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전압계

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목차

1. 개요

전압계는 전기 회로의 전압을 측정하는 데 사용되는 계기이다. 아날로그 전압계는 움직이는 코일형 검류계에 저항을 직렬로 연결하여 제작되며, 정전형 전압계는 정전 원리를 이용한다. 증폭 전압계는 입력 전압을 증폭하여 측정하며, 디지털 전압계(DVM)는 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 디지털 방식으로 전압을 표시한다. 전압계는 회로에 병렬로 연결하여 사용하며, 직류 전압 측정 시 극성에 주의해야 한다. 전압계는 배터리 성능 검사, 전원 공급 장치 점검 등 다양한 분야에 활용된다.

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전압계
전압계
아날로그 전압계
아날로그 전압계
종류아날로그 전압계
디지털 전압계
측정 대상전압
작동 원리전류가 흐르는 도선 주위에 발생하는 자기장을 이용
연결 방법측정하려는 두 지점 사이에서 병렬로 연결
내부 저항매우 높은 값
측정 범위마이크로볼트(μV) ~ 수백 킬로볼트(kV)
정확도사용 목적과 전압계 종류에 따라 다름
역사
최초 개발1819년 한스 크리스티안 외르스테드
개선1820년 요한 슈바이거 - 검류계 개발
1840년대 제임스 줄 - 실제적인 전압계 개발
종류별 특징
아날로그 전압계지침을 사용하여 전압을 표시
구조가 비교적 간단하고 저렴
디지털 전압계에 비해 정확도가 낮음
디지털 전압계숫자로 전압을 표시
정확도가 높고 읽기 쉬움
아날로그 전압계보다 복잡하고 비쌈
아날로그-디지털 변환기 필요
용도
일반적인 용도전자 회로의 전압 측정
다양한 분야전기 공학
전자 공학
자동차 산업
항공 우주 산업
의료 장비
연구 개발
추가 정보
주의사항전압계의 측정 범위를 초과하는 전압을 측정하지 않도록 주의
내부 저항이 매우 높기 때문에 전압계 연결 시 회로에 미치는 영향은 작음
관련 기기멀티미터
오실로스코프
전류계

2. 종류

전압계는 크게 아날로그 전압계, 증폭 전압계, 디지털 전압계로 분류할 수 있다.

아날로그 전압계는 코일과 자석의 상호작용을 이용하는 방식으로, 검류계에 저항을 직렬로 연결하여 만든다. 주로 직류 전압 측정에 사용되지만, 정류기를 추가하여 교류 전압을 측정할 수도 있다. 정전형 전압계는 두 개의 대전된 판 사이의 상호 작용을 이용하며, 교류 및 직류 전압 측정에 모두 사용될 수 있고, 약 100볼트 이상의 전압에 민감하다.

증폭 전압계는 입력 전압을 증폭하여 측정하는 방식으로, 더 높은 감도와 입력 저항을 제공한다. 진공관을 사용한 진공관 전압계(VTVM)나 전계 효과 트랜지스터를 사용한 FET-VM 등이 있다.

디지털 전압계(DVM)는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 입력 전압을 디지털 값으로 변환하여 숫자로 표시한다. 1954년 앤드류 케이가 최초로 발명하였다.[1]

2. 1. 아날로그 전압계

아날로그 전압계는 코일과 자석의 상호작용을 이용하여 전압을 측정하는 전통적인 방식의 전압계이다. 크게 움직이는 코일형과 정전형으로 나눌 수 있다.

이동코일형


이동철편형


직류전압계


교류전압계

  • 움직이는 코일형 전압계: 검류계에 저항을 직렬로 연결하여 만든다. 주로 직류 전압 측정에 사용되지만, 정류기를 추가하여 교류 전압을 측정할 수도 있다.
  • 정전형 전압계: 두 개의 대전된 판 사이의 상호 작용을 이용하는 방식으로, 교류 및 직류 전압 측정에 모두 사용될 수 있다. 약 100볼트 이상의 전압에 민감하다.

2. 1. 1. 작동 원리

움직이는 코일형 검류계는 계기에 저항을 직렬로 연결하여 전압계로 사용할 수 있다. 전류가 흐르면 코일의 자기장과 고정 자석의 상호 작용으로 토크가 발생하여 코일이 회전하려고 한다. 토크는 코일을 통과하는 전류에 비례한다. 코일이 회전하면 회전을 방해하는 스프링이 압축된다. 따라서 코일의 편향은 전류에 비례하고, 전류는 인가된 전압에 비례하며, 이는 눈금의 포인터로 표시된다.

