기계식 오옴계 (저항계) 설계는 오늘날 디지털 계측기로 대체되어 거의 사용되지 않지만, 그럼에도 불구하고 그 작동 방식은 흥미진진하고 연구할 가치가 있습니다.
오옴계의 목적
물론 오옴계의 목적은 리드 사이에 놓인 저항을 측정하는 것입니다. 이 저항 판독값은 전류로 작동하는 기계적 미터 운동을 통해 표시됩니다. 오옴계는 운동을 작동하는 데 필요한 전류를 생성하는 내부 전압 소스가 있어야 하며, 주어진 저항에서 운동을 통해 적절한 양의 전류를 허용할 수 있는 적절한 범위 저항기가 있어야 합니다.
오옴계는 어떻게 작동하나요?
간단한 동작과 배터리 회로부터 시작하여 이것이 오옴계로 어떻게 기능하는지 살펴보겠습니다.
무한 저항(테스트 리드 사이에 연속성 없음)이 있는 경우 미터 이동을 통한 전류는 0이고 바늘은 눈금의 가장 왼쪽을 가리킵니다. 이와 관련하여 오옴계 표시는 "뒤로" 있는데, 최대 표시(무한대)가 눈금의 왼쪽에 있는 반면 전압 및 전류계는 눈금의 왼쪽에 0이 있기 때문입니다.
이 오옴계의 테스트 리드를 직접 단락시키면(0Ω 측정) 미터의 움직임은 배터리 전압과 움직임의 내부 저항에 의해서만 제한되는 최대 전류량을 통과합니다.
배터리 전위가 9볼트이고 움직임 저항이 500Ω에 불과하면 회로 전류는 18mA가 되는데, 이는 움직임의 전체 정격을 훨씬 넘어섭니다. 이러한 과도한 전류는 미터를 손상시킬 가능성이 큽니다.
그뿐만 아니라, 그러한 조건이 있으면 장치의 유용성이 제한됩니다. 미터 면의 전체 왼쪽 눈금이 무한한 양의 저항을 나타내는 경우 전체 오른쪽 눈금은 0을 나타내야 합니다. 현재, 리드 사이에 0 저항이 연결되면 미터의 움직임이 오른쪽으로 단단히 "고정"됩니다. 테스트 리드가 함께 단락될 때 움직임이 전체 눈금을 등록하도록 하는 방법이 필요합니다. 이는 미터 회로에 직렬 저항을 추가하여 달성됩니다.
R의 적절한 값을 결정하기 위해 배터리의 전위가 9볼트일 때 전류를 1mA(무브먼트의 전체 범위 편향)로 제한하는 데 필요한 총 회로 저항을 계산한 다음, 해당 수치에서 무브먼트의 내부 저항을 뺍니다.
이제 R에 대한 올바른 값이 계산되었지만, 여전히 미터 범위 문제가 남았습니다. 눈금의 왼쪽에는 "무한대"가 있고 오른쪽에는 0이 있습니다. 전압계와 전류계의 눈금에서 "뒤떨어져" 있을 뿐만 아니라, 이 눈금은 아무것도 없는 상태에서 모든 것으로 가는 것이지 아무것도 없는 상태에서 유한한 값(예: 10볼트, 1암페어 등)으로 가는 것이 아니기 때문에 이상합니다.
"중간 눈금은 무엇을 나타내는가? 0과 무한대 사이에 정확히 어떤 숫자가 있는가?"라고 궁금해할 수 있습니다. 무한대는 그저 매우 큰 양 이상입니다. 그것은 헤아릴 수 없는 양이며, 어떤 확실한 숫자보다 더 큽니다. 다른 유형의 미터에서 반 눈금 표시가 전체 눈금 범위 값의 1/2을 나타낸다면, 오옴계 눈금에서 무한대의 절반은 얼마입니까?
오옴계의 대수적 스케일
이 역설에 대한 답은 비선형 스케일 입니다 . 간단히 말해서, 오옴계의 스케일은 바늘이 오른쪽에서 왼쪽으로 움직일 때 0에서 무한대로 매끄럽게 진행되지 않습니다. 오히려 스케일은 오른쪽에서 "확장"되어 시작하며, 연속적인 저항 값은 스케일의 왼쪽으로 갈수록 서로 점점 더 가까워집니다.
