전류측정 센서에 대해서는 이론을 한번 정리한적이 있다.
이번에는 AC(교류)의 전류를 측정하는 센서인 CT센서의 특성을 분석해보고자 한다.
1. 간접적인 방식의 전류 측정
정리했지만, CT 센서는 간접적인 전류측정 방식의 센서이며 전선으로 부터 흐르는 전류에 의한 코일의 2차전류 생성의 원리를 이용한다. 이 특성 덕분에 고전압의 AC 전류 측정에 많이 사용된다.
그냥 단순한 권선형 코일의 형태를 내장한 모습인데, 권선비에 따라 2차 전류가 생성된다.
예를 들어 권선비 (CT Ratio)가 2000/1 인 CT 센서에 1A의 전류가 흐르면 코일에서 똑같은 형태로 0.0005A 의 전류가 생성되어 흐르는 것이다.
CT 권선비 (CT Ratio)의 형태는 다양하게 존재하므로 해당센서의 사양을 확인하는 것은 필수이다.
2. CT센서의 핵심은 정확한 2차 전류의 측정
사실 센서라는게 메커니즘을 이해해보면 간단하나, 출력되는 아날로그 신호를 얼마나 정확하게 측정하고 디지털로 출력하냐에 달려있다.
CT센서의 경우에 출력은 "전류"인데 이를 MCU에서 입력하기 위해서는 "전압"으로 바꾸어 주어야한다.
여기서 앞에 전제조건을 더하면, MCU에서 "ADC 전압범위에 속하는 전압"이 되겠다.
내가 사용하는 MCU의 경우 ADC 전압 범위는 0~3.3V이므로 CT센서에서 출력되는 전류를 어떻게서든 0~3.3V사이의 전압으로 바꾸어 주어야한다.
또 한가지 골치 아픈문제가 있는데, CT에서 출력되는 전류는 AC 측정일 경우 AC 전류가 출력된다.
이 때문에 MCU에서 측정할 수 있도록 회로를 구성해주어야 할 필요가 있다.
그 중 측정회로의 구성에 다양한 방법에 대해서 알아보겠다.
(1) 아날로그 회로 구성
커패시터와 저항기만의 사용으로 출력 전류를 조정하여 MCU에서 측정할 수 있도록 바꾸는 방법이다.
Burdden 저항기는 전류를 전압으로 변환하기 위함이며 커패시터는 음의 AC 신호를 MCU의 전압 범위에 맞도록 변환하는 역할이라 할 수 있겠다.
저항분배기의 역할은 정확하게 MCU의 전원 전압의 Voltage를 미드 포인트로 잡아 AC 전류를 측정하는 기준점을 잡기 위함이다.
계산 공식은 해당 사이트에 자세하게 기재되어 있으니 참조하도록 한다.
참고로 Budden 저항기의 선택에 따라 해당 권선비에서 얼마나 큰 전류를 측정할지의 범위가 정해진다.
(사이트에서 친절하게 계산기까지 제공을 하니 편리하게 계산하기 바람)
https://openenergymonitor.github.io/forum-archive/node/156.html
CT sensors - Interfacing with an Arduino | Archived Forum
CT sensors - Interfacing with an Arduino To connect a CT sensor to an Arduino, the output signal from the CT sensor needs to be conditioned so it meets the input requirements of the Arduino analog inputs, i.e. a positive voltage between 0V and the ADC ref
openenergymonitor.github.io
이 회로의 단점으로는 RLC 값이 정밀해야, CT 전류값을 정확하게 측정할 수 있다는 단점이 있다. (그만큼 정밀도가 떨어진다는 소리이다.) 센서에서 발생되는 저전류(1~50mA 정도)를 정밀하게 인터페이스하는 데에는
한계가 있을 수 있다. (CT Ratio가 클 수록 더 정밀하게 측정을 요구한다.)
(2) OPAMP 회로 사용
https://wiki.dfrobot.com/Gravity_Analog_AC_Current_Sensor__SKU_SEN0211_
Gravity_Analog_AC_Current_Sensor__SKU_SEN0211_-DFRobot
Gravity_Analog_AC_Current_Sensor__SKU_SEN0211_-DFRobot Introduction When you want to measure AC current, it is common to have trouble cutting the wires, wiring or soldering. The Gravity: Analog AC Current Sensor comes to the rescue, eliminating the need to
wiki.dfrobot.com
참고로 CT센서 유형 중 "AC 전압"을 출력하는 모델도 있긴하다.
위의 내용을 토대로 해석해보았을때, CT센서 자체에 Burden 저항기가 포함되어있다는 정도로 해석할 수 있겠다.
이런 유형의 CT센서를 사용할 때에는 당연하게도 별도의 Burden 저항기가 필요없다.
DFROBOT Gravity사에서 요구되는 전류 센싱 솔루션에서는 전류에 따라 " 0~1V의 AC 전압 "을 출력하는 센서이다.
저 해당 모듈에 대한 "회로도" 이다.
일단 INPUT신호는 AC 전압이고 OUTPUT은 DC전압 0.2~2.8V 이라고 한다.
"LM321 연산증폭기"가 사용되었는데 "1N5819 쇼트키 다이오드"와 함께 사용되어, OPAMP의 "비반전증폭 응용"이라고 볼수가 있겠다. (입력신호를 "+비반전 단자"로 신호 입력을 받는 구성, 입력신호와 출력신호의 극성이 역전되지 않고 동일)
OUTPUT신호는 "-반전단자"와 "+비반전 단자"로 피드백 된다.
"+비반전 단자"의 AC 신호입력이 "-반전 단자"와 역 전위차 일 때 정궤환(Positive Feedback) 되어 안정적인 DC를 출력하게 된다.
위의 회로도에는 없지만 VCC를 3.0V로 강하하여 출력하는 레귤레이터(LDO)도 포함되어있다.
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