계기의 설계 목표 중 하나는 회로를 최대한 방해하지 않는 것이므로, 작동에 최소한의 전류만 소모해야 한다. 이는 고저항과 함께 민감한 검류계를 사용하여 달성되며, 그런 다음 전체 계기를 검사할 회로와 병렬로 연결한다.

이러한 미터의 감도는 "옴/볼트"로 표현할 수 있으며, 이는 미터 회로의 저항값을 전체 눈금 측정값으로 나눈 값이다. 예를 들어, 감도가 1000옴/볼트인 미터는 전체 눈금 전압에서 1밀리암페어를 소모한다. 전체 눈금이 200볼트라면 계기 단자의 저항은 200000옴이고 전체 눈금에서 미터는 시험 중인 회로에서 1밀리암페어를 소모한다. 다중 범위 계기의 경우, 계기가 다른 범위로 전환될 때 입력 저항이 달라진다.

영구 자석장을 가진 움직이는 코일 계기는 직류에만 반응한다. 교류 전압 측정에는 코일이 한 방향으로만 움직이도록 회로에 정류기가 필요하다. 일부 움직이는 코일 계기는 눈금의 한쪽 끝이 아닌 중앙에 영점이 있는 것도 있다. 이러한 계기는 전압의 극성이 반전되는 경우 유용하다.

정전 원리로 작동하는 전압계는 스프링에 부착된 포인터를 편향시키기 위해 두 개의 대전된 판 사이의 상호 반발을 이용한다. 이러한 유형의 계기는 무시할 만한 전류를 소모하지만 약 100볼트 이상의 전압에 민감하며 교류 또는 직류로 작동한다.

기본적인 구조는 전류계와 같지만, 회로에 저항이 있기 때문에 일정 전류가 흐르면 옴의 법칙에 따라 구해진 전압을 측정할 수 있는 구조이다. 이동코일형의 구성 부품은 영구자석, 코일, 그리고 지침이다. 이동철편형의 구성 부품은 이동철편, 고정철편, 그리고 지침이다.[1]

직류 전압을 측정하는 데 사용되는 가동코일형(Moving-Coil Type)은 영구자석과 코일로 구성된다. 또한, 편향각은 전류에 비례하므로 눈금은 등눈금이 된다.[2]

교류 전압을 측정하는 가동철편형(Moving-iron Type)은 매우 간단하고 견고하며 저렴하여 상용전원 주파수 정도(45~65Hz)의 교류전압을 측정하는 데 널리 사용된다. 원래는 실효값의 제곱에 비례하여 바늘이 움직이지만, 고정철편의 형태를 개량함으로써 정격의 10~20% 이상은 거의 등분할 눈금으로 할 수 있다.[3]

2. 1. 2. 장단점

아날로그 전압계는 전류계와 기본적인 구조는 같지만, 회로에 저항이 있어 일정 전류가 흐르면 옴의 법칙에 따라 전압을 측정할 수 있다. 영구자석, 코일, 지침으로 구성된 이동코일형과 이동철편, 고정철편, 지침으로 구성된 이동철편형이 있다.

움직이는 코일형 검류계는 강한 자기장에 매달린 가는 전선 코일에 전류가 흐르면 코일의 자기장과 고정 자석의 상호 작용으로 발생하는 힘(토크)을 이용한다. 이 힘으로 코일이 회전하면 회전을 방해하는 스프링이 압축되고, 코일의 편향은 전류에 비례하며, 이는 다시 인가된 전압에 비례하여 눈금의 포인터로 표시된다.

이러한 계기는 회로에 미치는 영향을 최소화하기 위해 작동에 최소한의 전류만 소모해야 한다. 따라서 고저항과 민감한 검류계를 사용하여 회로와 병렬로 연결한다. 계기의 감도는 "옴/볼트"로 표현되며, 이는 미터 회로의 저항값을 전체 눈금 측정값으로 나눈 값이다. 예를 들어, 감도가 1000옴/볼트인 미터는 전체 눈금이 200볼트일 때, 계기 단자의 저항은 200000옴이고, 회로에서 1밀리암페어를 소모한다.

영구 자석장을 가진 움직이는 코일 계기는 직류에만 반응하므로, 교류 전압 측정에는 정류기가 필요하다. 일부 움직이는 코일 계기는 눈금 중앙에 영점이 있어 전압의 극성이 반전되는 경우에 유용하다.

