전압계

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전압계

전압계는 측정되는 회로 부분과 병렬로 연결될 때 전기 회로 주변의 전압 레벨을 찾는 데 사용되는 측정 장비입니다.

전기 및 전자 회로의 작동을 분석하거나 회로가 예상대로 작동하지 않는 이유를 이해하려고 할 때 결국 전압계를 사용하여 다양한 전압 레벨을 측정 해야 합니다 . 전압 측정에 사용되는 전압계는 아날로그, 디지털 등 다양한 모양과 크기로 제공되거나 오늘날 더 일반적으로 사용되는 디지털 멀티미터의 일부로 제공됩니다.

전압계는 정현파 AC 전압뿐만 아니라 DC 전압도 측정하는 데 사용할 수 있지만 회로에 측정 도구로 전압계를 도입하면 정상 상태 조건이 방해를 받을 수 있습니다.

이름에서 알 수 있듯이 "전압계"는 전압(V), 즉 회로 내의 두 지점 사이에 존재하는 전위차를 측정하는 데 사용되는 도구입니다. 전압(전위차)을 측정하려면 전압을 측정하려는 구성 요소와 전압계를 병렬로 연결해야 합니다.

전압계는 단일 구성 요소 또는 공급 장치의 전압 강하를 측정하는 데 사용할 수 있거나 회로 내 두 개 이상의 지점 또는 구성 요소에 걸친 전압 강하의 합을 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

 

예를 들어, 완전히 충전된 자동차 배터리의 단자에 전압계를 연결하면 12.6V가 표시됩니다. 즉, 배터리 양극 단자와 음극 단자 사이에 12.6V의 전위차가 있습니다. 따라서 전압 V는 항상 회로 구성 요소 전체에 걸쳐 또는 병렬로 측정됩니다.

가장 기본적인 유형의 DC 아날로그 전압계는 D'Arsonval 무브먼트라고도 알려진 "영구자기 이동 코일"(PMMC) 미터입니다.

이러한 유형의 아날로그 미터 이동은 기본적으로 전압계 또는 전류계 로 작동하도록 구성할 수 있는 전류 측정 장치(검류계라고 함)이며 , 주요 차이점은 회로에서 연결되는 방식입니다.

가동 코일 운동은 고정된 영구 자석과 자석의 자기장 내에서 움직일 수 있는 매우 얇은 와이어 코일(따라서 "움직이는 코일"이라는 이름)을 사용합니다.

회로에 연결되면 코일을 통해 전류가 흐르고, 이는 주변 영구 자석에 의해 생성된 자기장에 반응하여 코일을 움직이게 하는 자체 자기장(전자기학)을 생성합니다.

검류계는 내부 전류 흐름에 반응하므로 코일(구리선으로 감긴)의 내부 저항을 알면 간단히 옴의 법칙을 사용하여 측정되는 해당 전위차를 결정할 수 있습니다.

영구 자석 이동 코일 미터 구성

 

"편향"이라고 불리는 전자기 코일이 움직이는 양은 바늘을 편향시키는 데 필요한 자기장을 생성하는 데 필요한 코일을 통해 흐르는 전류의 강도에 비례합니다.

일반적으로 코일에 연결된 포인터 또는 바늘이 있으므로 코일의 움직임으로 인해 포인터가 선형 눈금 위로 편향되어 편향 각도가 입력 전류에 비례하여 측정되는 값을 나타냅니다. 따라서 검류계의 포인터는 전류에 따라 움직입니다.

일반적으로 얇은 나선형 시계 무브먼트 유형 댐핑 스프링은 편향 각도를 제어하여 포인터를 손상시킬 수 있는 진동이나 빠른 움직임을 방지하고 전류가 코일을 통과하지 않을 때 코일의 움직임을 정지 상태로 유지하는 데 사용됩니다.

일반적으로 포인터 이동은 눈금 왼쪽의 0과 눈금 맨 오른쪽의 FSD(풀 눈금 편향) 사이입니다. 일부 미터 이동에는 제로 정지 위치가 눈금 중앙에 있는 스프링 중심 포인터가 있어 양방향으로 포인터를 이동할 수 있습니다. 이는 극성 중 하나의 전압을 측정하는 데 유용합니다.

이 PMMC 미터 움직임은 가동 코일의 전류 흐름에 선형적으로 반응하지만 코일 움직임과 직렬로 저항을 추가하여 전압을 측정하도록 조정할 수 있습니다. 직렬 저항과 가동 코일 미터 이동의 조합은 교정 후 정확한 결과를 제공할 수 있는 DC 전압계를 형성합니다.

