직류 (DC) 전압 측정하기

전압 측정하기 

전압은 전기 또는 전자 회로 두 지점 사이의 전위차로, 볼트로 표시됩니다. 이는 도체에 전류를 발생시키는 전기장의 위치 에너지를 나타냅니다. 

전압을 측정하려면 측정의 기준이 되는 전압 레벨과 신호 소스를 이해해야 합니다. 전압을 측정하는 데는 접지 참조와 차동 측정이라는 두 가지 방법이 있습니다. 일반적인 신호 소스 유형으로는 플로팅 신호 소스와 접지 신호 소스가 있습니다.

두 신호 소스 모두 개별 측정 방법에 기반한 최적 연결 다이어그램을 가지고 있습니다. 신호 유형에 따라 특정 전압 측정 방법이 다른 방법보다 더 나은 결과를 제공할 수 있습니다.  아날로그 신호를 위한 필드 와이어링 및 노이즈 고려사항에 대해 자세히 알아보십시오.

측정 참조 포인트 방법

전압을 측정하는 방법에는 접지 참조와 차동 측정이라는 두 가지가 있습니다.

접지 참조 전압 측정(RSE 또는 NRSE)

 

전압 측정 방법 중 하나는 공통의 "접지" 점을 기준으로 전압을 측정하는 것입니다. 종종 이러한 "접지" 점은 안정적이고 변경되지 않으며 가장 일반적으로는 약 0V 내외입니다. 역사적으로 접지라는 용어는 신호를 땅에 직접 연결하여 전위가 0V가 되도록 보장하는 흔한 방법에서 유래했습니다. 접지 참조된 입력 연결은 특히 다음 조건을 충족하는 채널에 적합합니다.

 

• 입력 신호가 하이 레벨(1V 이상)입니다.
• 신호를 디바이스에 연결하는 도선이 3m(10ft)보다 짧습니다.
• 입력 신호가 공통 참조 포인트를 다른 신호와 공유할 수 있습니다.

접지 참조는 측정을 수행하는 디바이스 또는 측정되는 외부 신호에 의해 제공됩니다. 디바이스가 접지를 제공할 때는 이 구성을 접지 참조된 단일 종단형 모드(RSE)라고 하며, 신호가 접지를 제공할 때는 이 구성을 참조되지 않은 단일 종단형 모드(NRSE)라고 합니다.

차동 전압 측정(DIFF)

전압을 측정하는 또 다른 방법은 전기 회로의 두 개별 지점 사이의 "차동" 전압을 결정하는 것입니다. 예를 들어, 하나의 저항을 지나는 전압을 측정하려면 저항의 양쪽 끝에서 전압을 측정합니다. 전압 간의 차이가 저항을 지나는 전압입니다. 일반적으로 차동 전압 측정을 사용하면 회로의 개별 요소에 존재하는 전압을 확인할 수 있습니다. 또는 신호 소스에 노이즈가 있는 경우 이 방법을 사용할 수 있습니다.

차동 입력 연결은 다음 조건 중 하나를 충족하는 채널에 특히 적합합니다.

• 입력 신호가 로우 레벨(1V 미만)입니다
• 디바이스에 신호를 연결하는 도선이 3m(10ft)보다 깁니다
• 입력 신호에 별도의 접지 참조 포인트나 리턴 신호가 필요합니다
• 신호 도선을 놓은 곳에 노이즈가 많습니다

차동 모드에서 음의 신호는 양의 신호에 연결된 아날로그 채널을 직접 마주하는 아날로그 핀에 연결됩니다. 차동 모드의 단점은 아날로그 입력 측정 채널의 수를 절반으로 줄이는 효과가 난다는 것입니다.

신호 소스의 타입

입력 채널을 설정하고 신호를 연결하기 전, 먼저 신호 소스가 플로팅인지 접지 참조인지 확인해야 합니다.

 

플로팅 신호 소스

플로팅 신호 소스는 빌딩 접지 시스템에 연결되어 있지 않지만, 절연된 접지 참조 포인트를 갖습니다. 플로팅 신호 소스의 예로는 열전쌍, 변압기, 배터리로 동작하는 디바이스, 광학 절연기, 절연 증폭기가 있습니다. 절연 출력이 있는 계측기나 디바이스는 플로팅 신호 소스입니다. 신호에 대한 로컬 참조나 내장 참조를 지정하려면, 플로팅 신호의 접지 참조를 디바이스의 접지에 연결해야 합니다. 그렇지 않으면 소스가 공통 모드 입력 범위 밖으로 플로팅될 때 측정한 입력 신호가 변합니다.

플로팅 신호의 경우, 여러 가지 입력 옵션이 있습니다. 차동(DIFF), 단일 종단 접지 참조(RSE) 또는 단일 종단 비참조(NRSE)가 바로 그것입니다.

