전류 프로브 이해, 선택, 효과적인 사용

편집자 메모: 전류 측정 및 전류 프로브에 관한 이 기사는 프로브와 적절한 프로브 사용에 관한 3부로 구성된 시리즈의 세 번째 기사입니다. 1부에서는 임피던스가 높은 수동 프로브에 대해 살펴봅니다. 2부에서는 단일 엔드, 차동 및 고압 차동 능동 프로브에 대해 설명합니다. 3부에서는 전류 측정 및 전류 프로브에 대해 다룰 예정입니다.

오실로스코프를 사용하여 전류를 측정하는 세 가지 일반적인 기술이 있습니다. 첫째, 저항기(전류 션트라고도 함)를 측정 중인 전류와 직렬로 사용합니다. 둘째, 변류기를 사용합니다. 셋째, 전류 프로브를 사용합니다. 세 방법 모두 측정 중인 전류가 측정 센서를 통과해야 하므로 다소 침습적인 방식입니다.

전류 프로브는 납땜을 떼어내지 않고 컨덕터의 전류를 측정할 수 있으므로 침습을 최소화하는 방식입니다. 하지만, 최신 프로브 설계를 최대한 활용하려면 사용자가 전류 프로브의 기본 원리를 이해해야 합니다.

이 기사에서는 전류 프로브에 대해 소개하고 전류 프로브를 효과적으로 사용하는 방법을 살펴보기 이전에 다양한 전류 측정 방법을 설명합니다.

전류 션트

전류 션트는 일반적으로 회로 또는 관련 테스트 기구로 설계됩니다. 션트의 알려진 저항에서 전압 강하를 측정하여 전류를 결정합니다. 션트의 직렬 저항과 원하는 전류 측정 감도 사이에는 엔지니어링 트레이드 오프가 있습니다.

회로의 성능에 영향을 주지 않는 동시에 적절한 수준의 전압 강하를 일으키는 것이 가장 이상적입니다. 또한 션트의 전력 정격이 측정 중인 전류에 충분해야 합니다. 전류 션트 저항기의 예로는 Riedon RSA-10-100이 있습니다. 이 섀시 실장 저항기는 저항이 0.01Ω, 허용 오차가 ± 0.25%, 전력 정격이 1와트입니다. 저항기 전력 정격은 10A에서 최대 전류를 설정하여 100밀리볼트의 출력 전압을 생성합니다. 오실로스코프는 션트에서 전압을 측정하는 데 사용됩니다. 대부분의 오실로스코프는 해당 전류에 맞게 전압을 조정할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: Teledyne LeCroy HDO4104 오실로스코프 채널 설정 - 션트 저항기 밸브를 기준으로 암페어를 수직으로 판독할 수 있는 크기 조정 설정을 보여줍니다(이미지 출처: DigiKey).

Teledyne LeCroy HDO4104 오실로스코프에 대한 입력 채널 설정은 수직 데이터의 크기를 조정할 수 있는 많은 계측의 전형적인 형태입니다. 크기 조정 제어 기능을 사용하여 단위(이 경우 A)와 크기 조정 계수(단위/볼트)를 지정할 수 있습니다. RSA-10-100의 경우 '단위/볼트' 설정은 저항 값의 역 또는 1/0.01 = 100입니다. 또한 오프셋 전류를 더하거나 빼는 기능이 있습니다. 이는 활성 센서에 필요할 수 있습니다. 크기 조정 설정을 입력하면 측정 파라미터와 커서 검침을 비롯하여 범위 입력 채널의 수직 비율이 암페어(A) 단위로 직접 판독됩니다.

션트 저항기는 저항기 내부 유도 용량과 정전 용량에 의해 대역폭을 제한하여 AC 전류와 DC 전류에 모두 반응합니다.

표준 평탄 전류 션트 저항기에 대한 보완으로 동축 또는 임펄스 전류 션트가 제공됩니다. 이 장치는 션트 저항기를 원통형 기하학적 구조로 배치하여 해당 유도 용량을 최소화합니다. 전압 접점은 적합한 대역폭의 동축 커넥터로 전달됩니다.

동축 전류 션트는 저항기 값과 최대 전류 정격에 따라 최대 100MHz 대의 대역폭으로 제공됩니다.

동축 션트의 크기는 최대 전류 정격에 비례하며 일반적인 평탄 전류 션트에 비해 훨신 큽니다.