전압 측정

우리는 이 튜토리얼에서 전하가 평형 상태에 있을 때 회로의 두 지점 사이의 전압은 0이고 전류(전하의 이동)가 회로 주위로 흐르면 두 개 이상의 서로 다른 지점 사이에 전압이 존재한다는 것을 보았습니다. 회로의.

 

검류계를 사용하면 두 지점 사이에 흐르는 전류뿐만 아니라 두 지점 사이의 전압 차이도 측정할 수 있습니다. 이러한 양은 서로 비례하므로 옴의 법칙에 따릅니다. 따라서 눈금이 있는 전압계를 사용하면 회로의 두 지점 사이의 전위차를 측정할 수 있습니다.

하지만 전류를 사용하여 작동하는 미터를 전압을 측정하는 데 사용할 수 있는 미터로 어떻게 변환합니까? 우리는 이전에 영구 자석 가동 코일 미터의 편향이 가동 코일을 통과하는 전류의 강도에 비례한다고 말했습니다.

전체 크기 편향(FSD)에 가동 코일 내부 저항을 곱하면 미터가 전류 대신 전압을 읽도록 만들어 가동 자석 가동 코일 미터를 DC 전압계로 변환할 수 있습니다.

그러나 코일 이동 설계로 인해 대부분의 PMMC 미터는 전체 편향 전류, I G 등급이 100μA(또는 그 이하)에 불과한 매우 민감한 장치입니다. 예를 들어 가동 코일 저항 값 RG 가 500Ω인 경우 측정할 수 있는 최대 전체 범위 전압은 50mV(V = I*R = 100μA x 500Ω)에 불과합니다.

따라서 PMMC 전압계의 민감한 코일 움직임이 더 높은 전압 값을 측정하려면 측정되는 전압을 미터가 처리할 수 있는 값으로 줄이는 방법을 찾아야 하며 이는 승수라고 하는 저항기를 배치하여 달성됩니다. 미터 내부 코일 저항과 직렬로 연결됩니다.

위의 100uA, 500Ω 검류계를 사용하여 최대 1.0V의 회로 전압을 측정한다고 가정해 보겠습니다. 이전에 살펴본 것처럼 측정할 수 있는 최대 전압이 50mV(50mV)이기 때문에 미터기를 직접 연결하여 1V를 측정할 수는 없습니다.

그러나 옴의 법칙을 사용하면 1V의 전위차를 측정하는 데 사용될 때 전체 미터기 이동을 생성하는 데 필요한 직렬 저항기 R S 의 값을 계산할 수 있습니다 .

 

따라서 검류계가 전체 크기 편향을 제공하는 전류가 100uA인 경우 필요한 직렬 저항 RS는 9.5kΩ 으로 계산됩니다. 따라서 검류계는 그림과 같이 충분히 큰 저항을 직렬로 연결하여 전압계로 변환할 수 있습니다.

전압계 직렬 저항

 

이 직렬 저항 R S 는 코일 권선을 통과하는 전류 강도를 제한하기 위해 코일 의 내부 저항 R G 보다 항상 높습니다 . 이 외부 직렬 저항과 미터 이동의 조합은 간단한 아날로그 전압계의 기초를 형성합니다.

전압계 예 No1

PMMC 검류계는 100Ω의 내부 코일 저항을 가지며 200mV에 대한 전체 크기 편향을 생성합니다. 5V의 DC 전압을 측정할 때 미터가 완전한 편향을 제공하는 데 필요한 승수 저항을 구합니다.

 

따라서 필요한 직렬 저항은 2.4kΩ 값을 갖습니다.

검류계의 전류 또는 전압 전체 크기 편향(FSD) 값(I FSD 또는 V FSD ) 을 알고 있는 경우 필요에 따라 승수 저항기의 값을 변경하여 이 방법을 사용하여 모든 전압 값을 측정할 수 있습니다 . 그런 다음 우리가 해야 할 일은 0부터 새로운 측정된 전압 값까지 읽기 위해 스케일에 다시 라벨을 붙이는 것입니다.

이 간단한 직렬 연결된 전압 분배기 회로는 설계 내에서 다양한 "승수" 저항을 포함하도록 추가로 확장될 수 있으므로 전압계를 사용하여 스위치를 눌렀을 때 다양한 전압 레벨을 측정할 수 있습니다.

