전류측정방법
개요
전기 전류는 전하의 흐름을 의미합니다. 전기 전류의 국제 단위는 암페어 (A)이며, 이는 1초당 1 쿨롬 전하의 흐름과 동일합니다.
전류 측정에는 여러 방법이 있지만 가장 보편적인 방법은 정밀 저항기의 전압을 측정하고 옴의 법칙을 사용하여 저항기의 전류를 측정하는 간접 측정법을 수행하는 것입니다.
전류의 기본사항
고체의 전도성 금속에서 많은 양의 전자는 이동 가능하거나 자유롭게 움직입니다. 금속 와이어가 배터리와 같은 DC 전압 소스의 두 극에 연결되면 소스는 도체에 전기장을 만듭니다. 연결이 되면 도체의 자유전자는 자기장의 영향하에 있는 (+)극으로 움직이게 됩니다.
따라서 자유전자는 일반 고체 도체에서 전류의 운반원 역할을 합니다. 1 암페어 전기 전류의 속도를 위해, 1 쿨롬의 전하량 (6.242 × 1018 전자)은 매초마다 도체가 통과하는 가상의 평면을 거쳐 흐릅니다.
기존의 전류에 대한 기록: 전하량은 전원 소스의 (+)에서 (-)로 흐릅니다.
전기 과학 역사의 초창기 때만해도 전류는 양성 전하의 흐름으로 정의되었습니다. 와이어와 같은 고체 금속에서 양극의 전하는 움직이지 않고 음극의 전하량만 움직입니다. 전자는 음 전하를 운반하기 때문에 전자 전류는 기존의(또는 전기) 전류와 반대 방향으로 흐릅니다.
전기 회로에서 특정 회로를 통해 흐르는 전류의 실제 방향은 보통 알려져 있지 않습니다. 따라서 각 회로에는 임의로 선택된 기준 방향이 있는 전류 변수가 할당됩니다. 회로의 전류는 (+) 또는 (-)값을 가지게 되는데, (-)값의 의미는 회로 요소를 통한 전류의 실제 방향이 선택된 기준 방향과 반대라는 뜻입니다.
전류 측정 방법
전류 측정 방법
전류를 측정하는 방법에는 두 가지, 즉 (1) 전자기학에 기반한 초기의 가동 코일(d’Arsonval) 미터 방식, (2) 전기학의 주요 이론인 옴의 법칙에 근거한 방법이 있습니다.
D’Arsonval 미터/검류계
전류계의 한 종류인 d’Arsonval 미터는 전기 전류를 감지하고 측정하기 위한 계측기이며 흐르는 전기 전류에 대한 반응으로 회전 굴절을 생성하는 아날로그 전자기계 트랜스듀서입니다.
현재 사용되는 d’Arsonval 형태는 영구 자석 자기장의 소형 피벗 코일 와이어로 구성됩니다. 코일은 교정된 스케일을 통과하는 얇은 포인터에 부착되어 있습니다. 매우 작은 비틀림 스프링 (torsion spring)이 코일 및 포인터를 영점으로 가져갑니다.
직류 (DC)가 코일을 따라 흐르면 코일에 자기장이 생성됩니다. 본 자기장은 영구 자석에 반대로 작동합니다. 일정한 자기장을 유지하기 위해서는 각 극을 신중하게 설계해야 합니다. 이를 통해서만 포인터 각의 휘는 정도가 전류와 비례하게 됩니다.
다른전류계
현재 사용되는 대부분의 전류계는 전기의 기본 원리인 옴의 법칙에 기반합니다. 현대식 전류계는 기본적으로 정밀 저항기가 있는 전압계이며, 옴의 법칙을 사용하여 정확하면서도 비용 효율적인 측정을 진행할 수 있습니다.
옴의 법칙 – 전기 회로에서 옴의 법칙은 두 지점간의 도체를 통과하는 전류가 두 지점의 전위차 (즉 전압 강하 또는 전압)에 직접 비례하며, 두 지점간의 저항에 반비례합니다.
본 관계를 설명하는 수학적 공식은 다음과 같습니다.
I = V/R
I는 암페어로 나타내는 전류이며, V는 두 지점간의 전압 차이이고, R은 암페어로 측정되는 회로 파라미터 (암페어당 볼트와 동일)로써 저항이라고 불립니다.
전류계 작동 – 현재, 전류계는 특정 신호에서 전류를 측정하기 위한 내부 저항을 갖고 있습니다. 그러나 내부 저항이 대형의 전류를 측정하기에 충분하지 않을 경우 외부 구성이 필요합니다.
대형의 전류를 측정하기 위해서는 미터와 병렬인 분로(分路, shunt) 즉, 정밀 저항기가 필요합니다. 대부분의 전류는 분로를 통해 흐르고 작은 부분만이 미터를 통해 흐릅니다. 이로 인해 대형의 전류를 미터로 측정할 수 있게 됩니다.
