지시계기

검류계 / 전류계 / 전압계

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검류계 (Galvanometer)

가동코일형 계기의 회전

• Coil 에 직류전류가 흐르면 플레밍의 왼손법칙에 따라 Coil 은 시계방향으로 회전

• 회전력을 라 하면

T : Torque [Nm] B : 자속 밀도 [Wb/ m2]

I : 전류 [A] N : 코일권수 A : 유효코일 면적 (a×b) – m2 a : coil 의 길이 b : coil 의 폭

가동코일형 계기의 전류의 흐름

검류계

• 미소한 전압이나 전류의 정도를 감지하기 위하여 쓰이는 계기로서 전기적인 절대값을 측정하는 계기는 아님

• 가장 많이 쓰이는 것은 가동코일형 검류계 ( 반조검류계 / 지침형검류계 )

DT

NIABTD DT

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반조검류계 (Reflecting Galvanometer)

반조검류계

광원으로부터 나온 빛을 반사경에 투사하며 , 그 반사광을 scale 에 투사함으로써

그 광점이 기우는 정도로 측정

L : 인청동 filament m : 소형반사경 C : 가동코일 T : 스프링 M : 영구자석 P : 자극편 K : 철심 A : 영위 조정나사 θ : Lamp scale S : 광원

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Measurement of ECG

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지침형검류계 (PMMC, permanent magnet moving coil)

• 지침이 가동코일에 대한 제어 스프링의 기계적인 힘과 평형을 이루는 상태를 고정된 기준점에 대한 각도로 지시

• 가동코일형 계기는 설계자가 임의의 최대눈금 전류를 결정하기 위해서 ‘ 제어하는 힘의 값’과 ‘가동코일의 권수’를 변화시킬 수 있음

PMMC 계기의 구조

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Ⅰ: 과제동 (overdamping) 서서히 정상상태의 위치로 접근

Ⅱ: 부족제동 (underdamping) 코일의 운동은 정현파적 감쇠진동에 의존

Ⅲ: 임계제동 (critical damping) 지침이 정상상태 위치로 진동 없이 곧바로 복귀

검류계의 동적운동과 제동

AC 가 검류계에 인가될 때 가동코일의 운동에 의한 지침의 움직임은 가동부 자체의 응답특성과 관계됨

• 인가된 전류를 갑자기 차단한 후• 가동코일이 그 편위에서 부터 0 의 위치로 편위하는 동안의 운동을 세 가지 양으로 관찰 - 코일의 회전축에 대한 가동코일의 관성 모멘트 (J) - 코일 서스펜션에 의해 발생된 반작용의 힘 (S) - 감쇠정수 (D)• 3 가지 요소가 작용할 때 코일의 동적인 운동 ( 지침의 운동 ) 을 편위각 θ 로 표시

실제의 검류계는 약간의 부족제동 ( 지침이 정지 위치로 가기 전에 약간의 overshoot) 이 발생

- 임계제동 보다 제동력은 적지만 계기의 동작이 손상되었는지의 여부 확인 가능 - 먼지나 마모로 인하여 시간의 변화에 따라 마찰력이 커지는 것을 보상할 수 있음

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검류계의 제동장치

• 제동을 위하여 코일과 직렬로 연결된 외부저항 ( 외부임계제동저항 , )

코일이 회전하면 코일에 교차되는 자속이 변화되고 ---> 코일에 기전력이 유기되고 ---> 이때 코일과 외부저항을 통해 흐르는 전류와 자계 사이에서 반작용의 힘이 발생 ---> 가동코일의 회전력을 제동 즉 , 저항이 적을수록 제동하는 힘은 커지고 저항이 클수록 제동하는 힘은 약해짐

기계적 제동 : 코일에 흐르는 전류와는 무관하게 주로 가동코일과 주위공기 사이에서 발생 . 가동코일 축에 붙어 있는 알루미늄 날개에 의해 제동되며 그 정도는 날개의 크기 및 각도에 따라 결정됨

전자적 제동 : 자계 내에서 회전하는 가동코일에 발생하는 전류에 기인하는 제동력 자계내의 코일이 회전하면 도체인 알루미늄틀 내에 회전하는 전류가 유기되고 , 이 전류가 코일의 운동방향과 반대 방향으로 나타나는 반작용의 힘을 야기시킴

