수위 누수 감지 회로: 작동 원리와 필수성

수위 누수 감지 회로 회로도

아래는 이 회로의 회로도 표현입니다. 회로도는 다를 수 있지만 기본적인 표현은 다음과 같습니다.

그림 1: 수위 누수 감지 회로 회로도

참고: 위 회로는 LM339 비교기를 사용하여 감지 프로브 전압과 기준 전압 V_REF를 비교합니다. 수영장이나 연못의 수위 변화를 확인하기 위한 회로라고 가정합니다.

따라서 실제로는 아래 그림과 같이 감지 프로브와 접지 프로브가 필요합니다.

그림 2: 수위 누수 감지 설정 예시

이 경우 프로브는 브레드보드 점퍼 와이어입니다.

수위 누수 감지 회로 부품

위 회로도에서 여러 전자 부품을 확인할 수 있습니다. 포함된 부품은 다음과 같습니다:

• R1~R5: 옴 저항
• Q1: 2N3904 트랜지스터
• C1: 0.1 uF 커패시터
• 다이오드 D1 / 녹색 LED
• T1: BC557 PNP 트랜지스터
• U1: LM339 비교기 IC

회로는 어떻게 작동하는가?

그림 3: 회로를 작업 중인 기술자

앞서 언급하고 그림에서 설명했듯이 LM339 비교기가 매우 중요합니다. 또한 전압 프로브인 감지 프로브도 주목할 만합니다.

이 프로브의 전압은 물과 접촉하는지 여부에 따라 달라집니다.

개방 회로 상태에서 감지 프로브가 물과 접촉하지 않으면, 회로도에 표시된 대로 감지 프로브의 전압은 5V가 됩니다.

이때 비교기의 입력 임피던스는 매우 높습니다. 결과적으로 R3을 통해 미세한 전류가 흐르고, 이 저항 양단의 전압은 0V가 됩니다. 따라서 비교기의 반전 입력 전압과 감지 프로브 전압 모두 5V가 됩니다.

전압 분배기

감지 프로브를 물에 접촉시키면 접지와 감지 프로브 사이에 저항이 생깁니다. 이 저항은 감지 전압과 접지 전압 사이에 전압 분배기를 형성합니다.

이 저항을 WATER_R이라고 부르겠습니다.

프로브가 물에 닿을 때 물 저항이 어떻게 발생하는지 보여주는 그림입니다.

그림 4: 물 저항 예시

센서 프로브 전압 V_PROBE 회로 방정식:

R_WATER이 1 MΩ 미만일 때 V_PROBE 전압은 2.5V 미만이 됩니다. 정수된 물이 아니므로 물의 저항이 1 MΩ 미만이라고 가정합니다.

순수한 물의 비저항은 불순물이 있는 물보다 높습니다.

따라서 감지 프로브의 전압 레벨을 확인하여 물과 접촉 여부를 판단할 수 있습니다. 2.5V 이상이면 물과 접촉하지 않은 상태이고, 2.5V 임계값 미만이면 물과 접촉한 상태일 가능성이 높습니다.

이 전압 비교는 비교기가 있기에 가능합니다. 기준 전압은 두 개의 100 KΩ 저항(R1, R2)에 의해 생성됩니다.

이들은 어떻게 이 과정을 돕나요? 비교기의 높은 임피던스 비반전 입력으로 미세한 전류가 흐릅니다. 따라서 두 저항은 2.5V의 기준 전압을 생성하는 전압 분배기를 만듭니다.

그림 5: 정기 점검 중인 수영장 전문가

비교기

LM339에는 네 개의 비교기가 있습니다. 이 회로에서는 하나만 사용합니다. LM339 비교기의 또 다른 중요한 특징은 오픈 컬렉터 출력을 가진다는 것입니다.

따라서 V_PROBE가 기준 전압보다 낮으면 비교기 출력은 플로팅 상태가 됩니다. 반대로 감지 프로브 전압이 기준 전압을 초과하면 비교기는 출력을 접지에 연결합니다.

이 기본 수위 감지 회로의 또 다른 중요한 부품은 트랜지스터 Q1입니다. 앞서 V_PROBE > V_REF일 때 비교기 출력이 접지에 연결된다고 했습니다. 결과적으로 Q1을 통해 베이스 전류가 흐르지 않습니다.

따라서 트랜지스터는 차단 상태가 됩니다. 결과적으로 물이 감지 프로브에서 떨어져 있을 때 LED로는 전류가 흐르지 않습니다. V_PROBE < V_REF일 때는 역과정이 발생합니다.

이 회로 시제품에서 R4의 역할은 트랜지스터를 포화시켜 LED 감지기를 켜는 것입니다. 감지 프로브가 물과 접촉할 때 발생합니다.

회로 테스트 방법은?

그림 6: 녹색 LED 버튼

위에서 강조한 대로 회로를 연결한 후 테스트할 차례입니다. 먼저 접지 프로브를 물에 두고 감지 프로브는 물과 접촉하지 않게 둡니다. 이 설정에서 녹색 LED는 꺼진 상태로 유지됩니다.

다음으로 접지 프로브를 물에 둔 채 감지 프로브를 수면에 놓습니다. 녹색 LED가 켜집니다.

이 두 가지 간단한 테스트로 회로가 정상 작동하는지 확인할 수 있습니다. 이 회로에서는 브레드보드 와이어를 프로브로 사용했습니다. 간단한 습도 센서 회로에는 적합합니다.

정교한 프로젝트의 경우 프로브 재료가 부식을 견딜 수 있는지 확인해야 합니다. 또한 기본 부품을 업그레이드하여 감지 신뢰성을 높여야 합니다.

대체 회로가 있는가?

그림 7: 회로를 조립 중인 전기 기술자

방금 논의한 회로의 대안이 있습니다. 유일한 차이점은 비교기의 입력을 바꿔야 한다는 것입니다. 그러나 전기 개념은 유사하므로 대체 회로에는 몇 가지 조정만 필요합니다.

결론

다양한 응용 분야에서 일정한 수위를 유지하는 것은 필수적입니다. 기본 수위 감지 회로를 사용하여 이를 달성하는 과정을 자세히 설명했습니다.

대학 프로젝트로 직접 시도해 보시고 설명한 내용이 작동하는지 확인해 보세요. 프로젝트 진행 중 도움이 필요하면 언제든 연락 주세요. 필요한 모든 도움을 드리겠습니다.