최대 전류와 저항을 곱한 값이 전류계 또는 데이터 수집 디바이스의 입력 범위를 초과하지 않는 한 어떤 저항기도 사용 가능합니다.
본 방식으로 전류를 측정할 때에는 가능한 한 최소값 저항기를 사용해야 합니다. 이 경우 기존 회로에 최소의 간섭만을 유발할 수 있기 때문입니다. 그러나 더 작은 저항일수록 더욱 작은 전압 강하를 유발하기 때문에 해상도와 회로 간섭간 조정이 필요합니다.
그림 1은 분로 저항기의 일반적인 전류 측정 회로도를 나타냅니다.
그림 1. 측정에 분로 저항기 연결
본 방식을 사용할 경우, 전류는 전류계/데이터 수집 보드에 직접 연결되지 않고 외부 분로 저항기를 통해 연결됩니다. 측정 가능한 최대 전류는 분로 저항기의 전압 강하가 전류계/데이터 수집 보드의 작동 전압 범위를 초과하지 않는다는 가정하에 이론상 제한이 없습니다.
전류에 관한 협약
약정전류(Conventional Currents)
약정 전류는 현재의 전자, 전기 회로, 전송선 등에 보편적으로 사용되는 전류 측정을 의미합니다. 본 전류는 전송 표준을 따르지 않으며, 범위는 0에서부터 큰 값의 전류량에 이르는 범위를 가집니다.
전류루프/4-20 mA 협약
아날로그 전류 루프는 디바이스가 한 쌍의 도체에서 원격 모니터 또는 컨트롤되어야 하는 디바이스에서 다목적으로 사용됩니다. 단 한가지의 전류 레벨만이 항시 나타납니다.
“4~ 20 밀리암페어 전류 루프,” 즉 4-20 mA는 산업 계측 및 통신에 표준인 아날로그 전기 전송 표준입니다. 이 신호는 4 mA가 0퍼센트의 신호를 나타내고, 20 mA는 100 퍼센트의 신호를 나타내는 전류 루프입니다. [1] “mA”는 밀리암페어의 약자로, 1 암페어의 1/1000입니다.
4 mA의 “0”으로 데이터를 수신하는 계측은 0 신호와 깨진 와이어를 구분할 수 있고 무용한 인스트루먼트를 구분할 수 있습니다. [1] 1950년대에 개발된 본 표준은 현재까지도 업계에서 통용되고 있습니다. 4-20 mA 협약을 사용하는 장점으로는 광범위한 업계의 제조업자들이 사용한다는 점을 들 수 있고, 구축 비용이 상대적으로 저렴하며, 여러 형태의 전기 노이즈를 제거하는 능력을 들 수 있습니다. 또한 루프에서 낮은 전력의 인스트루먼트에 직접 전원 공급함으로써 추가 와이어 비용을 절약할 수 있습니다.
정밀도 고려사항
회로에서 분로 저항기의 배치는 중요합니다. 외부 회로가 전류계/데이터 수집 보드를 포함한 컴퓨터와 함께 공통 접지를 공유한다면 분로 저항기를 회로의 접지에 가능한 한 가까이 배치할 수 있습니다. 그렇지 않을 경우, 분로 저항기에 의해 생성되는 동위상 전압은 전류계/데이터 수집 보드용 스펙의 외부에 있을 수 있으므로 부정확한 데이터 수집이나 심지어 보드에 손상을 줄 수 있습니다. 그림 2는 분로 저항기의 정확한 배치 및 부정확한 배치를 나타냅니다.
그림 2. 분로 저항기 배치
데이터 수집 디바이스 측정
아날로그 입력 측정에는 세 가지 다른 방식이 있습니다. 각 구성에 대한 추가 정보를 위해 “전압 측정 방법"을 참조하십시오.
한 예로, NI CompactDAQ USB 데이터 수집을 들 수 있습니다. 그림 3은 NI CompactDAQ 섀시 및 NI 9203 아날로그 전류 입력 모듈입니다. NI 9203은 내부 정밀 저항기가 있기 때문에 외부 분로 저항기를 요구하지 않습니다.
그림 3. NI CompactDAQ 섀시 및 NI 9203 아날로그 전류 입력 모듈
그림 4는 NI 9203 및 모듈용 핀아웃이 있는 NI cDAQ-9172 섀시를 사용한 Reference Single-Ended (RSE) 전압 측정 연결 다이어그램입니다. 그림에서, 핀 0은 “아날로그 입력 0” 채널에 해당하고 핀 9는 공통 접지에 해당합니다.
그림 4. RSE 구성에서 전류 측정
NI 9203뿐만 아니라, NI 9205와 같은 범용 아날로그 입력 모듈은 외부 분로 저항기를 사용하여 전류 입력 기능을 제공합니다.
측정결과보기: NI LabVIEW
센서를 측정 인스트루먼트에 연결하면 그래픽 기반 프로그래밍 소프트웨어인 LabVIEW를 사용하여 필요한 분석을 시각화하고 분석할 수 있습니다.
