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트랜스듀서

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목차

1. 개요

트랜스듀서는 에너지의 한 형태를 다른 형태로 변환하는 장치이다. 기계식, 전기식, 전자기식, 전기화학식, 전기기계식, 광전식, 정전식, 열전식, 전파음향식 등 다양한 종류가 있으며, 변환하는 에너지의 종류에 따라 분류된다. 또한 센서, 액추에이터, 트랜시버와 같은 역할에 따라서도 분류된다. 트랜스듀서는 동적 범위, 반복성, 잡음, 히스테리시스와 같은 특성을 가지며, 통신 시스템을 비롯한 다양한 분야에 응용된다.

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  • 변환기 - 센서
    센서는 물리량, 화학량, 생물학적 정보를 감지하여 유용한 신호로 변환하는 장치이며, 다양한 종류와 활용 분야를 가지며 첨단 기술 개발이 이루어지고 있다.
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트랜스듀서
개요
명칭변환기
영어 명칭Transducer
일본어 명칭トランスデューサー
기능
역할에너지를 한 형태에서 다른 형태로 변환하는 장치
예시마이크(음향 에너지 → 전기 에너지)
스피커(전기 에너지 → 음향 에너지)
센서(물리량 → 전기 신호)
종류
전기 기계 변환기전기 에너지와 기계 에너지 간의 변환을 담당
예시전동기
발전기
스피커
마이크로폰
기타압전 변환기
열전 변환기
광전 변환기
화학 변환기
컴퓨터 과학
관련 개념유한 상태 변환기
기타
참고변환기 (기계 학습)

2. 종류

트랜스듀서는 변환하는 에너지의 종류에 따라 다양하게 분류할 수 있다.


  • 화학-전기: pH 전극, 연료 전지
  • 기계-전기: (전기 기계의 출력 장치는 총칭적으로 액추에이터라고 불린다) 전장 응답성 고분자, 검류계, MEMS, 전동기, 리니어 모터, 포텐시오미터(위치 측정에 사용되는 경우), 가속도계, 스트레인 게이지, 개폐기
  • 광-전기: 반도체 레이저, 발광 다이오드(전력을 빛으로 변환), 포토다이오드, 포토트랜지스터, 광전자 증배관(광량을 전기적 형태로 변환)
  • 전자석-전기: 브라운관(전기 신호를 시각 형태로 변환), 형광등, 전구(전력을 가시광선 형태로 변환), Magnetic cartridge(운동을 전기적 형태로 변환), 태양전지, 포토레지스터(광량을 저항으로 변환), Tape head(자기 영역을 전기적 형태로 변환), 홀 소자(자기 영역의 양을 전기적 형태로 변환)
  • 정전기-전기: 전위계, 액정 디스플레이
  • 열전-전기: 써미스터, 열전대, 펠티에 효과형 냉장고, 가이거-뮬러 계수관(방사선량 측정)

2. 1. 기계식 트랜스듀서

물리적 양을 기계적 출력으로, 또는 그 반대로 변환한다.
기계식 트랜스듀서

2. 2. 전기식 트랜스듀서

물리적 양을 전기적 출력 또는 신호로 변환한다. 예시는 다음과 같다.

2. 3. 전자기식 트랜스듀서


  • 안테나 – 전파되는 전자기파를 전도성 전기 신호로, 또는 그 반대로 변환한다.
  • 자기 카트리지 – 상대적인 물리적 움직임을 전기 신호로, 또는 그 반대로 변환한다.
  • 테이프 헤드, 디스크 읽기 및 쓰기 헤드 – 자기 매체의 자기장을 전기 신호로, 또는 그 반대로 변환한다.
  • 홀 효과 센서 – 자기장의 세기를 전기 신호로 변환한다.
  • 가변 릴럭턴스 센서 – 근처의 강자성 금속 물체의 움직임이 교류 전기 신호를 유도한다.
  • 픽업 – 금속 현의 움직임을 감지하고 전기 신호(AC 전압)를 유도한다.

