5강. 스위치 등
a. 디지털 멀티미터 사용법
b. 오실로스코프 사용법
c. 함수생성기 사용법
1. 스위치(Switch) [목차]
⑴ 스위치의 표기
① Pole, Throw
○ Pole : 가동식 팔(Movable arm)의 개수
○ Throw : 접촉점의 개수
② 표기의 종류
Figure. 1. 스위치 표기의 종류
○ 예 : SPST는 single-pole single-throw의 줄임말
○ 예 : NOPB는 normally-open push-button의 줄임말
③ 초기 상태(Initial State) (예 : SPST)
○ initially open
Figure. 2. initially open의 표기
○ initially closed
Figure. 3. initially closed의 표기
④ 연결과 차단의 동시성
○ 한쪽 throw에서의 차단과 다른 throw의 연결이 동시에 진행될 수 없다.
○ break before make (예 : SPDT)
Figure. 4. break before make의 표기
○ make before break (예 : SPDT) : a-b 사이의 갈고리 모양의 금속은 고정돼 있음에 주의
Figure. 5. make before break의 표기
⑵ 스위치-저항 회로 : 부하단자에 스위치만 연결하면 floating이 발생함
① 풀업 저항(pull-up resistor) : 저항이 스위치 위에 있는 회로. 즉, 스위치를 누르면 LOW, 누르지 않으면 HIGH임
Figure. 6. 풀 업 저항
② 풀다운 저항(pull-down resistor) : 저항이 스위치 아래에 있는 회로. 즉, 스위치를 누르면 HIGH, 누르지 않으면 LOW임
Figure. 7. 풀 다운 저항
⑶ 스위치의 메커니즘
① 토글 스위치(toggle switch) (예: SPDT)
Figure. 8. 토글 스위치의 구조
우선 도선이 연결되는 장소는 왼쪽에 나와 있는 세 개의 도체이다. 수동으로 오른쪽 막대를 움직이고 오른쪽 막대는 중간 부분이 고정되어 있다. 그림에 제시된 상태는 위, 중간 도체에 도선이 연결된 형태이다. 만약 오른쪽 막대를 위로 올리면, 그 반대쪽은 아래로 내려간다. 그러면 막대의 끝과 연결된 금속부분이 아래로 움직이며 へ 모양의 금속을 아래로 당긴다. 이때 도선은 가운데와 아래에 연결된다. 한편 오른쪽 막대 내에 용수철은 오른쪽 막대를 단단히 고정하는 역할을 수행한다.
② 다른 기계적 장치들
③ 트랜지스터를 이용한 반도체 회로로도 스위치를 만들 수 있음
⑷ 스위치의 성능
① 차단 : 두 도선이 스위치로 차단돼 있을 때 얼마나 신호를 잘 차단하는지
○ 반도체 회로가 소형화 됨에 따라 차단 성능이 나빠짐
② 신호 손실 : 스위치를 지날 때 신호의 에너지가 얼마나 손실되는지
○ 신호 손실로 인해 스위치가 많은 회로는 증폭기를 필요로 함
2. 보호장치(protective device) [목차]
⑴ 퓨즈(fuse)
① 도선에 배치에서 과도한 전류가 흘러 전력이 높아지면 녹아 내림 → 재사용 불가
② 타입 F (fast-acting fuse) : 빠른 반응이 필요한 경우
③ 타입 T (time-delay fuse) : 특정 시간 동안의 전력의 누적으로 끊어짐
④ 퓨즈의 표기
Figure. 10. 퓨즈의 표기
⑤ 퓨즈의 종류
⑵ 회로 차단기(circuit breaker)
① 재사용이 가능 : 단, 기계적으로 원래대로 돌려놓아야 함
② 전류의 가열 효과를 이용한 회로 차단기 : 바이메탈 스프링이 회로를 개방(open)
③ 전류의 자기장을 이용한 회로 차단기 : 로렌츠 힘이 회로를 개방(open)
④ 회로 차단기의 표기
Figure. 12. 회로 차단기의 표기
⑤ 회로차단기의 형태
3. 접지(ground) [목차]