그림 5. LabVIEW를 이용한 전류 측정
참조
Bolton, William (2004). Instrumentation and Control Systems. Elsevier. ISBN 0750664320.
권장 하드웨어 및 소프트웨어
전류 관련 웹 세미나, 튜토리얼 및 기타 리소스
참고
아답터에 적혀 있는 정격출력이라는 것은 정상적 상태의 출력 또는 전원의 품질을 보장 가능한 범위에서의 허용한도 입니다.
그런데 일반적으로 아답터 같은 것은 전압원으로 작동하다보니 전압은 정격전압이 나오지만 출력 전류는 부하에 따라 정격출력 이하의 전류가 나오게 됩니다. 따라서 제품의 아답타에 기록된 출력 전류의 전류가 항상 공급되고 있다고는 볼 수 없습니다.
통상 아덥터의 정격전류에 대해 제품이 요구하는 전류가 70% 미만 수준이 되도록 합니다.
베터리 또한 전압원으로 작동하기 때문에 베터리의 출력전류가 정격 얼마~ 이런것은 없습니다.
전류라는 것은 전압원의 전압에 대해 부하가 주어지면 옴의 법칙에 의해 요구되는 만큼의 전류가 흐르도록 되어 있을뿐입니다. 즉, 부하가 크면(부하저항이 작으면) 전류가 많이 흐르고, 부하가 작으면(부하저항이 크면) 전류는 적게 흐릅니다.
그런데 베터리는 화학적 형태로 에너지를 저장하고 있다가 필요시 에너지를 밖으로 내 보내게 되는데 그것이 전류이고요.
그럼 그 에너지를 얼마나 많이 담고있을까 하는 것이 관심거리가 되겠죠. 다르게 말하면 담고 있는 에너지는 유한 한데, 밖으로 방출을 한번에 많이 하면(큰 전류를 흘리면) 얼마가지 않아 용량고갈로 베터리 수명이 몇분만에 끝날 수도 있고 적은 양을 방출하면(작은 전류를 흘린다면) 오래도록 사용할 수 있을 것 입니다.
또 다른 한편으로 베터리에도 내부저항이라는 것이 있어서 한번에 큰 전류를 흘리면 내부저항이 소모하는 에너지로 인해 발열을 하게 됩니다. 아주 뜨겁게 달아 오를수도 있습니다. 아무튼 베터리가 밖으로 보낼수 있는 전류는 정해져 있다기 보다 부하에 따라 전압의 상관 관계(옴의 법칙)에 의해 요구되는 만큼의 전류가 나오게 됨으로 베터리가 전류를 얼마 만큼 내 보낼 수 있을것인가 하는 것을 측정하는 것은 의미없습니다. 오히려 베터리의 전류용량(에너지를 담고 있는 용량)이 중요한데 그 용량을 직접 측정해 볼 수 있는 방법은 없습니다.
이미 위에서 설명했지만 건전지로 1A 를 어떻게 만들것인가 하는 것 자체는 걱정하지 않아도 됩니다. 그것은 전압에 따른 부하가 1A를 요구하면 그냥 자연법칙에 의해 1A 가 흐르도록 되어 있습니다. 단지 관심 기울여야 하는 것은 베터리의 전류용량과 발열 문제이죠.
그래서 에너자이저 건전지 중 AA 형 1.5V 알카라인 건전지의 Data sheet를 찾아 보면..... 건전지에서 500mA로 전기를 뽑아 쓰면 그당시 베터리의 유효용량은 약 1500mAh로 나타나 있네요. 즉, 500mA로 뽑아 연속사용하면 약 3시간 사용하면 베터리 앵꼬 난다는 뜻입니다. 달리 약 250mA로 뽑아사용하면 2000mAh 즉, 약 8시간 사용. 100mA 이면 2500mAh로 25시간 사용할 수 있겠네요.
25mA로는 약 112시간 그러니깐 연속으로 4일하고도 16시간 더 사용할 수 있겠네요. 그럼 추가로 설명을 쫌 더 드리자면.... 만약 1.5V 건전지로 112시간 사용하도록 해서 AA 건전지를 연결한다면, 112시간 사용하도록 하기위해 개별 건전지에서는 25mA 가 나오도록 해야 하니 그렇다면 1A 만들려면 40개를 병렬 연결해주면 전체적으로 1A 뽑아 사용한다 할때 112시간 사용할 수 잇게 됩니다.
테스터기를 건전지에 그대로 물리는 행위는 해서는 안돼요!
테스터기의 전류계는 저항이 거의 0 (영) 입니다. 건전지에 바로 연결하면 건전지가 쇼트 상태가 되어 건전기에서 허용가능한 최대의 전류가 한번에 흐르게 되고 그렇게 되면 위에서 이미 설명 드렸듯이 건전지가 심하게 발열을 하면서 담고 있던 에너지를 순식간에 고갈하게 되서 베터리 수명이 그 자리에서 빛도 한번 못보고 끝이 나게 됩니다