전류계 및 전압계 사용법

1. 실험목적

회로안에서의 전류와 전압을 측정하는 전류계와 전압계를 사용해 봄으로써 계기의 구조와 원리를 이해한다.

2. 개요

많은 사람들이 전기 계기는 모두 정확한 것이라 생각한다. 예로서, VOM(Volt-Ohm-Milliammeter, 보통 테스터라고도 함)을 가지고 전압, 전류, 저항을 측정할 때 내부에 일어나는 것에 관해서 깊이 생각하는 사람은 거의 없다. 대부분의 VOM은 DC전류, 전압, AC전압 및 저항을 측정하는데 20가지 이상의 레이진(range)를 갖고 있다. 이들 레인지의 각각은 모두 같은 계기의 운동으로 측정된다.

계기 회로를 이해함에 있어 먼저 계기의 구조 및 원리를 아는 것이 중요하다.

3. 이론

오늘날 가장 널리 사용되는 계기는 D'Arsonval형 계기이다. 정확도가 가장 높은 이 계기는 이것을 발명한 프랑스의 물리학자 이름에서 온 것이다. 실제로 D'Arsonval계기는 가벼운 dutymotor이다. 그러나 그것은 전기 모터와 같은 원리로 작동한다.

D'Arsonval계기는 보통 가동 코일형계기라고도 불리며, 이것은 자계에 의해 반발하는 원리로 작동한다. 이 계기는 가벼운 알루미늄 위에 아주 가느다란 코일을 감은 것을 영구 자석의 자계내에 설치한 것이며, 임의의 전류가 이 코일에 흐를 때 자계가 형성되고, 이때 코일에 생겨난 자계는 영구 자석에 의한 자계와의 사이에 반발하는 힘이 발생한다. 전류가 증가하면 그 전자석 코일에는 자계의 세기가 증가한다. 즉, 코일은 거기에 흐르는 전류의 세기에 비례해서 크게 움직인다. 이 계기의 지시는 코일에 붙어 있는 지시 바늘에 의해 나타난다.

가동 코일형 계기는 이론적으로 아주 간단하다. 그러나, 실제적인 계기 운동의 개발은 매우 어려우며, 그림1은 실제적인 가동 코일형 계기를 보여준다.

그림1. 가동 코일형 계기의구조

잘 감겨진 코일과 알루미늄 심이 영구자석의 자극 사이에 사파이어(sapphire)로 만들어진 정밀한 베어링으로 조립되며, 가동 코일형과 영구 자석 사이의 최대간격은 정확한 계기의 지시값을 보장한다. 코일의 감는 방향은 영구 자석 자계의 방향과 전자석의 자계방향과 서로 반대가 되고, 그 크기에 따라 눈금이 크게 매겨지도록 되어있다.

이로 인해 계기에 있는 시험 리드 단자는 색으로 구별되어 있고, 이 계기는 코일이 영구 자석의 자계에 어떤 임의를 각으로 조립된다. 그러므로, 영구 자석의 자계에 의한 반발력은 항상 지침의 지시값을 증가시키는 방향으로 움직인다. 그러나, 실제적인 계기와 그림 1과 같이 간단하게 설계된 것과는 몇가지 차이점을 갖고 있다. 예를 들면 가동코일은 조심스럽게 평형되어야 하고, 불필요한 마찰없이 쉽게 움직일 수 있도록 양질의 베어링에 얹혀 있어야 된다. 만약, 베어링의 마찰이 너무 크면 계기의 지시는 부정확할 것이며, 다른 차이점은 그 계기의 잭(jack)과 가동 코일 사이의 유연한 접속의 필요성이다. 이 때문에 코일형 스프링이 가동 코일의 끝 부분에 각각 사용된다. 그 감는 방법은 기계적으로 꼭대기 스프링과 밑바닥 스프링을 반대 방향으로 하여 조립된다. 이것은 구부리기 쉬운 도체로서 코일이 눈금상에서 최대 눈금을 초과하거나 영점의 아래쪽으로 내려가는 것을 정지시키는 결과가 된다.

가동 코일형 계기의 원리와 동작을 이해함에 있어 몇가지 계기 사용에 관한 것을 설명해야 하다.

첫째 계기는 일종의 모터이다. 이 모터는 한 원의 약 1/5만 움직이도록 설계되어 있다. 만일 전류가 흐를 경우에는 정상 동작으로부터 벗어나므로 그 계기의 최대 눈금 끝을 지나 회전한다. 이 현상은 가끔 지침을 굽게 하거나 부러뜨리고 베어링을 파괴시키기도 한다.