무한대는 선형(균등) 방식으로 접근할 수 없습니다. 왜냐하면 저울이 결코 거기에 도달하지 못할 것이기 때문입니다! 비선형 저울의 경우, 저울의 주어진 거리에 걸쳐 있는 저항의 양은 저울이 무한대로 진행됨에 따라 증가하여 무한대가 달성 가능한 목표가 됩니다.
하지만 우리는 여전히 오옴계의 범위에 대한 의문을 가지고 있습니다. 테스트 리드 사이의 저항 값은 정확히 바늘의 1/2 스케일 편향을 일으킬까요? 무브먼트의 전체 스케일 정격이 1mA라는 것을 알고 있다면, 0.5mA(500µA)는 반 스케일 편향에 필요한 값이어야 합니다. 9볼트 배터리를 소스로 사용한 설계에 따르면 다음과 같습니다.
내부 이동 저항이 500Ω이고 직렬 범위 저항이 8.5kΩ이면 1/2 스케일에서 외부(리드 간) 테스트 저항에 9kΩ가 남습니다. 즉, 오옴계에서 1/2 스케일 편향을 제공하는 테스트 저항은 미터 회로의 (내부) 직렬 총 저항과 값이 같습니다.
옴의 법칙을 몇 번 더 사용하면 1/4 및 3/4 스케일 처짐에 대한 테스트 저항 값도 결정할 수 있습니다.
1/4 스케일 편향(미터 전류의 0.25 mA):
3/4 스케일 편향(미터 전류 0.75 mA):
따라서 이 오옴계의 눈금은 다음과 같습니다.
이 설계의 주요 문제 중 하나는 정확한 저항 판독을 위해 안정적인 배터리 전압에 의존한다는 것입니다. 배터리 전압이 감소하면(모든 화학 배터리가 노후화와 사용으로 인해 그렇듯이) 오옴계 눈금은 정확도를 잃습니다. 직렬 범위 저항이 8.5kΩ의 일정한 값에 있고 배터리 전압이 감소하면 테스트 리드가 함께 단락(0Ω)될 때 미터가 더 이상 오른쪽으로 전체 스케일을 편향시키지 않습니다. 마찬가지로 9kΩ의 테스트 저항은 더 낮은 배터리 전압으로 바늘을 정확히 1/2 스케일로 편향시키지 못합니다.
다양한 배터리 전압을 보상하기 위해 사용되는 설계 기술이 있지만, 문제를 완전히 해결하지는 못하고 기껏해야 근사치로 간주해야 합니다. 이러한 이유와 비선형 스케일의 사실 때문에 이러한 유형의 오옴계는 결코 정밀 기기로 간주되지 않습니다.
오옴계와 관련하여 마지막으로 주의해야 할 점이 있습니다. 오옴계는 전압 또는 전류 소스에서 전원을 공급받지 않는 저항을 측정할 때만 올바르게 작동합니다. 다시 말해, "활성" 회로에서 오옴계로 저항을 측정할 수 없습니다! 그 이유는 간단합니다. 오옴계의 정확한 표시는 전압의 유일한 소스가 내부 배터리에 달려 있기 때문입니다. 측정할 구성 요소에 전압이 있으면 오옴계의 작동을 방해합니다. 전압이 충분히 크면 오옴계가 손상될 수도 있습니다.
검토:
- 옴계는 저항 측정 시 전원을 공급하기 위한 내부 전압원을 포함하고 있습니다.
- 아날로그 오옴계 눈금은 전압계나 전류계보다 "뒤떨어져" 있으며, 운동 바늘은 최대 눈금에서 0 저항을 읽고 정지 상태에서는 무한 저항을 읽습니다.
- 아날로그 오옴계도 비선형 스케일을 갖고 있는데, 스케일의 낮은 쪽은 "확장"되고 높은 쪽은 "압축"되어 0에서 무한 저항까지 범위를 확장할 수 있습니다.
- 아날로그 저항계는 정밀 기기가 아닙니다.
- 옴미터는 절대로 전원이 공급되는 회로(즉, 자체 전압원이 있는 회로)에 연결해서는 안 됩니다. 옴미터의 테스트 리드에 전압이 인가되면 판독값이 무효화됩니다.