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Edward's Story/컨테스트

[Contest #4-2] 저항을 이용하여 전류 측정하기

Eddy 2017.06.09 17:49
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안녕하세요.

저번에 실험한 이후로 전류- 전압 변환 회로는 사용을 못하니깐, 저항을 이용하여 측정하는 방법을 이번에 시행해보려고 합니다.


이전에 말했다시피, 전류를 측정하는 방법에는 아래 3가지 방법이 있습니다.

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)


여기서 3번 저항을 이용하여 측정하는 방법에 대해 알아보겠습니다.




저항을 이용하여 측정하여 사용하는 방법은 다음과 같다.

CT(전류 센서)에 병렬로 저항을 부착하여, CT로 부터 입력되는 전류를 저항을 통해 전압으로 변환하여 사용한다.

전압으로 변환된 신호를 비반전 증폭기를 이용하여 전압 증폭을 하게 된다. (<전류 측정 회로 1>, <전류 측정 시뮬레이션 1> 참조)

<전류 측정 회로 1>

<전류 측정 시뮬레이션 1>


이 전에 전류-전압 변환 회로에서 설명했듯이, OP amp의 전원은 양전원이 아닌 단전원 (3.3V ~ 5V)으로 사용할 것이다.

사용 이유는 MCU를 사용하기 때문이다. (MCU는 0 ~ 3.3V or 5V로 동작한다.)

자세한 설명은 전류 - 전압 변환 회로 설명을 참조바란다. (아래 링크)

http://openstory.tistory.com/123




단, <전류 측정 회로 1>의 문제가 있다.


회로에서 설정한 ISIN은 0.1mA를 출력하고 있다. 그리고 이를 1k저항을 이용하여 전압으로 변환하여 사용한다.

ex) V = I R = 1mA * 1k = 1V

그리고 이 전압 신호를 OP amp의 비반전 증폭기에 넣어 신호를 증폭하게 된다. (단전원 이기 때문에 - 전압은 없어짐)


근데, 여기서 출력 전류를 1mA로만 바꾸면 시뮬레이션 결과에서 다른 그래프를 만들게 된다. 

(<전류 측정 회로2>, <전류 측정 시뮬레이션2> 참조)

 

<전류 측정 회로 2>

<전류 측정 시뮬레이션 2>


정확하게 왜 이렇게 동작하는지 이해를 못하겠다..

분명 OP amp를 단전원으로 설정하였고, 위 신호가 (-) 전원이 반전 증폭되서 직각 그래프를 만들어낸 것인지, 

아니면 시뮬레이션 Range가 안맞아서 그런 것인지 정확한 문제를 모르겠다.




그런데, 여기서 R4의 저항 값을 (1k -> 500R) 로 바꾸면 다시 신호가 원하는 대로 나오는 것을 확인할 수 있다. (아래 회로 및 시뮬레이션)

<전류 측정 회로 3>

<전류 측정 시뮬레이션 3>


다음과 같이 전류의 값이 변경될 때마다 출력 결과 값이 달라진다면, 해당 회로도는 신뢰성 있는 회로가 아니라는 뜻이 된다. 

(회로는 이미 고정되어 사용될 텐데, 전류 값이 변경될 때마다 파형이 달라진다면, 매우 위험하다.)


이 말은 다르게 말해, 입력 신호는 + , - 의 범위를 스윙하고 있다. 이 말은 OP amp 전원 범위 밖의 신호가 입력되고 있다는 의미.

그래서 단전원으로 처리해야 한다면, 콘덴서로 커플링하고 전원을 1/2로 바이어스를 걸어주어야 한다. (아래 링크 참조)

http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/avoiding-op-amp-instability-problems.html





위와 같은 이유 때문에 OP amp를 단전원용으로 바꾸어 다시 회로를 구성하기로 했다. (단전원 용 OP amp : LM358)

(<전류 측정 회로 1,2>는 전원이 양전원일 때 사용한다. 실제 양전원용 OP amp를 단일 전원으로 사용하는 경우, 여러 회로가 더 붙어야 한다.

따라서, 단일 전원용 OP amp로 변경하였다.)


단, 주의할 점은 증폭비가 조금 크면 상단이나 하단의 파형이 포화되어 버리기 때문에, 입력을 작게 인가하여 출력이 0 ~ +Vcc의 Range

안에서 얻어질 수 있도록 설계해야 한다.


그래서 수정된 회로는 아래와 같다.

<전류 측정 회로4>


<전류 측정 시뮬레이션4>


위 회로의 동작 설명을 간단하게 하면,

ISIN으로 부터 전류 값을 받아, 10R을 통해 전압 값으로 변경되고, 이를 C3의 커플링 콘덴서를 거쳐 AC 값만 전달되게 된다.

그리고 R5의 150K가 입력 임피던스로 지정되어 OP amp로 입력된다. (전압 전달 방식)

그리고 OP amp를 거쳐 나온 출력이 Feed back 되어 증폭되어 C4를 거쳐 R6의 부하로 전달된다.


여기서 C3,R5와 C4,R6은 high pass filter의 역할도 하게 된다. 그래서 컷 오프 주파수(fc)를 결정할 수 있다.

계산하면, 0.159Hz 이상 주파수 신호만 통과 가능하다는 뜻이다.


그리고 R6의 경우, 다음에 연결되는 회로의 입력 임피던스로도 활용된다.




그런데 위 회로를 사용하면, 전류 값이 더 높아도 직각 그래프가 튀어나오지 않는다.(<전류 측정 회로,시뮬레이션 2> 참조) 

측정해보니 70mA까지 괜찮았다.

근데, 70mA가 이상 올라가면 <전류 측정 회로, 시뮬레이션2>에서 받은 직각 그래프가 튀어나오기 때문에, 

만약! 집안에서 사용되는 전류량을 검출 했을 때 70mA 이상을 사용하게 된다면, 사용하기 어렵다는 뜻이 된다..



가장 먼저 선행되어야 할 것은 CT 센서 테이블을 작성하는 것이다.. CT센서의 최대 전류 측정 값을 토대로 회로를 구성하면 될 것으로 보이는데, 70mA면 부족하지 않을 까 생각이 든다..


다음 회로는 OP amp가 아닌, 기본적으로 인터넷에 많이 떠도는 회로를 가지고 검증을 해보겠다.




p.s 사용한 LM324의 경우 Datasheet를 보면 input bias current가 최대 100nA으로 표기되어 있다. 

이 말은 입력 전류가 최대 100nA가 흐른다는 말이다. 

그래서 만약 CT 전류 센서를 이용하여 LM324에 입력되는 측정 전류 값이 100nA에 근사치 값이라면, (ex)200 ~ 300nA)

CT로 부터 측정된 전류 값이 100nA와 비교가 되기 때문에 신뢰할 수 없는 값이 된다.


보통 작은 전류를 측정하는 것은 누설 전류(포토다이오드 회로)를 측정할 때 많이 사용되는데, 제작하고자 하는 것은 실제 집안에서 사용되는

전력량을 측정하는 것이니, 전류가 uA ~ mA 단위일 것이다.


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