변류기

또한 컨덕터의 전류 자기 감지가 가능합니다. 가장 간단한 자기 기반 센서는 변류기입니다(그림 2).

그림 2: 변류기는 다회전 2차 권선을 사용하여 페라이트 코어의 개구부를 통과하는 컨덕터의 전류를 감지합니다. (이미지 출처: DigiKey)

측정 중인 전류(I_Meas)가 흐르는 컨덕터는 변압기의 1차 권선을 형성하는 페라이트 코어의 중심을 통과합니다. 전류는 전류에 비례하여 코어의 자기 플럭스를 유도합니다. N회전 감지 권선은 자기 플럭스를 감지하는 데 사용됩니다. 보조 권선에 유도되는 전류는 권선비(1차 권선의 회전 수와 2차 권선의 회전 수 비율, 이 경우 1/N)에 비례합니다.

2차 전류는 저항기를 통과하여 전압으로 변환됩니다(대부분의 경우, 오실로스코프의 50W 종단). 입력 채널의 크기 조정 설정은 N/50A/볼트로 설정됩니다(50W 종단을 사용하는 경우). 변류기는 AC 신호에만 작동합니다. 따라서 직류를 측정하는 데 사용할 수 없습니다.

측정 중인 컨덕터가 코어를 통과해야 합니다. 이 과정에서 컨덕터를 코어에 삽입하기 위해 납땜을 떼어내야 할 수 있습니다. 일부 변류기에서는 측정된 컨덕터를 쉽게 삽입할 수 있도록 스플릿 코어를 사용합니다.

전류 프로브

전류 프로브는 전류를 편리하게 측정할 수 있도록 설계되었습니다. 전류 프로브는 변류기 기술을 사용하는 AC 결합형이거나, AC/DC 결합형일 수 있습니다. 어느 경우든 납땜을 떼어내지 않고 컨덕터에 흐르는 전류를 쉽게 감싸도록 스플릿 코어 기하 구조를 포함합니다.

Teledyne LeCroy CP030은 50MHz의 대역폭에서 최대 30A까지 측정할 수 있는 AC/DC 전류 프로브의 좋은 예입니다(그림 3).

그림 3: Teledyne LeCroy CP030은 30A, DC ~ 50MHz 전류 프로브입니다. 이 전류 프로브는 ProBus 인터페이스를 사용하여 Teledyne LeCroy 기반 오실로스코프와 완벽하게 통합됩니다. (이미지 출처: Teledyne LeCroy)

CP030에서는 DC 및 저주파 AC 신호용 홀 효과 소자와 고주파 AC 신호용 변류기를 모두 채택한 하이브리드 기술을 사용합니다(그림 4).

그림 4: CP030 AC/DC 전류 프로브의 기능별 제품 구성도. (이미지 출처: DigiKey)

CP030은 스플릿 페라이트 코어를 기반으로 설계되어 측정 중인 전류가 흐르는 컨덕터를 빠르게 삽입할 수 있습니다.

코어의 간극과 피드백 권선 내부에 홀 효과 센서가 통합되어 있습니다. 홀 효과 센서는 적절히 바이어스드될 경우 코어의 플럭스에 비례하여 출력 전류를 생성합니다. 이 출력은 증폭된 후 피드백 권선을 구동하여 코어에서 0 플럭스 조건을 실현합니다. 여기서는 전류가 흐르는 컨덕터로 인해 피드백 권선을 통과하는 전류가 플럭스에 비례합니다.

출력 종단에서 이 전류를 전압으로 변환합니다. 주파수가 높아지면 홀 효과 센서의 출력이 감소하므로 피드백 권선이 변류기 역할을 하여 측정된 신호의 고주파 부품을 정확히 측정합니다.

CP030의 감도는 1V/A입니다. 프로브는 ProBus 인터페이스를 사용하여 오실로스코프에 이를 전달합니다. 오실로스코프는 프로브가 연결되는 채널의 비율을 자동으로 조정하여 암페어(A)를 판독합니다(그림 5).

그림 5: CP030이 연결된 Teledyne LeCroy HDO 4104 오실로스코프의 채널 설정. 프로브 입력 상자에 표시된 대로 프로브는 자동으로 인식됩니다. 단위/V 입력에 올바른 비율이 자동으로 입력되고 수직 단위가 암페어(A)로 설정됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

프로브 출력을 감지하고 비율을 조정하는 외에도 오실로스코프에는 프로브와 관련한 모든 컨트롤이 있는 대화 상자가 있습니다(그림 6).