그림 1. 플로팅 신호 소스와 권장 입력 구성

접지 참조된 신호 소스

접지 참조된 신호 소스는 빌딩 시스템 접지에 연결되기 때문에, 측정 디바이스가 소스와 같은 전원 시스템에 플러그인 된 경우에 이미 공통 접지 포인트에 연결되어 있습니다. 빌딩 전원 시스템에 연결된 계측기 및 디바이스의 절연되지 않은 출력이 이 항목에 해당합니다. 같은 빌딩 전원 시스템에 연결된 두 계측기 사이의 접지 포텐셜 차이는 보통 1mV에서 100mV 사이입니다. 하지만 전원 공급 회로가 적절하게 연결되지 않은 경우, 이 차이는 훨씬 커집니다. 접지 신호 소스의 측정이 정확하지 않은 경우, 이 차이는 측정 에러로 나타납니다. 측정한 신호에서 이러한 접지 포텐셜 차이를 제거하려면 접지 신호 소스의 연결 방법을 따르면 됩니다.

접지된 신호의 경우, 차동(DIFF) 또는 단일 종단 비참조(NRSE)의 두 가지 입력 옵션이 있습니다. NI는 접지된 신호 소스에 단일 종단 접지 참조 입력 설정을 사용하는 것을 권장하지 않습니다.

그림 2. 입력 구성을 갖는 접지 참조 신호 소스

접지된 신호 소스 입력 구성

접지된 신호의 경우, 두 가지 입력 옵션이 있습니다. 참고: NI는 접지된 신호 소스에 단일 종단 접지 참조 입력 설정을 사용하는 것을 권장하지 않습니다.

전압 측정 고려사항 

전압을 측정할 때 고전압 측정, 접지 루프, 공통 모드 전압 및 절연 토폴로지와 같은 사항을 고려해야 합니다.

고전압 측정 및 절연

고전압을 측정할 때는 여러 가지를 고려해야 합니다. 데이터 수집(DAQ) 시스템을 선택할 때 고려해야 할 첫 번째 질문은 시스템의 안전성입니다. 고전압 측정은 장비와 테스트 대상 유닛 그리고 사용자에게 위험을 초래할 수 있습니다. 시스템의 안전을 보장하는 방법은 절연된 측정 디바이스를 이용하여 사용자와 위험한 전압 사이에 절연 처리막을 제공하는 것입니다.

측정 디바이스의 두 부분을 물리적이고 전기적으로 분리하는 방법인 절연은 전기적 절연과 안전 절연으로 분류될 수 있습니다. 전기 절연은 두 개 전기 시스템 간의 접지 경로를 제거하는 것입니다. 전기 절연을 이용하면 접지 루프를 제거할 수 있고 데이터 수집 시스템의 공통 모드 범위를 증가시키며 신호 접지 참조를 단일 시스템 접지로 레벨을 전환할 수 있습니다. 안전 절연은 인간과 위험한 전압의 접촉을 방지하기 위한 특정 요구사항 표준을 이야기하는 것입니다. 또한 고전압 및 과도 전압이 경계를 넘어 사용자가 접촉할 수 있는 다른 전기 시스템으로 전송되는 것을 방지하는 전기 시스템의 기능을 특성화합니다.

데이터 수집 시스템에 절연을 통합하면 접지 루프 방지, 공통 모드 전압 거부 및 안전 제공이라는 세 가지 기본 기능을 얻을 수 있습니다.

고전압 측정 및 절연에 대해 자세히 알아보십시오.

접지 루프

접지 루프는 데이터 수집 어플리케이션의 가장 일반적인 노이즈 소스입니다. 회로에 연결된 두 단자가 서로 다른 접지 전위에 있을 때 발생하여 두 지점 사이에 전류가 흐릅니다. 시스템의 로컬 접지는 가장 가까운 건물의 접지보다 몇 볼트 높거나 낮을 수 있으며 근처에 있는 낙뢰로 인해 차이가 수백 또는 수천 볼트까지 올라갈 수 있습니다. 이 추가 전압 자체도 측정에 심각한 오류를 유발할 수 있지만, 이로 인해 발생하는 전류는 근처 전선의 전압과 결합할 수도 있습니다. 이 에러들은 과도 신호 또는 주기 신호로 나타납니다. 예를 들어, 접지 루프가 60Hz AC 전력 라인으로 형성되면 원치 않는 AC 신호가 측정에서 주기 전압 에러로 나타납니다.

접지 루프가 있는 경우, 측정된 전압 ΔV_m은 그림 6과 같이 신호 전압 Vs와 신호 소스 접지와 측정 시스템 접지 사이에 존재하는 전위차 ΔV_g의 합입니다. 이 전위는 일반적으로 DC 수준이 아니므로 측정 값에 전력 라인 주파수(60Hz) 성분의 노이즈가 발생하는 경우가 많습니다.