정전형 전압계는 두 개의 대전된 판 사이의 상호 반발을 이용하여 포인터를 편향시킨다. 이 유형은 무시할 만한 전류를 소모하지만 약 100볼트 이상의 전압에 민감하며 교류 또는 직류에서 작동한다.

2. 2. 증폭 전압계

증폭 전압계는 입력 전압을 증폭하여 측정하는 방식으로, 더 높은 감도와 입력 저항을 제공한다. 입력과 미터 사이에 전자 증폭기를 사용하여 감도가 높을 필요가 없으므로 견고한 이동 코일 계기(moving coil instrument)를 사용할 수 있고, 입력 저항을 높게 만들어 시험 중인 회로에서 끌어오는 전류를 줄일 수 있다. 증폭 전압계는 종종 선택된 범위와 무관하게 1, 10 또는 20메가옴의 입력 저항을 갖는다.

한때 인기 있었던 진공관 전압계(VTVM)는 증폭기 회로에 진공관을 사용하며, 거의 항상 지역 AC 전원에 의해 구동되었으므로 휴대성이 좋지 않았다. 오늘날에는 전계 효과 트랜지스터를 사용하는 고체 증폭기를 사용한 FET-VM이 사용되며, 휴대용 디지털 멀티미터뿐만 아니라 벤치 및 실험실 계기에도 나타난다. 이들은 가장 저렴한 가격대를 제외하고는 증폭되지 않은 멀티미터를 대체했다.

대부분의 VTVM과 FET-VM은 DC 전압, AC 전압 및 저항 측정을 처리하며, 최신 FET-VM은 전류 측정 및 기타 기능도 추가한다. VTVM 또는 FET-VM의 특수한 형태는 AC 전압계인데, 이들은 AC 전압 측정에 최적화되어 있어 일반적인 다기능 장치보다 훨씬 더 넓은 대역폭과 더 나은 감도를 갖는다.

전자식 전압계


교류 전압의 실효값을 넓은 주파수 대역 및 넓은 전압 범위에서 측정할 수 있는 장치이다. 발볼(バルボル)은 진공관 전압계(vacuum tube voltmeter, VTVM)의 속칭이다.[3] 또한 밀리발(ミリバル)은 밀리볼트 발볼의 속칭으로, 미소 전압 측정을 위한 측정기이다.

2. 3. 디지털 전압계

'''디지털 전압계'''(DVM)는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 입력 전압을 디지털 값으로 변환하여 숫자로 표시하는 장치이다. DVM의 측정 정확도는 온도, 입력 임피던스, 전원 전압 변동 등 여러 요인의 영향을 받는다. 정밀 DVM은 높은 입력 저항을 가지며, 전압 표준을 사용하여 주기적으로 보정해야 한다.[1]

두 개의 디지털 전압계. 두 측정값 사이의 40마이크로볼트 차이를 보인다.

2. 3. 1. 역사

최초의 디지털 전압계는 1954년 앤드류 케이 (후에 케이프로의 설립자)가 발명하고 생산했다.[1]

2. 3. 2. 특징

디지털 전압계(DVM)는 입력 전압을 디지털 값으로 변환하여 숫자로 표시함으로써 전압을 측정한다. DVM은 보통 적분 변환기라는 특수한 아날로그-디지털 변환기를 기반으로 설계된다.

DVM의 측정 정확도는 온도, 입력 임피던스, 전원 공급 전압 변동 등 여러 요인의 영향을 받는다. 저렴한 DVM은 대개 10 MΩ 정도의 입력 저항을 가지며, 정밀 DVM은 더 낮은 전압 범위(예: 20V 미만)에서 1 GΩ 이상의 입력 저항을 가질 수 있다. DVM의 정확도가 제조사가 지정한 허용 오차 안에 있는지 확인하려면 전압 표준 (예: 웨스턴 전지)을 사용하여 주기적으로 보정해야 한다.[1]

최초의 디지털 전압계는 1954년 Non-Linear Systems의 앤드류 케이(후에 케이프로의 설립자)가 발명하고 생산했다.[1]

간단한 AC 전압계는 DC 측정 회로에 정류기를 연결하여 사용하며, 파형의 평균값에 반응한다. 계기는 정류된 파형의 평균값과 RMS 값 사이의 고정된 관계를 가정하여 파형의 실효값을 표시하도록 보정할 수 있다. 파형이 정현파에서 크게 벗어나는 경우 계기는 부정확하지만, 간단한 파형의 경우 상수 계수를 곱하여 판독값을 보정할 수 있다. 초기 "진정한 RMS" 회로는 파형의 RMS 값에만 반응하는 열 변환기를 사용했다. 최신 기기는 입력 값의 제곱을 전자적으로 계산하고 평균을 취한 다음 값의 제곱근을 계산하여 RMS 값을 계산한다. 이를 통해 다양한 파형에 대해 정확한 RMS 측정이 가능하다.[2]