⑴ 전기회로의 기준점
⑵ 지구 접지(earth ground) : 지구로 전류가 흐를 수 있는, 8-foot 길이의 금속과 연결된 도체
⑶ reference ground : 전위가 0인 지점. 일반적인 도체라는 뜻으로 COM or COMM으로 표기
⑷ 표기
Figure. 14. 접지의 표기
4. d'Arsonval meter [목차]
⑴ 개요
d’Arsonval meter는 흐르는 전류에 비례하여 바늘이 회전하는 계기이다. 정격전류 1 mA, 정격전압 50 mV라면 이 계기에 1 mA가 흐를 때, 계기의 전압강하가 50 mV이고 바늘은 full scale을 가리킨다는 것을 의미한다. (즉, 저항 = 50 Ω)
⑵ 기계적 메커니즘(d'Arsonval meter movement)
Figure. 15. d'Arsonval meter 구조
우선 d'Arsonval meter의 구조는 위의 그림을 참고하자. d'Arsonval meter의 기계적 메커니즘은 로렌츠 힘(Lorentz force)을 이용하는 것이다. 여기서 일정한 크기의 자기장은 영구자석이 제공한다. moving coil이란 부분을 전류가 통과하면서 토크(torque)가 발생해서 pointer가 시계방향으로 회전한다. 하지만 위 아래로 배치된 control spring이 토크를 방해하는 힘을 제공하고, 이렇게 평형상태를 이룬다. 우리가 계기를 통해 읽어내는 값은 이러한 평형상태이다.
Figure. 16. d'Arsonval meter 구조
Figure. 17. d'Arsonval meter 구조
조금 더 구체적으로 살펴보기 위해 시선을 위쪽으로 옮겼다. 이때 moving coil이 적은 각도만 움직여도 금방 pointer가 full scale을 가리킨다는 사실을 염두에 두자. 또한 moving coil의 면벡터 방향(= pointer 방향)이 자기장 방향에 비교적 수직이라는 사실을 확인하자. 이제 본격적인 분석을 하기 위해 다음 그림을 보자.
Figure. 18. d'Arsonval meter 개념도
이때 로렌츠힘은 그림에서 빨간색 화살표 방향으로 작용한다. (다른 도선에서의 로렌츠 힘은 모두 상쇄된다.) 따라서 토크는 Pointer가 시계방향으로 회전하도록 작용하고 있음을 알 수 있다. 이때 위에서 바라본 물체의 자유도는 아래와 같다.
Figure. 19. d'Arsonval meter 개념도
이때 빨간색으로 표시한 화살표의 각각의 크기는 Bil이다. 파란색 화살표는 control spring의 토크를 나타냈다. 이것의 크기는 κ(θ0 - θ)이다. (단, θ0는 초기 Pointer의 각도이다.) 따라서 다음과 같은 식을 세울 수 있다.
여기서 I는 d'Arsonval meter의 관성모멘트로 순수하게 기계적인 요소이다. 우선 이 식을 보면 (완전히 해를 구하기는 어렵지만) 단진동을 한다는 것쯤은 알 수 있다. 하지만 단진동을 하다보면 (식에는 나와 있지 않은) 마찰에 의해 그 진폭이 점차 감소할 것이다. 그 결과 평행상태에 이르게 되어 우변이 0이 될 것이다.
이때 θ의 범위가 90도 근처라는 앞의 진술을 적용하면 아래 식을 얻는다. 이때 우리가 계기를 통해 읽어내는 값은 θ0 - θ이다. full scale을 벗어나면 계기의 값이 전류에 선형적이지 않다는 것을 주의하기를 바란다.
⑶ 전압계(volt meter)
① 제작
Figure. 20. 전압계 제작
d’Arsonval meter의 정격전류와 정격전압은 core의 재료의 성질에 기인한다. 그 결과 d’Arsonval meter의 내부저항 Rv는 상당히 제한적이다. 따라서 위와 같이 전압계를 제작한다. 양단에 V의 전압이 걸리면 d’Arsonval meter에 걸리는 전압은 다음과 같다.