둘째, 가동 코일은 영구 자석에 반발하는 자계를 발생하도록 감겨져 있다. 그 계기가 회로에서 부적당하게 연결되어 있다면 그 코일은 흡인하는 방향의 자계가 발생한다. 이것은 코일의 자석 N극 방향으로 끌어 당길 것이고 지침을 반대방향으로 움직이게 하므로 손상될 우려가 있다.

1) 전류계 사용법

어떤 회로에 흐르는 전류를 측정하고자 하는 경우 전류계의 접속은 회로와 직렬로 하면 된다. 예를 들어, 그림 2와 같이 저항 R에 흐르는 전류를 측정하고자 하는 경우 전류계의 접속은 그림 2(b)와 같이 하면 된다.

이때 전류계의 극성이 바꾸어지지 않도록 주의해야 한다. 전류계의 극성이 바꾸어지면 미터기의 지침은 반대로 움직인다. 또한 전류계의 최대눈금(Full Scale : FS)은 예상되는 부하전류보다 큰 것을 사용해야만 한다.

한편, 그림 2(b)와 같이 전류계를 접속하였을 경우 전류계가 지시하는 실제 전류값은 전류계의 내부저항 R_m을 고려하면, 그림 3과 같은 회로로부터

로 I=V/R보다 적은 전류값을 지시하게 된다. 따라서 전류계의 내부저항은 가급적 적은 것이 바람직하며, 정밀한 측정을 할 경우는 미리 전류계의 내부저항을 조사하여 이 내부저항에 의한 측정상의 오차를 보상해 주어야 한다.

2) 전압계 사용법

어떤 회로나 소자 양단의 전압을 측정하고자 하는 경우는 전압계를 병렬로 접속하여 측정하고자 하는 경우는 전압계를 병렬로 접속하여 측정한다. 예를 들어, 그림 4(a)와 같은 회로에서 저항 R₂양단의 전압을 측정하고자 하는 경우 전압계의 접속은 그림 4(b)와 같이 하면 된다.

이론적으로, 그림 4(b)에서 전압계의 지시는

가 되어야 할 것이다. 그러나 전압계의 내부저항을 고려하면 그림 4(b)는 그림 5와 같은 등가회로로 나타낼 수 있다. 물론 여기서 R_m은 전압게의 내부저항을 표시하고 있다. 따라서 실제로 전압계가 지시하는 값을

이라 하면

로 이론적인 값보다는 적은 값을 지시하게 된다.

따라서 전압계의 내부저항은 가급적 큰 것이 바람직하다. 특히 반도체소자로 구성된 전자회로의 각 부분 전압 측정의 경우는 이러한 전압계의 내부저항에 의한 측정오차가 크게 문제시됨은 물론, 전압계 자체의내부저항이 회로동작의 영향을 미치게 되므로 VOM과 같이 내부저항이 대단히 큰 측정기를 사용하지 않는 것이 좋다.

본 실험에서는 이와 같은 전압계의 내부저항에 의한 측정오차를 다루었으니 실험시 유의하기 바란다.

3. 실험장치

 4. 주의 사항(필독)

5. 실험절차 및 측정할 것

 그림6.

 (1) 그림 6의 회로에서 R₁과 R₂에 준비된 저항을 연결하여 회로를 구성한 뒤, 직류전압 I₀, I₁, I₂를 측정하여 결과 테이블을 만들것. 이때 직류전압 공급장치의 출력전압 확인은 이 장치에 붙어 있는 전압계로 하지 말고, 주어진 전압계를 사용해야 한다.

그림7.

(2) 그림 7회로에서 R₁, R₂, R₃에 저항을 연결하여 회로를 구성한 뒤, 직류전압을 조정하여 V₀, V₁, V₂, V₃를 측정하여 결과 테이블을 만들것.

그림8.

(4) 그림8회로에서 R_x 에 저항의 종류를 바꾸어가면서 전류계 및 전압계의 값을 정리하여 테이블로 만들것.

5. 고찰사항

1. 전류계와 전압계의 내부저항과 측정오차와의 관계를 생각하여 보라.

2. 실제 회로상에서 회로의 고장 유무를 확인하고자 할 경우 전류측정과 전압측정중 어느방법이 유리한가?

수고하셨습니다. 실험이 끝난 후 반드시 Power Supply의 전원을 off시키고 또한 테이블 위에 있는 저항은 tray에 가지런히 넣어주시고 측정장비는 테이블위에 가지런히 정리해주세요.