다중 범위 전압계 설계

위의 간단한 DC 전압계는 특정 전압 범위에 맞게 크기가 지정된 여러 직렬 저항을 사용하여 추가로 확장할 수 있습니다. 이 저항은 단일 다극 스위치로 하나씩 선택하여 아날로그 전압계로 측정할 수 있습니다. 한 번의 움직임으로 더 넓은 범위의 전압 레벨을 제공합니다.

이러한 유형의 전압계 구성을 다중 범위 전압계라고 하며 스위치 위치 수에 따라 범위가 선택됩니다(예: 4위치, 5위치 등).

직접 다중 범위 전압계 구성

이 전압계 구성에서는 다중 범위 전압계의 각 승수 저항 RS가 원하는 전압 범위를 제공하기 위해 이전과 같이 미터와 직렬로 연결됩니다. 따라서 10V, 50V, 100V, 250V 및 500V의 전압 범위를 측정하는 데 위의 50mV FSD 미터가 필요하다고 가정하면 필요한 직렬 저항은 이전과 동일하게 계산됩니다.

 

다음과 같은 직접 다중 범위 전압계 회로 제공:

 

이 직접 전압계 구성은 전압 범위를 읽는 데 매우 효과적이지만, 계산된 범위에 대해 미터의 올바른 FSD를 얻는 데 필요한 승수 저항 값은 표준 권장 값이 아닌 저항 값을 제공하거나 저항을 함께 납땜해야 할 수 있습니다. 정확한 값을 산출합니다.

99.5kΩ에서 4.9995MΩ까지 계산된 값은 일반적인 저항 값이 아니므로 보다 일반적으로 사용 가능한 저항 값을 사용하는 위 전압계 설계의 변형을 찾아야 합니다.

간접 다중 범위 전압계 구성

보다 실용적인 설계는 하나 이상의 직렬 저항이 미터와 직렬 체인으로 함께 연결되어 원하는 전압 범위를 제공하는 간접 전압계 구성입니다. 여기서의 장점은 승수 저항기에 대해 표준 우선 값을 사용할 수 있다는 것입니다.

50mV FSD 미터와 10V, 50V, 100V, 250V 및 500V의 전압 범위를 다시 가정하면 필요한 직렬 승수 저항기는 다음과 같이 계산됩니다.

 

다음과 같은 간접 다중 범위 전압계 회로 제공:

 

그러면 이 간접 5범위 전압계 구성을 통해 측정할 전압이 높을수록 스위치에 의해 더 많은 승수 저항기가 선택된다는 것을 알 수 있습니다. PMMC 미터와 직렬로 연결된 총 저항은 R TOTAL = R S1 + R S2 + R S3 … 등과 같이 저항의 합이 됩니다.

두 회로, 직접 및 간접 전압계 구성은 모두 동일한 전압 레벨을 읽을 수 있지만 400kΩ, 500kΩ, 1M5Ω 및 2M5Ω 저항기의 표준 및 기본 저항 값을 사용하면 간접 방법을 더 쉽고 저렴하게 구성할 수 있습니다.

분명히 저항 값의 선택은 궁극적으로 사용되는 검류계의 FSD와 측정해야 하는 전압 레벨에 따라 달라집니다. 어느 쪽이든 더 높은 직렬 승수 저항기와 스위치를 연결하여 간단한 다중 범위 아날로그 DC 전압계를 구성할 수 있습니다. 요즘 대부분의 디지털 멀티미터는 범위가 자동으로 조정됩니다.

DC 전압계를 구축할 때 주의해야 할 마지막 사항은 이상적인 전압계는 무한한 등가 저항을 갖기 때문에 측정되는 회로 또는 구성 요소의 일부에 영향을 미치지 않는다는 것입니다.

그러나 실제로 전압을 측정할 때 전압계를 회로, 특히 저항이 큰 회로에 연결하면 회로의 유효 저항이 줄어들 수 있으므로 두 지점 사이에서 측정되는 전압이 낮아지는 효과가 있습니다.

이 로딩 효과를 최소화하려면 감도가 높은 미터, 즉 더 낮은 편향 전류로 전체 크기 편향이 달성되어야 하며 전압계에 사용되는 승수 저항이 가능한 한 높아서 전류를 줄일 수 있어야 합니다. PMMC 미터를 통과합니다. 전압계의 감도는 옴/볼트(Ω/V) 단위로 측정됩니다.