그림 3. 접지 참조 시스템으로 측정한 접지된 신호 소스가 접지 루프 유발

접지 루프를 피하려면 측정 시스템에 단 하나의 접지 참조만 있도록 하고 절연된 측정 하드웨어를 사용해야 합니다. 절연된 하드웨어를 사용하면 신호 소스와 측정 디바이스 간의 경로를 제거하므로 여러 접지 사이에 어떤 전류도 흐르지 못하게 됩니다.

공통 모드 전압

이상적인 차동 측정 시스템은 양(+) 입력과 음(-) 입력 두 극 사이의 포텐셜 차이에만 반응합니다. 회로쌍의 차동 전압이 원하는 신호지만 원치 않는 신호가 차동 회로쌍의 양측에 흔히 존재할 수 있습니다. 이 전압을 공통 모드 전압이라고 합니다. 이상적인 차동 측정 시스템은 공통 모드 전압을 측정하지 않고 완벽히 제거합니다. 그러나 실제 하드웨어는 공통 전압 범위와 동상제거비(CMRR:common-mode rejection ratio) 같은 요소들이 형성한 여러 제약을 가지고 있어 공통 전압 제거 기능을 제한합니다.

공통 모드 전압 범위는 측정 시스템 접지에 대한 각 입력의 최대 허용 가능 전압 진동(swing)으로 정의됩니다. 이 제한을 지키지 않으면 측정 에러가 발생할 뿐만 아니라 디바이스 부품에 손상을 미칠 수도 있습니다.

동상제거비는 공통 모드 전압을 제거하는 측정 시스템의 기능을 나타냅니다. 보다 높은 동상제거비를 가진 증폭기는 좀 더 효율적으로 공통 모드 전압을 제거합니다.

절연되지 않은 차동 측정 시스템에서 전기 경로는 여전히 입력과 출력 사이의 회로에 존재합니다. 따라서 증폭기의 전기 특성은 입력에 적용할 수 있는 공통 모드 신호 레벨을 제한합니다. 절연 증폭기의 사용을 통해 전도성 경로는 제거되며 동상제거비는 급격히 상승합니다.

절연 토폴로지

측정 시스템을 구성할 때 디바이스의 절연 토폴로지를 이해하는 것은 중요합니다. 토폴로지에 따라 비용과 속도에 관한 여려 고려사항이 있습니다. 두 가지 일반적인 토폴로지는 채널 대 채널 및 뱅크 토폴로지입니다.

채널 대 채널

가장 탄탄한 절연 토폴로지가 채널 대 채널 절연입니다. 이 토폴로지에서 각 채널들은 서로 절연되어 있고 절연되지 않은 기타 시스템 구성요소와도 절연되어 있습니다. 또한 각 채널에는 절연된 고유의 전원 공급 장치가 있습니다.

속도를 고려한다면 여러 아키텍처를 선택할 수 있습니다. 일반적으로 채널마다 ADC를 갖춘 절연 증폭기가 더 빠르며, 그 이유는 사용자가 모든 채널에 병렬로 접근할 수 있기 때문입니다. 비용면에서 효율적이지만 다소 느린 아키텍처는 절연된 각 입력 채널을 하나의 ADC에 멀티플렉싱하는 것입니다.

채널 대 채널 절연을 이용하는 또 다른 방식은 모든 채널에 공통의 절연된 전원 공급 장치를 사용하는 것입니다. 이 경우에 증폭기의 공통 모드 범위는 프런트엔드 감쇠기가 사용되지 않는다면 전원 공급 장치의 공급 레일로 제한됩니다.

뱅크

또 다른 절연 토폴로지는 여러 채널을 뱅킹, 즉 그룹화하여 하나의 절연 증폭기를 공유하는 것입니다. 이 토폴로지에서는 채널 간의 공통 모드 전압 차가 제한되지만 채널 뱅크와 측정 시스템의 비절연 부분 간의 공통 모드 전압은 클 수 있습니다. 개별 채널은 절연되지 않지만 채널 뱅크는 다른 뱅크 및 접지와 절연됩니다. 이 토폴로지는 단일 절연 증폭기와 전원 공급 장치를 공유하기 때문에 저비용 절연 솔루션입니다.

NI 하드웨어로 전압 측정

수집 하드웨어 품질은 수집되는 전압 데이터의 품질을 결정합니다. NI는 광범위한 값의 전압을 정확하게 측정하고 제어 및 통신을 위한 전압 신호를 생성할 수 있는 다양한 전압 측정 하드웨어를 제공합니다. NI 전압 제품은 산업용이나 위험한 장소에 최적화된 옵션을 제공하며, 고전압 사용을 위한 절연 및 과전류 보호 기능을 내장할 수 있습니다.