모든 미터는 어느 정도 측정하는 회로에 영향을 미치는데, 이는 모든 타이어 공기압 게이지가 게이지를 작동시키기 위해 약간의 공기를 빼낼 때 측정된 타이어 공기압을 약간 변경하는 것과 마찬가지입니다. 어느 정도의 영향은 불가피하지만, 좋은 미터 설계를 통해 최소화할 수 있습니다.
전압 분배 회로
전압계는 항상 테스트 대상 부품 또는 부품과 병렬로 연결되므로 전압계를 통과하는 모든 전류는 테스트 대상 회로의 전체 전류에 기여하여 잠재적으로 측정되는 전압에 영향을 미칩니다. 완벽한 전압계는 무한한 저항을 가지고 있어 테스트 대상 회로에서 전류를 끌어오지 않습니다. 그러나 완벽한 전압계는 교과서에만 존재할 뿐 현실에서는 존재하지 않습니다! 그림 1의 다음 전압 분배기 회로를 현실적인 전압계가 측정하는 회로에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대한 극단적인 예로 들어보겠습니다.
그림 1. 전압 분배기 회로도.
회로에 전압계가 연결되지 않은 경우 직렬 회로의 각 250 MΩ 저항에 정확히 12V가 있어야 하며, 두 개의 동일 값 저항은 총 전압(24V)을 정확히 절반으로 나누어야 합니다. 그러나 문제의 전압계의 리드-리드 저항이 10 MΩ(현대 디지털 전압계의 일반적인 양)인 경우, 저항은 그림 2와 같이 연결 시 분배기의 아래쪽 저항과 병렬 서브회로를 생성합니다.
그림 2. 10MΩ의 리드 간 저항을 갖는 전압계의 예로, 분배기의 낮은 저항과 병렬 회로를 생성합니다.
이렇게 하면 효과적으로 하단 저항이 250MΩ에서 9.615MΩ(250MΩ과 10MΩ 병렬)으로 감소하여 회로의 전압 강하가 크게 변합니다. 하단 저항은 이제 이전보다 훨씬 적은 전압을 가지게 되고 상단 저항은 훨씬 더 많은 전압을 가지게 됩니다(그림 3).
그림 3. 이전보다 낮은 저항의 전압이 낮아진 것을 보여주는 다이어그램.
측정된 전압 분배기
저항 값이 250MΩ와 9.615MΩ인 전압 분배기는 24V를 각각 23.1111V와 0.8889V로 분할합니다. 전압계는 9.615MΩ 저항의 일부이므로 0.8889V를 표시합니다.
이제 전압계는 연결된 전압만 표시할 수 있습니다. 전압계 는 연결되기 전에 낮은 250MΩ 저항에 12V의 전위가 떨어졌다는 것을 "알" 방법이 없습니다 . 전압계를 회로에 연결하는 행위 자체가 회로의 일부가 되고 전압계 자체의 저항이 전압 분배기 회로의 저항 비율을 변경하여 결과적으로 측정되는 전압에 영향을 미칩니다.
전압계는 어떻게 작동하나요?
작동하는 데 너무 많은 양의 공기가 필요해서 연결된 모든 타이어를 수축시키는 타이어 압력 게이지를 사용한다고 상상해 보세요. 측정하는 동안 압력 게이지가 소모하는 공기의 양은 전압계가 바늘을 움직이는 데 소모하는 전류와 유사합니다. 압력 게이지가 작동하는 데 필요한 공기가 적을수록 테스트 중인 타이어의 수축이 줄어듭니다. 전압계가 바늘을 작동시키는 데 소모하는 전류가 적을수록 테스트 중인 회로에 부담이 줄어듭니다.
이 효과를 로딩 이라고 하며 , 전압계 사용의 모든 인스턴스에서 어느 정도 존재합니다. 여기에 표시된 시나리오는 최악의 경우로, 전압계 저항이 분배기 저항의 저항보다 상당히 낮습니다. 그러나 항상 어느 정도의 로딩이 있어 미터가 연결되지 않은 상태에서 미터가 실제 전압보다 낮게 표시합니다. 분명히 전압계 저항이 높을수록 테스트 중인 회로의 로딩이 적어지고, 이것이 이상적인 전압계가 무한한 내부 저항을 갖는 이유입니다.