외부 임계제동저항

(CDRX, critical damping resistance extenal) dr

dr

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DC 전류계

• DC 전류계의 기본동작은 PMMC 검류계와 동일

• 가동코일의 권수가 작고 가볍기 때문에 아주 적은 전류만 흐를 수 있음

• 분류기 전류계에서 측정범위를 넓히기 위하여 전류계에 병렬로 연결하여 전류를 분류시키기 위해 이용하는 저항

보통형 분류기 Ayrton 분류기

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보통형 분류기 (Shunt Resistor)

: 코일의 내부저항

: 분류기 저항

: 계기의 최대눈금 편위전류

: 분류기 전류

: 전체 전류 보통형 분류기

mR

ms III

I

sR

mI

sI

movementshunt VV mmSs RIRI

mkII

s

mms I

RIR

m

mms II

RIR

m

s

ms IR

RRI

k

분류기 저항은 계기와 병렬이므로

그리고 , 이므로

: 분류기의 배율

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Ayrton 분류기 (Universal Shunt)

• 만능 (universal) 분류기로도 불리우며 , 분류기 없이 계기만이 회로에 연결되는 것을 방지하고

여러 단계의 측정범위를 선택할 수 있는 계기로도 이용

예제 1A, 5A, 10A 의 측정범위를 갖는 Ayrton 분류기로 사용하고자 할 때의 회로 설계

( 계기의 내부저항은 50Ω 이고 , 최대눈금 편위전류는 1 mA)

측정시 전류계를 사용하는 경우의 유의사항

① 전류계는 회로나 소자에 직렬 연결 ( 전류의 손실을 없애기 위해 ) ② 극성 ( 전류의 방향 ) 에 주의 ③ 다중측정범위 전류계의 사용 시 고전류 범위부터 사용 ( 가능한 최대 눈금에서 측정 )

Ayrton 분류기

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DC 전압계

• DC 회로 내에 있는 두 점 사이의 전위차를 측정할 때 회로소자나 전원에 병렬로 접속

• 배율기 전압계의 측정범위를 넓히고자 전압계에 직렬로 연결하는 저항

보통형 배율기 다중측정범위 전압계

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: 계기의 편위전류

: 계기의 내부저항

: 배율기 저항

: 계기의 최대범위전압

보통형 배율기 (Multiplier Resistor)

mR

sR

mI

V

msm RRIV

mm

mm

ms R

V

VRR

I

VR

mm

s VR

RV

1

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다중측정범위전압계 (Multirange Voltmeter)

예제 :

내부저항이 100Ω 이고 , 최대눈금 편위전류가 1 mA 인 전압계의 측정범위를위의 회로를 이용하여 0-10, 0-50, 0-250, 0-500 V 의 측정범위를 갖는 전압계로사용하고자 할 때 각 저항 값들을 계산

여러 개의 보통형 배율기를 사용하여 전압의 범위를 단계별로 조정함으로써

측정 할 수 있는 전압의 범위가 설정되어 있는 전압계

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전압계 감도 (Sensitivity)

정격 (ohms-per-volt rating)

전압계의 감도 는 계기에 흐르는 최대눈금 편위 전류의 역수가 되며 ,DC 전압계의 배율기 저항계산에 사용됨

부하효과 (Loading Effect)

고저항 회로에서 전압계가 두 점 사이에 연결 될 때 전압계는 회로와 병렬로 연결되는데 , 이때 회로에서의

등가저항이 감소하게 되며 전압계 연결 전의 전압 값보다 낮은 전압이 전압계에 나타남

저감도 계기를 사용하면 저저항 회로에서는 전압측정 시 정확한 측정치를 얻을 수 있으나 ,고저항 회로에서는 정확한 측정치를 얻을 수 없음

측정시 전압계를 사용하는 경우의 유의 사항 ① 회로나 소자에 병렬로 연결 ② 극성 주의 ③ 다중측정범위 전류계를 사용할 경우 가장 높은 전압 측정범위부터 사용 ④ 항상 부하효과를 고려

: 회로 총저항 : 배율기저항 : 계기의 부하저항 : 전압측정범위

V/S

VSRT ms RVSR VI

Sfsd

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VmRsRTR