2. 4. 전기화학식 트랜스듀서


  • pH 프로브
  • 전기화학적 산소 센서
  • 수소 센서
  • 전위차 센서


이 목록은 좁은 의미로 제한된다.
화학-전기 변환

  • pH 전극
  • 연료 전지

2. 5. 전기기계식 트랜스듀서

전기기계식 트랜스듀서는 전기적 신호와 기계적 운동 간의 변환을 수행한다.

  • 가속도계
  • 유량 센서
  • 전기활성 고분자
  • 회전 모터, 선형 모터
  • 검류계
  • 선형 가변 차동 트랜스포머 또는 회전 가변 차동 트랜스포머
  • 로드셀 – 스트레인 게이지를 사용하여 힘을 mV/V 전기 신호로 변환한다.
  • 미세 전기 기계 시스템
  • 포텐쇼미터 (위치 측정에 사용되는 경우)
  • 압력 센서
  • 스트링 포텐쇼미터
  • 촉각 센서
  • 진동 전력 발생기
  • 진동 구조 자이로스코프

2. 6. 전기음향식 트랜스듀서


  • 스피커와 이어폰은 전기 신호를 소리로 변환한다. 증폭된 신호가 자기장을 만들고, 이 자기장이 운동을 일으켜 기압 변화를 통해 소리를 낸다.[2]
  • 마이크로폰은 소리를 전기 신호로 변환한다. 기압이 도체나 코일의 운동을 유발하고, 이는 다시 자기장을 거쳐 전기 신호로 변환된다.[2]
  • 촉각 변환기는 전기 신호를 진동으로 변환한다.
  • 써모폰은 전기 신호를 이용해 얇은 전도체를 주기적으로 가열하여 온도 변화를 만들고, 이 온도파가 음파를 생성한다.
  • 압전 결정은 고체 결정의 변형(진동)을 전기 신호로, 또는 전기 신호를 변형(진동)으로 상호 변환한다.
  • 지오폰은 지면의 움직임(변위)을 전압으로 변환한다. 진동이 도체나 코일의 운동을 일으키고, 자기장을 통해 신호가 생성된다.
  • 그램폰 픽업은 기압 변화를 운동으로, 다시 자기장을 거쳐 전기 신호로 변환한다.
  • 수중 청음기는 수압 변화를 전기 신호로 변환한다.
  • 소나 트랜스폰더는 수압을 도체나 코일의 운동으로, 다시 자기장을 거쳐 전기 신호로 변환한다.
  • 초음파 송수신기는 전기 신호를 초음파로 변환하여 송신하고, 표적 물체에서 반사된 음파 반사를 수신하여 해당 물체의 영상을 만든다.

2. 7. 광전식 트랜스듀서

광전식 트랜스듀서는 빛 에너지를 전기 에너지로, 또는 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 장치이다. 광전 효과를 기반으로 작동한다.

  • 형광등, 백열등, 발광 다이오드(LED): 전력을 비결맞음 빛으로 변환한다.
  • 레이저 다이오드: 전력을 결맞음 빛으로 변환한다.
  • 포토다이오드, 포토저항, 포토트랜지스터, 광전 증배관: 빛의 세기 변화를 전기 신호로 변환한다.
  • 광검출기 또는 포토저항(LDR): 빛의 세기 변화를 전기 저항의 변화로 변환한다.
  • 브라운관(CRT): 전기 신호를 시각 신호로 변환한다.
  • 반도체 레이저, 발광 다이오드(LED): 전력을 빛의 형태로 변환한다.
  • 태양전지, 포토레지스터(LDR): 광량을 저항으로 변환한다.

2. 8. 정전식 트랜스듀서

전위계는 정전식 트랜스듀서의 한 예이다.