전기 기계적 무브먼트가 있는 전압계는 일반적으로 무브먼트의 전류 소모로 인해 발생하는 회로 영향의 양을 지정하기 위해 범위의 "볼트당 옴"으로 정격이 지정됩니다. 이러한 미터는 다른 측정 범위를 제공하기 위해 다른 값의 승수 저항에 의존하기 때문에 리드 간 저항은 설정된 범위에 따라 달라집니다. 반면 디지털 전압계는 범위 설정에 관계없이(항상 그런 것은 아니지만!) 테스트 리드에서 일정한 저항을 나타내는 경우가 많으며, 따라서 일반적으로 "볼트당 옴" 감도가 아닌 입력 저항의 옴으로 간단히 정격이 지정됩니다.
"볼트당 옴"은 선택기 스위치의 범위 설정 볼트당 리드 간 저항의 옴 수를 의미합니다 . 그림 4에 표시된 예로서 마지막 섹션의 예제 전압계를 살펴보겠습니다.
그림 4. 또 다른 전압계 예.
1000볼트 스케일에서 총 저항은 1MΩ(999.5kΩ + 500Ω)이며, 1000V 범위당 1,000,000Ω 또는 V당 1000옴(1kΩ/V)을 제공합니다. 이 옴/볼트 "감도" 등급은 이 미터의 모든 범위에서 일정하게 유지됩니다. 이는 그림 5의 방정식을 사용하여 확인할 수 있습니다.
그림 5. 볼트당 옴 감도 등급 방정식.
예리한 관찰자는 모든 미터의 옴/볼트 정격이 단일 요인, 즉 운동의 전체 스케일 전류, 이 경우 1mA에 의해 결정된다는 것을 알아차릴 것입니다. "볼트당 옴"은 옴의 법칙에 따라 전류(I=E/R)로 정의되는 "볼트당 옴"의 수학적 역수입니다. 결과적으로 운동의 전체 스케일 전류는 설계자가 승수 저항을 통해 어떤 범위를 제공하든 미터의 Ω/볼트 감도를 결정합니다. 이 경우 미터 운동의 전체 스케일 전류 정격인 1mA는 승수 저항으로 범위를 지정하든 관계없이 전압계 감도가 1000 Ω/V가 됩니다.
모든 회로에서 전압계의 부하를 최소화하기 위해 설계자는 그 움직임의 전류 소모를 최소화하려고 해야 합니다. 이는 최대 감도를 위해 움직임 자체를 재설계하여 달성할 수 있지만(전체 스케일 편향에 필요한 전류가 적음), 여기서의 트레이드오프는 일반적으로 견고성입니다. 더 민감한 움직임은 더 취약한 경향이 있습니다.
또 다른 접근 방식은 운동에 보내지는 전류를 전자적으로 증폭시켜 테스트 중인 회로에서 매우 적은 전류만 끌어낼 필요가 있도록 하는 것입니다. 이 특수 전자 회로는 증폭기로 알려져 있으며 , 이렇게 구성된 전압계는 증폭된 전압계 입니다 (그림 6).
그림 6. 증폭된 전압계의 다이어그램.
증폭기의 내부 작동은 이 시점에서 논의하기에는 너무 복잡하지만, 회로가 측정된 전압을 통해 미터 운동에 얼마나 많은 배터리 전류가 전송되는지 제어 할 수 있다는 것만 말해두겠습니다 . 따라서 운동의 전류 요구 사항은 전압계 내부의 배터리에서 공급되며 테스트 중인 회로에서 공급되지 않습니다. 증폭기는 여전히 테스트 중인 회로에 어느 정도 부하를 주지만 일반적으로 미터 운동 자체보다 수백 또는 수천 배 적습니다.
진공관 전압계(VTVM)
" 전계 효과 트랜지스터 " 로 알려진 반도체가 등장하기 전에 진공관은 이러한 증폭을 수행하는 증폭 장치로 사용되었습니다. 이러한 진공관 전압계 또는 (VTVM)는 한때 전자 테스트 및 측정을 위한 매우 인기 있는 기기였습니다. 그림 7은 진공관이 노출된 매우 오래된 VTVM의 사진을 보여줍니다!