SPI 버스 연결 예시


최근에는 범용 16비트 ADC가 사용된다. IC 내부에는 입력 멀티플렉서(multiplexer), 프로그래머블 게인 증폭기(PGA), 아날로그-디지털 변환 회로(ADC)와 이들을 제어하고 마이크로컨트롤러(MCU) 등과의 통신을 담당하는 제어 통신부로 구성된다.

아래는 MCU를 이용한 전압값 획득 예시(C언어 코드)이다. 핀 할당, 기준 전압, PGA 설정, 샘플링 속도 등을 지정한 후 1초마다 전압값을 컴퓨터로 전송하는 소프트웨어이다.

```c

SPI spi(p5, p6, p7); // mosi(out), miso(in), sclk(clock)

DigitalOut cs(p8); // cs (the chip select signal)

Serial pc(USBTX, USBRX);

int main() {

spi.format(8,1); //(bits, mode) (mode1 (CPOL=0, CPHA=1)

spi.frequency(1000000); //1MHz

wait_ms(20);//Delay for minimum of 16ms to allow power supplies to settle and power-on reset to complete.

cs = 0;// Select the device by seting chip select low

wait_ms(1);//Delay for minimum of tsccs(=10ns)

spi.write(0x06);//reset

wait_ms(1);//Delay for minimum of 0.6ms

spi.write(0x16);//SDATAC: Stop read data continuous mode.

wait_ms(1);

//WREG: Write to register rrrr

spi.write(0x40);//WREG, MUX0

spi.write(0x00);//

spi.write(0x01);//AIN0 = + , AIN1 = -

wait_ms(1);

spi.write(0x42);//System Control Register0

spi.write(0x00);//

spi.write(0x30);//Internal Reference is always on. & Internal Reference selected.

wait_ms(1);

spi.write(0x43);//System Control Register0

spi.write(0x00);//

spi.write(0x12);//PGA=2, Data Output Rate = 20SPS

wait_ms(1);

spi.write(0x04);//SYNC: Synchronize ADC conversions.

wait_ms(1);

cs = 1;

while(1) {

cs = 0;

spi.write(0x12);//RDATA: Read data once.

wait_ms(1);

unsigned char Volt_hex1 = spi.write(0xff);

unsigned char Volt_hex2 = spi.write(0xff);

unsigned short Volt_hex = (Volt_hex1 << 8) | Volt_hex2;

float Volt = (float)Volt_hex / 0x7fff; //0 ~ 1.024V

cs= 1;

pc.printf("%f\r", Volt);

wait(1);

}

}

```

표시부를 LCD나 7세그먼트 디스플레이로 교체하면 디지털 패널 미터로 완성할 수 있다.

3. 사용 방법

전압계는 내부 전기 저항이 큰 측정기이며, 측정하고자 하는 회로의 두 지점에 병렬로 연결한다.

직류 전압을 측정할 때는 전류 제한용 큰 저항과 가동 코일형 계기를 연결하여 흐르는 미세한 전류로 무빙 코일(전자석)을 움직여 전압을 측정한다.

측정 범위를 넓히기 위해 직류에서는 배율기를 사용하고, 교류에서는 계기용 변압기를 사용한다.

교류 전압을 측정할 때는 정류기와 직류용 계기를 함께 사용하기도 한다.

4. 응용

계기판에 전압계가 장착된 자동차(마세라티)의 모습


자동차나 오토바이 중 일부 차종에는 배터리 성능을 모니터링하기 위해 계기판 등에 전압을 디지털 또는 아날로그 미터로 표시하거나, “정상”, “부족”, “점검 필요” 등의 추상적인 표시를 하는 전압계가 달려 있기도 하다. 그러나 계기판의 정확도만으로는 부족하여 경고등으로 대체하는 경우가 많다.

참조

[1] 뉴스 Andrew Kay, Pioneer in Computing, Dies at 95 https://www.nytimes.[...] New York Times 2014-09-05
[2] 웹사이트 What is RMS Voltage https://www.electric[...] 2021-06-21
[3] 서적 오디오용 측정기 : 해설과 제작 (출판사 정보 없음. 추후 추가 필요)


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