB000050113_KO

 

대부분 어뎁터를 벽 콘센트보단 멀티탭을 통해 선을 연장하여 사용하시는데, 이때 사용하는 멀티탭에 노이즈를 발생할 수 있는 다른 전자기기들을 연결하는 것은 피하시는 것이 좋습니다. 
멀티탭의 각 구마다 있는 황금색 금속 핀들이 접지를 담당하는데, 이를 통해 FE에 노이즈가 낄 수 있습니다. 

위의 모든 경우를 확인하였음에도 문제가 발생할 경우, 시험 환경의 접지 상태를 확인하는 것이 좋습니다. 모든 건물의 단전함에는 전봇대에서 전선이 들어올 경우 3상 4선으로 들어오게 됩니다. 이때 접지 선이 따로 있어 이로써 일반 가정집, 공장 등 건물의 벽 콘센트의 접지를 할 수 있습니다. 어느 곳은 접지봉을 땅에 박에 접지를 하는 경우도 있습니다. 혹여 단자함이 문제가 있거나 접지봉의 문제로 접지가 안될 경우도 있습니다. 이 경우 시설 관리팀에 문의하시는 것이 좋을 듯합니다.

 

이번 Article에선 Ground Loop를 깨는 방법을 안내했습니다.
이를 통해 SCADAS HW를 사용하실 경우 올바른 접지를 통해 안전하고 정확한 데이터를 측정하시길 바랍니다.