그림 7. 진공관이 노출된 오래된 VTVM의 사진.
이제 솔리드 스테이트 트랜지스터 증폭기 회로는 디지털 미터 설계에서 동일한 작업을 수행합니다. 이 접근 방식(측정된 신호 전류를 증폭하기 위해 증폭기 사용)은 잘 작동하지만 미터 설계를 엄청나게 복잡하게 만들어 전자공학을 처음 공부하는 학생이 내부 작동 방식을 이해하는 것이 거의 불가능하게 만듭니다.
전압계 부하 문제에 대한 최종적이고 독창적인 해결책은 전위차계 또는 널-밸런스 계측기입니다. 이 계측기는 트랜지스터나 진공관과 같은 고급(전자) 회로나 민감한 장치가 필요하지 않지만, 더 많은 기술자의 참여와 기술이 필요합니다. 전위차계 계측기에서는 정밀하게 조정 가능한 전압 소스를 측정된 전압과 비교하고, 널 검출기 라는 민감한 장치를 사용하여 두 전압이 같은 경우를 나타냅니다.
일부 회로 설계에서는 정밀 전위계가 조정 가능한 전압을 제공하는 데 사용되므로 전위계 라는 레이블이 붙 습니다. 전압이 같으면 테스트 중인 회로에서 전류가 전혀 흐르지 않으므로 측정된 전압은 영향을 받지 않습니다. 이것이 마지막 예인 고저항 전압 분배기 회로(그림 8)로 어떻게 작동하는지 쉽게 보여줄 수 있습니다.
그림 8. 전위차 전압 측정 다이어그램.
널 검출기
"널 검출기"는 매우 작은 전압의 존재를 나타낼 수 있는 민감한 장치입니다. 전기 기계식 미터 운동이 널 검출기로 사용되는 경우, 어느 쪽 극성의 전압을 나타내는 데 유용하도록 어느 방향으로든 휘어질 수 있는 스프링 중심 바늘이 있습니다. 널 검출기의 목적은 일반 전압계가 나타내는 특정(제로가 아닌) 양을 나타내는 것이 아니라 0 전압의 상태를 정확하게 나타내는 것이므로, 사용되는 계측기의 스케일은 중요하지 않습니다. 널 검출기는 일반적으로 "널" 또는 "밸런스"(제로 전압) 상태를 보다 정확하게 나타내기 위해 가능한 한 민감하게 설계됩니다.
매우 간단한 유형의 널 검출기는 오디오 헤드폰 세트로, 그 안의 스피커는 일종의 미터 운동으로 작용합니다. 처음에 DC 전압이 스피커에 적용되면, 그 안을 흐르는 결과 전류가 스피커 콘을 움직이고 들리는 "클릭" 소리를 생성합니다. DC 소스가 분리되면 또 다른 "클릭" 소리가 들립니다. 이 원리를 바탕으로, 민감한 널 검출기는 유선 헤드폰과 순간 접촉 스위치만으로 만들어질 수 있습니다. 그림 9는 이에 대한 예를 보여줍니다.
그림 9. 유선 헤드폰과 순간 접촉 스위치를 사용하는 민감한 널 검출기의 예시 다이어그램.
이 목적으로 "8옴" 헤드폰 세트를 사용하는 경우 변압기라는 장치에 연결하면 감도를 크게 높일 수 있습니다 . 변압기는 전자기 원리를 이용하여 전기 에너지 펄스의 전압 및 전류 레벨을 "변환"합니다. 이 경우 사용되는 변압기 유형은 스텝다운 변압기이며, 저전류 펄스(작은 전압 소스에 연결된 상태에서 푸시버튼 스위치를 닫고 열어서 생성)를 고전류 펄스로 변환하여 헤드폰 내부의 스피커 콘을 보다 효율적으로 구동합니다.
임피던스 비율이 1000:8인 "오디오 출력" 변압기가 이 목적에 이상적입니다. 변압기는 또한 스위치가 열릴 때 헤드폰 스피커로 갑자기 방출하기 위해 자기장에서 저전류 신호의 에너지를 축적하여 감지기 감도를 높입니다(그림 10). 따라서 더 작은 신호를 감지하기 위해 더 큰 "클릭"을 생성합니다.
