전압계란?
전압계는 측정 대상의 두 지점 사이의 전압을 측정하는 장치입니다. 크게 디지털 전압계와 아날로그 전압계로 구분됩니다. 디지털 전압계는 A/D 컨버터로 입력 전압을 디지털 값으로 변환하여 수치로 표시하는 것으로, 높은 정확도로 측정할 수 있습니다.
반면 아날로그 전압계는 전류계와 분압기를 결합한 것으로, 미터의 지침 위치로 전압값을 대략적으로 파악할 수 있다는 특징이 있습니다. 또한 교류 전압계는 보통 교류를 정류회로에서 직류로 변환하여 그 전압을 측정하여 표시하지만, 왜곡파의 측정은 정현파에 비해 정확도가 떨어집니다.
전압계의 사용 용도
전압계의 사용 용도는 제조 라인의 조정 및 검사, 각종 설비의 가동 상태 모니터링, 센서와 결합하여 온도 및 습도 측정 등 매우 다양합니다.
전압계는 기종별로 측정 전압 범위가 정해져 있으므로 사용 목적에 따라 적절한 기종을 선택해야 합니다. 또한 측정 대상에 따라 전압계의 입력 임피던스가 회로 동작에 영향을 미쳐 측정 오차가 발생할 수 있으므로 충분한 고려가 필요합니다.
특히 정확한 측정을 요구하는 경우에는 한 자리 수 높은 측정 정밀도를 가진 전압계를 선택하는 등, 전압계에 대한 요구 성능을 명확히 하고 그에 맞는 제품을 채택하는 것이 중요합니다.
전압계의 원리
디지털 전압계와 아날로그 전압계의 작동 원리를 설명합니다.
1. 디지털 전압계
디지털 전압계는 입력 변환부, A/D 컨버터, 표시부로 구성됩니다. 입력변환부는 증폭기와 전압분압기로 구성되어 있으며, 두 지점 사이의 피측정 전압이 A/D 컨버터의 입력 전압 범위 내에서 적절한 전압이 되도록 조정해야 합니다.
즉, A/D 컨버터가 고정밀도의 디지털 값으로 변환할 수 있도록 피측정 전압이 작으면 증폭기로 증폭하고, 피측정 전압이 높으면 분압기로 분압합니다. 또한 A/D 컨버터에서 변환된 디지털 값은 앰프와 분압기에 의한 영향을 변환한 후 표시부에 전압값으로 표시합니다.
또한 입력 변환부의 입력 임피던스를 비교적 높게 설정할 수 있기 때문에 전압계가 연결되는 회로에 미치는 영향이 적어 고정밀도의 전압 측정이 가능합니다.
2. 아날로그 전압계
아날로그 전압계는 전류계와 분압기로 구성되어 있습니다. 측정하고자 하는 두 지점에 전압계의 프로브를 연결하면 두 지점 사이의 전압을 전압계의 저항값과 전류계의 내부 저항값의 합으로 나눈 전류가 전류계로 흐릅니다. 그 전류값에 따라 계량기 바늘이 흔들리는데, 계량기 바늘이 나타내는 것은 전류값에 전압분압기의 저항값과 전류계의 내부 저항값의 합을 곱한 전압값이 됩니다.
또한 미터 눈금을 육안으로 판독할 수 있는 것은 전체 눈금의 1% 정도이며, 측정 정확도는 0.1% 이하의 오차로 측정할 수 있는 디지털 전압계에 비해 현저히 떨어집니다. 또한 아날로그 전압계에 사용되는 전류계는 주로 영구자석을 이용한 이동식 코일형이지만, 전자석을 이용한 이동식 철편형도 일부 용도에 사용되고 있습니다. 이동식 철편형은 교류의 실효값을 정류회로를 거치지 않고 측정할 수 있다는 장점이 있습니다.
전압계 사용법
전압계를 피측정 회로에 병렬로 연결하여 전압을 측정할 수 있습니다. 직류 전압을 측정하는 경우, 전위가 높은 쪽에 Hi 단자의 프로브를 대고 전위가 낮은 쪽에 Lo 단자의 프로브를 대면 Lo 단자의 전위를 기준으로 한 Hi 단자의 전압이 표시됩니다. 아날로그 직류 전압계에서는 Hi 단자에 저전위 측을, Lo 단자에 고전위 측을 연결하면 미터가 역방향으로 구동되어 파손될 수 있으므로 주의해야 합니다.
한편 교류 전압 측정에서는 디지털 전압계도 아날로그 전압계도 정류 회로를 통해 직류 전압으로 변환하기 때문에 Hi 단자나 Lo 단자를 의식할 필요가 없습니다. 고전압 측정 시에도 아날로그 전압계는 주의가 필요합니다. 측정 범위를 초과하는 전압이 인가되면 계량기 지침이 흔들릴 뿐만 아니라 큰 전류가 흐르면서 계량기 자체가 소손될 수 있습니다.
측정 대상 회로의 전압 값을 알 수 없는 경우, 일단 최대 전압 범위에서 측정하여 적절한 측정 범위를 확인한 후, 해당 측정 범위로 전환하여 다시 측정하도록 주의하여야 합니다. 디지털 전압계는 입력 변환부가 고전압을 견딜 수 있도록 설계되어 있고, 또한 자동으로 적절한 범위로 설정하는 오토레인지 기능을 갖추고 있기 때문에, 피측정 전압이 전압계의 최대 정격을 초과하지 않는 한 아날로그 전압계와 같은 확인 절차가 필요하지 않습니다.