2. 9. 열전식 트랜스듀서

열전대는 금속 접합부의 상대 온도를 전압으로 변환한다.[1] 써미스터(PTC 저항 및 NTC 저항 포함)와 펠티에 효과형 냉장고도 열전식 트랜스듀서에 포함된다.[1]

2. 10. 전파음향식 트랜스듀서

전기음향 변환기는 전기 신호와 소리 간의 변환을 수행한다. 주요 예시는 다음과 같다.

  • 축음기 및 악기의 픽업
  • 송수파기: 전기 에너지와 수압(물)을 상호 변환한다.
  • 스피커, 헤드폰: 전기 신호를 소리 형태로 변환한다.
  • 마이크로폰: 기압(공기의 압력)을 전기 신호로 변환한다.
  • 압전 결정: 압력을 전기적 형태로 변환한다.
  • Tactile transducer/Bass shake

3. 변환기의 분류

변환기는 정보가 통과하는 방향에 따라 분류할 수 있다.


  • 양방향 변환기: 안테나는 무선 전파(전자기파)를 라디오 수신기가 처리할 수 있는 전기 신호로 변환하거나, 송신기의 전기 신호를 무선 전파로 변환할 수 있다.[2] 라우드스피커의 음성 코일은 전기 오디오 신호를 소리로 변환하고, 다이내믹 마이크로폰에서 소리 파장을 오디오 신호로 변환한다.[2]


이 목록은 좁은 의미로 제한된다.

3. 1. 센서

센서는 물리적 시스템으로부터 신호 또는 자극을 수신하고 반응하는 변환기이다.[3][4][2] 시스템에 대한 정보를 나타내는 신호를 생성하며, 이 신호는 일종의 원격 측정, 정보 또는 제어 시스템에 의해 사용된다.

3. 2. 액추에이터

액추에이터는 기계 또는 시스템을 움직이거나 제어하는 역할을 하는 장치이다.[2] 제어 시스템 또는 수동 제어 신호에 의해 제어되며, 기계적 힘, 전류, 유압 유체 압력, 공압 압력 등의 에너지원을 운동으로 변환한다.[2] 액추에이터는 제어 시스템이 환경에 작용하는 메커니즘으로, 제어 시스템은 고정된 기계식 또는 전기 시스템처럼 단순하거나, 프린터 드라이버, 로봇 제어 시스템과 같은 소프트웨어 기반일 수도 있고, 인간 또는 기타 입력일 수도 있다.[2]

전기 기계의 출력 장치는 총칭적으로 액추에이터라고 불린다.

3. 3. 트랜시버

트랜시버는 물리적 현상을 전기 신호로, 또는 그 반대로 변환하는 양방향 변환을 수행하는 장치이다.

가장 널리 사용되는 예는 라디오 트랜시버이다. 항공기에서는 "트랜스폰더"라고도 불리는 이 장치는 사실상 모든 형태의 무선(원격) 통신 및 네트워크 장치 연결에 사용된다. 또 다른 예로는 의료 초음파(에코) 스캔에서 사용되는 초음파 트랜시버가 있다.[2]

4. 변환기의 특성

트랜스듀서를 평가하는 데 사용되는 주요 특성으로는 동적 범위, 반복성, 잡음, 히스테리시스 등이 있다.


  • 동적 범위: 변환기가 효과적으로 변환할 수 있는 신호의 범위를 나타낸다.
  • 반복성: 동일한 입력에 대해 동일한 출력을 생성하는 능력이다.
  • 잡음: 출력에 추가되는 무작위 잡음의 정도이다.
  • 히스테리시스: 출력 값이 현재 입력뿐만 아니라 과거 입력에도 의존하는 정도이다.

4. 1. 동적 범위

변환기가 효과적으로 변환할 수 있는 가장 큰 진폭 신호와 가장 작은 진폭 신호의 비율이다.[2] 동적 범위가 더 큰 변환기는 더 "민감"하고 정밀하다.

