AC 전압/전류 계기 설계: 정류에서 트루-RMS 측정까지

교류용 전자기계식 계기 무브먼트는 일반적으로 두 그룹으로 나뉩니다: 직류(DC) 설계의 변형과 AC 측정을 위해 특별히 설계된 장치들입니다.

영구자석 동코일(PMMC) 무브먼트는 AC에 직접 연결할 수 없습니다. 바늘이 매 반주기마다 진동하여 쓸모없는 플러터를 생성합니다(아래 그림 참조).

영구자석 장치는 모터처럼 인가 전압 극성이나 전류 방향에 의존합니다. AC가 인가되면 극성이 매 반주기마다 반전되어 바늘이 앞뒤로 움직입니다.

AC를 다르송발 계기 무브먼트에 통과시키면 빠르고 효과 없는 바늘 플러터 발생

다르송발 같은 DC 스타일 무브먼트를 사용하려면 AC 신호를 먼저 정류하여 DC로 만들어야 합니다. 가장 일반적인 방법은 다이오드를 사용하는 것으로, 전류 흐름의 단방향 밸브 역할을 합니다. 브리지 구성으로 배열된 네 개의 다이오드는 AC 사이클에 관계없이 계기 무브먼트를 통과하는 전류가 항상 한 방향으로 흐르게 합니다.

정류된 AC가 브리지 정류된 계기 무브먼트를 구동하여 바늘을 한 방향으로 일관되게 움직임

또는 DC 유형에 내재된 극성 민감성을 피하기 위해 AC 전용 계기 무브먼트를 설계할 수 있습니다. 일반적인 접근법은 고정 코일에 의해 활성화되는 비자화 철 베인을 사용하는 것으로, 측정된 AC 양에 의해 에너지가 공급됩니다.

철 베인 전자기계 계기 무브먼트

공기 간격으로 분리된 두 금속판 사이의 정전기 인력은 인가 전압에 비례하는 바늘 이동 힘을 생성하는 또 다른 메커니즘을 제공합니다. 이 방법은 AC와 DC 모두에 똑같이 잘 작동하지만, 힘이 일반적으로 매우 작아 무브먼트가 취약하고 교란에 민감합니다. 그럼에도 정전기 계기는 매우 높은 입력 임피던스와 외부 배율 저항 없이 큰 전압을 측정할 수 있어 고전압 AC 응용에 매력적입니다.

정전기 또는 다른 기본 계기 무브먼트를 AC용으로 캘리브레이션할 때, 직렬 연결된 "멀티플라이어" 저항이나 저항 분압기가 DC 계기 설계와 마찬가지로 사용됩니다:

멀티플라이어 저항(a) 또는 저항 분압기(b)가 기본 계기 무브먼트 범위 스케일링

분압기에 저항 대신 커패시터를 사용하면 비소산적 솔루션을 제공하여 발열을 제거합니다. 이 기술은 고전압 AC 측정에 특히 유리합니다.

용량 분압기를 사용하는 AC 전압계

본질적으로 용량적인 정전기 계기 무브먼트에는 단일 "멀티플라이어" 커패시터를 직렬로 추가하여 이동 코일 계기의 저항 멀티플라이어와 유사하게 측정 전압 범위를 확장할 수 있습니다.

정전기 계기 무브먼트는 용량 멀티플라이어를 사용하여 범위 증가 가능

DC 장에서 설명한 음극선관(CRT) 계측 접근법도 AC 전압 측정에 적합합니다. 전자빔을 화면 좌우로 쓸면서 AC 신호가 수직 편향을 구동하면, 장치는 파형 모양을 표시할 수 있습니다. 그러나 CRT는 부피가 크고 상당한 전력을 소비하며 진공 유리 구조로 인해 취약하여 실용적 사용이 제한됩니다.

전자기계 AC 계기 무브먼트는 여전히 많은 응용에서 필수적 역할을 합니다. 설계자와 사용자 모두에게 중요한 고려사항은 AC와 DC 전력을 의미 있게 비교해주는 RMS(제곱평균제곱근) 값 측정입니다.