그림 6: 프로브를 소자하고 자동 제로 조정하는 컨트롤을 보여주는 CP030 프로브의 설정 대화 상자. (이미지 출처: DigiKey)

여기에는 소자 및 자동 제로 조정 컨트롤이 포함되어 있습니다. 소자는 반자화 신호를 적용하여 프로브의 코어에서 잔류 플럭스를 제거합니다. 가장 높은 정확성을 보장하기 위해 중요 측정 이전에 소자를 사용해야 합니다. 전류가 흐르지 않을 경우 자동 제로 컨트롤은 프로브의 출력 오프셋을 0볼트로 설정합니다. 이러한 컨트롤이 오실로스코프에 있다는 것은 프로브 본체 또는 인터페이스 상자의 공간을 차지하지 않으므로 프로브를 더 작게 만든다는 것을 의미합니다. 또한 대화 상자에서는 프로브를 식별하고 핵심 사양을 제공합니다.

전류 프로브의 유용성을 높이는 일반적인 기술

소전류를 측정할 때 1차 코어를 여러 바퀴 감싸서 전류 프로브의 감도를 높일 수 있습니다(그림 7A).

그림 7: 프로브 코어를 여러 바퀴 감싸서 전류의 감도를 높입니다(A). 프로브 코어를 통해 여러 컨덕터를 감싸서 차동 전류를 측정합니다(B). (이미지 출처: Teledyne LeCroy)

변압기와 마찬가지로 프로브 코어를 통과하는 회전수만큼 프로브 감도가 향상됩니다. 이 그림에서는 프로브 코어를 4회 통과하므로 감도가 4배 향상됩니다. 프로브 크기 조정 설정에 이 계수를 수동으로 입력해야 합니다. 또한 삽입 임피던스는 회전 수의 제곱만큼 높아집니다. 이 경우 임피던스는 16배 높아집니다. 낮은 전류 레벨에서 측정하기 위한 것이므로 이 임피던스에서는 전압 강하가 일반적으로 낮고 측정에 최소한의 영향만 미칩니다.

다중 컨덕터에서 프로브를 통과하는 경우 오실로스코프는 순전류를 판독합니다(그림 7B). 이 기술을 사용하여 두 컨덕터에서 차동 전류를 측정할 수 있습니다. 또한 반대 방향으로 컨덕터에 등가 DC 전류를 전달하여 큰 오프셋 전류를 취소할 수 있습니다. 그러면 전류 프로브의 범위를 확장할 수 있습니다.

타사 전류 프로브 사용

많은 제조업체에서 전용 인터페이스를 사용하지 않는 일반 오실로스코프 시장용 전류 프로브를 공급하고 있습니다. 이러한 프로브에는 프로브 DC 오프셋 소자 및 조정을 위한 컨트롤과 전원이 포함되어 있습니다. Cal Test Electronics의 AC/DC 40A, 1.5MHz 독립형 전류 프로브인 CP6990O-NA를 예로 들 수 있습니다(그림 8).

그림 8: Cal Test Electronics CP6990-NA 독립형 전류 프로브 및 연결된 부속품(이미지 출처: Cal Test Electronics)

이 전류 프로브는 배터리로 구동되며 제공된 BNC 케이블을 사용하여 오실로스코프에 직접 연결됩니다. 이 프로브는 이중 감도 범위(1볼트/A 또는 100밀리볼트/A)를 지원합니다. Teledyne LeCroy HDO4104의 크기 조정 필드에 각각 1단위/볼트 또는 10단위/볼트가 입력되어 있습니다. 단위 필드에는 'A'가 선택되어 있습니다. 선택된 채널의 수직 비율이 이제 암페어(A) 단위로 보정됩니다.

결론

오실로스코프에서 전류 션트, 변류기 또는 전류 프로브를 사용하여 전류를 측정할 수 있습니다. 사용된 센서에 상관없이 오실로스코프 채널의 크기를 조정하여 전류 단위로 직접 판독할 수 있습니다.

전류 프로브는 연결 간편성으로 인해 가장 사용이 쉬운 장치입니다. 오실로스코프 제조업체에서 제공하는 전류 프로브는 프로브를 감지하고 전류 데이터를 자동으로 조정합니다.