그림 10. 오디오 출력 변압기와 결합된 민감한 널 검출기를 보여주는 다이어그램.
전위차 회로에 널 검출기로 연결된 스위치/변압기/헤드폰 배열은 그림 11과 같이 사용됩니다.
그림 11. 스위치/변압기/헤드폰 배열에 연결된 널 검출기의 다이어그램.
모든 널 검출기의 목적은 실험실 저울처럼 작동하여 두 전압이 같을 때(1점과 2점 사이에 전압이 없을 때)를 나타내는 것입니다. 실험실 저울의 저울대는 실제로 아무것도 무게를 달지 않습니다. 오히려 미지의 질량과 표준(교정된) 질량 더미 사이의 동일성을 나타낼 뿐입니다(그림 12).
그림 12. 고수준 실험실 규모 균형대의 예.
마찬가지로, 널 검출기는 단순히 지점 1과 2 사이의 전압이 동일할 때를 나타내는데, 이는 ( 키르히호프의 전압 법칙 에 따라) 조정 가능한 전압원(대각선 화살표가 지나는 배터리 기호)이 R 2 의 전압 강하와 정확히 동일할 때입니다 .
이 기기를 작동하려면 기술자가 정밀 전압 소스의 출력을 수동으로 조정하여 널 검출기가 정확히 0을 나타낼 때까지 조정합니다. 오디오 헤드폰을 널 검출기로 사용하는 경우 기술자는 푸시 버튼 스위치를 반복해서 눌렀다 놓으면 회로가 "균형 잡혔다"는 것을 나타내는 침묵이 들립니다. 그런 다음 정밀 전압 소스에 연결된 전압계가 나타내는 소스 전압을 기록합니다. 이 표시는 하단 250MΩ 저항기(그림 13)의 전압을 나타냅니다.
그림 13. 정밀 전압원에 연결된 전압계의 다이어그램.
정밀 소스를 직접 측정하는 데 사용되는 전압계는 소스가 작동하는 데 필요한 모든 전류를 공급하기 때문에 매우 높은 Ω/V 감도를 가질 필요가 없습니다. 널 검출기에 전압이 0인 한, 지점 1과 2 사이에 전류가 0이 되며, 이는 테스트 중인 분배기 회로에 부하가 없다는 것을 의미합니다.
이 방법을 적절히 실행하면 측정 회로에 거의 0의 부하가 걸린다는 사실을 반복해서 언급할 가치가 있습니다 . 이상적으로는 테스트 회로에 전혀 부하가 걸리지 않지만, 이 이상적인 목표를 달성하려면 널 검출기 에 절대적으로 0의 전압이 걸려야 하며 , 이를 위해서는 무한히 민감한 널 미터와 조정 가능한 전압 소스에서 완벽한 전압 균형이 필요합니다.
그러나 절대 영점 부하를 달성할 수 있는 실제적인 무능력에도 불구하고, 전위차 회로는 여전히 고저항 회로에서 전압을 측정하는 훌륭한 기술입니다. 그리고 첨단 기술로 문제를 해결하는 전자 증폭기 솔루션과 달리, 전위차 방법은 전기의 기본 법칙인 키르히호프의 전압 법칙(KVL)을 활용하여 이론적으로 완벽한 솔루션을 달성합니다 .
검토:
- 이상적인 전압계는 저항이 무한합니다.
- 전압계의 내부 저항이 너무 낮으면 측정되는 회로에 부정적인 영향을 미칩니다.
- 진공관 전압계(VTVM), 트랜지스터 전압계, 전위차 회로는 모두 측정 회로에 걸리는 부하를 최소화하는 수단입니다. 이러한 방법 중에서 전위차("널 밸런스") 기법만이 회로에 제로 부하를 가할 수 있습니다.
- 널 검출기 는 작은 전압이나 전류에 대한 최대 감도를 위해 제작된 장치입니다. 전위차 전압계 회로에서 두 지점 사이에 전압이 없음을 나타내는 데 사용되므로 조정 가능한 전압원과 측정되는 전압 사이의 균형 상태를 나타냅니다.