4. 2. 반복성

반복성은 동일한 입력에 의해 자극될 때 동일한 출력을 생성하는 변환기의 능력이다.[2]

4. 3. 잡음(신호 처리)

모든 변환기는 출력에 약간의 무작위 잡음을 추가한다.[2] 전기 변환기의 경우, 이는 회로 내 전하의 열적 운동으로 인한 전기적 잡음일 수 있다. 잡음은 큰 신호보다 작은 신호를 더 손상시킨다.

4. 4. 히스테리시스

히스테리시스는 변환기의 출력 값이 현재 입력뿐만 아니라 과거 입력에도 의존하는 속성이다. 예를 들어, 기어 트레인을 사용하는 액추에이터에는 약간의 백래시가 있을 수 있다. 이는 액추에이터의 운동 방향이 반전되면 기어 이빨 사이의 유격으로 인해 액추에이터의 출력이 반전되기 전에 데드 존이 발생한다는 것을 의미한다.[2]

5. 응용 분야

트랜스듀서는 다양한 분야에서 활용된다. 다음은 그 예시이다.

분야트랜스듀서 종류 및 역할
전기음향
열전
광전기
기계-전기
화학-전기
전자기
정전기
기타


5. 1. 통신

전자 통신 시스템에서 다양한 물리적 형태의 신호를 전기 신호로, 또는 그 반대로 변환하는 데 사용된다. 예를 들어, 마이크로폰은 소리 신호를 전기 신호로 바꾸고, 스피커는 전기 신호를 다시 소리 신호로 바꾼다.

전자 통신 시스템에서 변환기의 역할

5. 2. 기타 응용 분야


  • 전기음향 변환기:
  • 스피커, 헤드폰: 전기 신호를 음향 형태로 변환한다.
  • 마이크로폰: 기압을 전기 신호로 변환한다.
  • 축음기 및 악기의 픽업
  • 송수파기: 전기 에너지와 음향 에너지(수압)를 상호 변환한다.
  • 압전 결정: 압력을 전기적 형태로 변환한다.
  • Tactile transducer/Bass shake
  • 열전식 트랜스듀서:
  • 써미스터
  • 열전대
  • 펠티에 효과형 냉장고
  • 광-전기 변환:
  • 반도체 레이저, 발광 다이오드: 전력을 빛의 형태로 변환한다.
  • 포토다이오드, 포토트랜지스터, 광전자 증배관: 광량을 전기적 형태로 변환한다.
  • 기계-전기 변환:
  • 전동기, 리니어 모터
  • 포텐시오미터: 위치를 측정하는 데 사용된다.
  • 가속도계
  • 스트레인 게이지
  • 개폐기
  • 검류계
  • 전장 응답성 고분자
  • MEMS
  • 화학-전기 변환:
  • pH 전극
  • 연료 전지
  • 전자기 변환:
  • 브라운관: 전기 신호를 시각 형태로 변환한다.
  • 형광등, 전구: 전력을 가시광선 형태로 변환한다.
  • Magnetic cartridge: 운동을 전기적 형태로 변환한다.
  • 태양전지, 포토레지스터: 광량을 저항으로 변환한다.
  • Tape head: 자기 영역을 전기적 형태로 변환한다.
  • 홀 소자: 자기 영역의 양을 전기적 형태로 변환한다.
  • 정전기:
  • 전위계
  • 액정 디스플레이
  • 기타:
  • 가이거-뮬러 계수관: 방사선량을 측정하는 데 사용된다.

참조

[1] 서적 Foundations of analog and digital electronic circuits Elsevier 2005
[2] 서적 Plasma Speaker https://massless.inf[...] Focal Press 2013
[3] 서적 Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications Springer 2016
[4] 서적 Sensors: An Introductory Course Springer 2013
[5] 서적 Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications Springer 2016
[6] 서적 Foundations of analog and digital electronic circuits Elsevier 2005
[7] 서적 Plasma Speaker https://massless.inf[...] Focal Press 2013


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