따라서 이 system은 정격전류 1 mA이고, 정격전압은 다음과 같다. 즉, 이 system은 0 V ~ 위의 전압을 선형적으로 계기에 표시한다. (이때 full scale의 개수만큼 서로 다른 값의 저항이 요구된다.)
② 회로 내 연결
○ 측정하고자 하는 단자에 병렬연결
○ 이때 전압계의 내부저항을 반드시 고려해야 함 : 단, 전압계의 내부저항은 매우 큼
○ 병렬연결로 연결된 저항들은 모두 같은 전압이 걸린다는 사실을 명심
Figure. 21. 전압계의 회로 내 연결
⑷ 전류계(ammeter)
① 제작
Figure. 22. 전류계 제작
d’Arsonval meter의 정격전류와 정격전압은 core의 재료의 성질에 기인한다. 그 결과 d’Arsonval meter의 내부저항 Rv는 상당히 제한적이다. 따라서 위와 같이 전류계를 제작한다. 양단에 V의 전압이 걸리면 d’Arsonval meter에 걸리는 전압은 V이다. 또한 양단에 흐르는 총 전류는 다음과 같다.
따라서 이 system은 정격전압이 50 mV이고, 정격전류는 다음과 같다. 즉, 이 system은 0 A ~ 위의 전류를 선형적으로 계기에 표시한다. (이때 full scale의 개수만큼 서로 다른 값의 저항이 요구된다.)
② 회로 내 연결
○ 측정하고자 하는 단자를 open하고 전류계를 직렬연결
○ 이때 전류계의 내부저항을 반드시 고려 : 단, 전류계의 내부저항은 매우 작음
○ 직렬연결로 연결된 저항들은 모두 같은 전류가 흐른다는 사실을 주의
Figure. 22. 전류계의 회로 내 연결
⑸ d’Arsonval의 종류
① 디지털 멀티미터(DMM, digital multimeter)
○ 전압, 전류, 저항 등을 측정
○ 대개 내부저항이 10 ~ 11 MΩ
○ LCD 디스플레이 : 장시간 작동(2,000 시간↑, 9V), 어두우면 잘 안 보임, 낮은 반응속도
○ LED 디스플레이 : 단시간 작동, 어두워도 잘 보임, 높은 반응속도
○ 사용법
② LRC meter
○ DMM과 달리 커패시터와 코일의 물리량을 측정할 수 있음
○ capacitance meter : 극성 고려하여 축전용량 C 측정. capacitor가 열화된 경우 저항이 작아져 일반 저항계로도 감지
○ inductance meter
③ 검류계(galvanometer)
④ 오실로스코프(oscilloscope
○ 시간의 변화에 따라 전압의 변화를 화면에 출력해 주는 계측기기
○ 제어량 1. VERTICAL : POSITION(각 채널의 전압값 조절), VOLTS/DIV(한 칸당 전압 조절)
○ 제어량 2. HORIZONTAL : POSITION(시간축 조절), SEC/DIV(한 칸당 시간 조절)
○ 제어량 3. TRIGGER : 전압 변화를 감지
○ 사용법
⑤ 함수생성기(function generator)
○ 정현파, 구형파, 삼각파 등의 신호를 생성하는 장치
○ 사용법
⑹ 해상도와 정확도
① 해상도(resolution)
○ 대부분의 DMM이 3개의 숫자표시와 1개의 마침표(period)의 표시가 가능함
○ 3 ½ digits 뿐만 아니라 4½ digits, 8½ digits도 존재
○ 측정값의 크기가 작을수록 분해능이 좋음
○ 예 : 1.999 V까지는 해상도가 0.001 V이고, 2.00 V부터는 해상도가 0.01 V임
② 정확도(accuracy)
○ 평범한 DMM의 정확도는 0.01 %에서 0.5 %
○ 성능이 우수한 DMM의 정확도는 0.002%까지 내려감
입력: 2016.01.01 13:11
수정: 2022.09.14 11:41
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