정류된 다르송발, 철 베인, 정전기 무브먼트는 순간 신호의 평균값을 자연스럽게 제공하지만, 이 평균은 RMS와 동일하지 않습니다. 다음 표는 정현파, 구형파, 삼각파에 대한 RMS, 평균, 피크-투-피크 값의 관계를 보여줍니다:

정현파, 구형파, 삼각파의 RMS, 평균, 피크-투-피크 값

전자기계 계기가 본질적으로 평균값을 보고하므로, 설계자들은 파형이 순수 정현파라고 가정하여 "속임수"를 씁니다. 정현파에서 RMS는 피크의 0.707배, 평균은 피크의 0.637배입니다. 이 둘을 나누면 평균-대-RMS 변환 계수 1.109가 나옵니다:

따라서 계기 무브먼트는 자연스러운 읽기의 약 1.11배를 지시하도록 캘리브레이션되며, 이는 정현파에 대한 진정한 RMS 값과 일치합니다. 이 접근법은 삼각파나 구형파 같은 비정현파 파형에서는 RMS-대-평균 비율이 크게 달라 실패합니다.

구형파에서는 RMS가 평균과 같지만, 삼각파에서는 변환 계수가 다릅니다. 이러한 불일치는 고조파 왜곡이 흔한 현대 전력 시스템에서 중요해집니다.

파형의 피크 또는 피크-투-피크를 표시하는 CRT 계기들도 이 한계에 직면합니다. 피크 측정에서 RMS를 결정하려면 파형 모양을 알아야 합니다.

더 견고한 솔루션은 RMS의 정의인 저항 부하에서 AC 신호의 발열값을 이용해 직접 RMS를 측정하는 계기를 설계하는 것입니다. 알려진 값의 저항에 AC 소스를 연결하고 열전대로 발생 열을 측정하면, 파형 모양에 독립적인 트루-RMS 읽기를 제공할 수 있습니다:

직독 열식 RMS 전압계는 모든 파형 모양 수용

개념은 간단하지만 실제 구현에는 엔지니어링 과제가 있습니다. 그럼에도 전기 전력을 열로 변환하고 그 열을 측정한다는 원리는 고급 휴대용 멀티미터의 트루-RMS 기능에 채택되었습니다.

AC 전압계와 전류계를 다양한 범위에서 캘리브레이션하는 것은 DC 계기와 같은 원칙을 따릅니다: 직렬 멀티플라이어 저항(또는 커패시터)이 전압 범위를 확장하고, 병렬 션트 저항이 더 높은 전류를 수용합니다. 또한 트랜스포머—특히 전위 트랜스포머(PT)와 전류 트랜스포머(CT)—가 전자기적 범위 변환을 가능하게 하여 작은 계기 무브먼트로 큰 전압이나 전류를 전기적 절연과 함께 측정할 수 있게 합니다.

CT는 전류를 낮추고; PT는 전압을 낮춥니다

일반적인 3상 AC 패널에서는 토로이달 CT가 계기 하우징 뒤에 배치되고, 세 개의 5A 풀스케일 AC 전류계가 CT를 통과하는 각 도체의 전류를 표시합니다. 패널이 해체되면 CT는 남지만 도체는 더 이상 없습니다:

토로이달 CT가 높은 전류 레벨을 5A AC 전류계용으로 낮춤

계기 트랜스포머는 비싸고 종종 크기 때문에 고전압 또는 고전류 응용에 한정됩니다. 밀리암페어 계기를 120V나 5A로 스케일링하는 저범위 측정에는 정밀 저항(멀티플라이어와 션트)이 DC 계기와 마찬가지로 사용됩니다.

요약:

• 극성 있는(DC) 계기 무브먼트는 AC 양을 측정하려면 다이오드가 필요합니다.
• 전자기계 계기 무브먼트—전자기적이든 정전기적이든—자연스럽게 평균값을 제공하며, 파형 모양을 미리 알 때만 RMS를 지시하도록 캘리브레이션 가능.
• 트루-RMS 계기는 파형에 관계없이 정확한 RMS 지시를 제공하는 특수 기술을 사용합니다.