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[Contest #4-1] Smart meter 전류-전압 변환 회로로 전류 측정하기. 본문

Edward's Story/컨테스트

[Contest #4-1] Smart meter 전류-전압 변환 회로로 전류 측정하기.

Eddy 2017.06.09 17:44
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안녕하세요.


Smart meter를 제작하기 위해서 먼저 전류 부터 측정하는 것을 만들어보려고 합니다.


전류를 측정하는 방법에는,

1. Shunt 저항을 이용하여 측정하는 방법. (저항 양단의 전압을 측정하여 전류 값 산출)

2. 전류 - 전압 변환 회로를 이용하여 측정 하는 방법. (전류 값을 읽어 전압으로 변환)

3. 저항을 이용하여 측정하는 방법. (옴의 법칙을 이용해 전류 값을 저항값과 계산하여 전압이 출력)


이렇게 3가지가 있습니다.


이 중 가장 먼저, 전류-전압 변환 회로를 이용하여 전류를 측정해보려고 합니다.


그래서 우선, Google에서 전류 - 전압 변환 회로를 찾아보고, 이를 OrCAD Pspice로 실험을 해보았습니다.

회로는 아래와 같습니다.

전원은 ISIN (전류 사인파 출력)을 사용했으며, U1A는 전류 - 전압 변환 OP amp 회로 입니다.

그리고 U1B는 반전 증폭기로 사용했습니다.


시뮬레이션 그래프는 Time Domain으로 설정하여 0초부터 100ms(0.1s)까지의 그래프를 확인하려고 했습니다.


위 파형이 결과 파형입니다.

근데, 증폭이 안됩니다..


제가 원하는 이론적인 동작이 나오지 않는데요.

그래서 디버깅을 해보려고 합니다.


보통 전류 - 전압 변환 회로의 경우, uA ~ nA 단위의 미소 전류를 측정하기에 적합한 회로입니다.

그래서 누설 전류 측정이라던지, 포토다이오드의 전류를 측정할 때 많이 사용합니다.

포토 다이오드의 전류 측정 방법이 궁금하다면, 아래 링크 참조해주세요.

http://cafe.naver.com/circuitsmanual/194871



안되는 이유는 전원을 생성하지 않았습니다..

아래 회로 처럼, 전원 15V, -15V를 추가하였습니다.


위에는 그래프인데, 증폭이 안나오네요..

이상하네요. 

U1B의 값을 변경하니깐 증폭은 되는 것으로 보입니다.


근데, ISIN으로 인해 전류 사인파가 입력되면 전압도 사인파로 출력해야 하는데, DC 처럼 되어 있네요.


찾아보니깐.. 아마도 2가지 문제일 것 같습니다.


1. OrCAD는 저항의 M(메가) 단위가 다르다.

2. 시뮬레이션 레인지가 크다.


정확하게 OrCAD에서 M(메가) 단위를 어떻게 표현해야하는지는 잘 모르겠지만, 저항을 10000k로 변경하니깐 회로 파형이 변합니다.

(아래 회로와 파형)

그리고 시뮬레이션 레인지가 너무 크게 봐서 DC처럼 보이는 것일 수도 있죠...


10M -> 10000k로 변경하니깐 파형이 바로 다른 것 보이시죠..??ㅎㅎ




또... 문제는 0을 기준으로 사인파가 출력되는 것이 아닙니다..

신호가 다 제각각으로 출력되네요....

그래서 또 이것저것 만져보면서 저항 값을 바꿔줍니다..


OP amp의 증폭률을 결정하는 것은 "저항"입니다. 따라서, 저항을 변경해보고, 입력되는 전류도 변경해봅니다.

저항 값을 10000k -> 100k 로 변경 하고, 전류 인가 값을 100nA -> 100uA 로 변경하니깐, 0을 기준으로 한 사인파가 출력되었습니다.



근데... 제일 큰 문제점이 한 가지 있습니다.


이 제품을 양전원으로 사용하지 않습니다.

왜냐하면, 전류 값을 전압 값으로 바꾸고 이를 MCU의 ADC를 이용하여 측정할 것이기 때문입니다.

MCU의 경우 0 ~ 3.3V or 5V 로 동작하기 때문에, (-)전압을 측정할 수 없습니다.

따라서 회로를 단전원으로 변경합니다.

U1A, U1B에 있는 15V는 오타입니다. 5V로 동작시킨 것입니다.

위와 같은 파형이 출력됩니다.

이 파형을 분석해보자면,

처음 ISIN으로 부터 전류가 나오고, 이와 같이 분홍색 파형이 U1A OP amp로 입력됩니다.

그리고 이 신호가 U1A를 통해 반전되어 출력됩니다. (초록색)

그런데, 보라색 파형이 이상합니다.. 왜그러냐하면, 자주색 파형의 (-)부분이 반전하여 초록색이 되고, 

또 초록색 부분의 (-)부분이 (정확히는 0V에 가까운) 반전되어 보라색 파형이 나온 것입니다.


이렇게 되면, 반전 증폭기를 사용하는 의미가 없어집니다.

따라서, 반전 증폭기를 제거하고 15V를 5V로 바꿔서 다시 시뮬레이션을 해보겠습니다.


증폭기를 제거하고 측정한 파형입니다.


지금 파형을 보니깐.. 이 상태로는 사용을 하지 못하겠네요.

왜냐하면, ISIN으로 부터 측정된 데이터가(자주색) OP amp로 들어가는데, 반전으로 출력되는데요.(초록색)

가장 필요한 자주색 데이터 자체가 이미 OP amp로 인해 반전되어 버리면 실제 데이터가 없어져 버립니다..

그래서 의미가 없는 데이터가 되는 것이죠.


따라서 2가지 결정이 필요합니다.

1. 전류 - 전압 변환 회로를 OP amp(+) 단자인 비반전으로 구성한 회로를 찾을 것인가.

2. 다른 방안을 찾아 보든가..


전류 - 전압 변환 회로 중 비반전 단자로 하는 건 안보이네요...


결론은 다른 수단으로 대체해야 할 것 같습니다.

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