전압계, 전류계 센서 (Measuring Sensor)

1. 전압, 전류 계측기

아날로그 방식과 디지털 방식의 멀티미터

자기장의 원리를 이용하여 자석을 사용한 아날로그 방식의 계측기는 과거에 많이 사용되었다.

일부기기는 아직도 다르송발 계측기라는 계측방법을 사용한다. 코일에 전류가 흐르면 자기장이 발생하고, 코일과 자석을 서로 바르게 정렬하면 힘이 발생하는데 다르송발 계측기는 이러한 원리를 사용하여 검침을 통해 전류를 계측한다. 전압계는 저항값이 일정한 회로가 주어졌을 때, 전류는 회로에 걸린 전압에 비례한다는 방식을 사용한다.

 

멀티미터(Multimeter)는 전압-저항-밀리 전류계(VOM)의 측정장치를 하나의 계측기로 구성하였다.

시중에 판매되고 있는 VOM은 0~무한대까지는 아니지만 적절한 범위 내에서 전류, 전압, 저항을 측정 할 수있다. 일반적인 VOM은 약 10A 까지의 전류와 1옴 이하에서 수십  M옴에 이르는 저항을 측정할 수 있다.

 

전압은 병렬로 연결하여 계측, 전류는 직렬로 연결하여 계측한다.

2. 전압 센서 (전압분배기)

전압센서는 전압분배회로로 계산된다.

전압분배기의 원리는 직렬로 연결된 회로에서 각 저항에 비례하는 전압이 흐른다는 법칙과 KVL(키르히호프의 전압법칙)에 의해서 정리 할 수 있다.

https://machinejw.tistory.com/40

키르히호프법칙(KCL, KVL)

 

마이크로컨트롤러(MCU)에서 ADC의 역할은 아날로그 전압값을 0~5V 또는 0~3.3V 범위 내에서 분해능에 따라 디지털 값으로 변환해 준다. (ADC는 원래 전압을 읽는 데 사용된다)

당연하게도 ADC에 허용되는 전압을 초과하면 측정할 수 없다. (3.3V까지 측정가능한 ADC의 경우는 3.3V 이상의 전압을 디지털 값으로 변환이 불가)

위 전압분배회로에서 공식정리 (R5를 R1으로, R6를 R2로 보세요....)

Vout = Vin*R2 / (R1+R2)  -> ADC 핀에서 나오는 전압을 구하는 공식

Vin = Vout * (R2 / R1+R2) -> 인가된 전압을 구하는 공식

 

Vout은 ADC핀에서 입력되는 전압이므로

Vin = Vout * (R2 / R1+R2) 공식을 사용하여 총 인가된 전압(Vin)을 구한다.

물론 위 센서는 모든 범위의 전압이 측정 가능한 것은 아니고 5:1 비율의 전압분배기 이기 때문에

5V  ADC는 25V 까지, 3.3V ADC는 약 16V 까지 측정이 가능하다.

그 이상의 전압을 측정하게 된다면 ADC에서 측정할수 있는 전압의 범위를 초과하게 되어 측정을 할 수 없을 뿐더러, MCU 파손에 영향을 미친다.

ESP32의 ADC 전압 범위

https://www.digikey.kr/ko/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-voltage-divider

전압 분배기 계산기 | DigiKey

ESP32의 경우 3.3V의 범위의 12bit 분해능이므로 위 센서의 전압분배에서 최대 16V까지 측정이 가능하다는 것을 알 수있다. DigiKey 사이트에서 전압 분배기 계산기를 제공하므로 적절한 회로를 구성 할 때 사용하면 좋을 것이다. 전압센서는 저항을 사용한 전압분배기의 원리에 따라 Vout 전압을 ADC 전압에 맞추어 전압을 측정하게 한다. 사실 전압분배기는 너무도 간단한 회로이기 때문에 센서를 따로 구매하지 않아도 구현 할 수 있다. (사실 센서라기도 좀 애매하다...) 

3. 전류 센서

전류 센서는 크게 2가지로 분류되며 직접 방식과 간접 방식이 있다.

(1) 직접 방식 (옴의법칙)

마치 전류계를 사용하듯이 션트저항을 직렬로 연결하여 그 해당 션트저항의 전압을 계산하여 측정한다.

 

옴의 법칙을 기반하여 저항을 통해 흐르는 전류는 저항에 인가 된 전압에 비례하는 점을 이용한다.

(저항기의 전압 강하는 흐르는 전류의 세기에 비례함)

이때 사용하는 저항기는 분류기 또는 션트 저항기 (Shunt Resistor)라고 하며 전류 측정 대상 시스템의 측정 요소와 직렬로 연결되어 해당 시스템에 전력 손실을 유발하게 된다. 그러나 구현이 쉽고 비용이 적게 든다는 장점 때문에 직접적으로 연결하는 방식을 사용하기도 한다.

이 션트 저항기도 표면실장형(SMD타입)이 있다.

(2) 간접 방식 (패러데이 법칙, 홀 자기장 원리)

전류로 인한 자기장의 세기를 측정하여 회로의 부하 전류를 구한다. 이 방식은 전류 측정 대상 시스템의 전력 손실 없이 고전류, 고전압, 동적 전류 부하 및 절연이 필요한 모든 영역에서 사용할 수있다.

단점이 있다면 자기 센서이기 때문에 비용이 비싸다는 것.

가장흔한 ACS712 전류 센서 모듈은 자기장 홀 효과 ACS712 IC를 사용하여 전류 값을 전압 값으로 바꾸어 출력하여 ADC에서 측정가능하게 한다. 데이터시트에 따르면 모델에 따라 5A, 20A, 30A 까지 측정이 가능하며 각각 1A 당 185mV, 100mV, 66mV가 증가한다고 한다. ACS712 IC는 실제로 모터 제어, 부하 감지 및 관리, 스위치 모드 전원 공급 장치, 과전류 오류 보호 등의 시스템에서 사용된다.