전류 프로브이란?
전류 프로브는 오실로스코프에서 직접 전류를 측정하기 위한 프로브입니다.
피측정 전류가 흐르는 케이블을 헤드 부분으로 끼워 넣어 전류 파형을 관찰합니다. 케이블을 절단하지 않고 케이블에 흐르는 전류를 측정하는 것을 목적으로 하는 계측기에는 클램프 미터가 있습니다.
측정할 때마다 케이블을 절단할 필요가 없기 때문에 평소와 같이 조명이나 설비를 가동한 채로 전류를 측정할 수 있다는 것이 큰 장점이다. 클램프 미터와 마찬가지로 전류 프로브도 케이블을 분리하지 않고도 전류 파형을 관찰할 수 있습니다.
전류 프로브의 사용 용도
전류 프로브는 오실로스코프를 이용하여 전류 파형을 관찰할 때 사용된다. 용도는 산업기기나 전자기기의 전류 측정입니다. 구체적으로 인버터 기기의 전류 측정, 모터의 부하 전류, 스위칭 전원의 측정, LED 조명의 구동 회로 평가 등 다양합니다.
전류의 크기와 용도에 따라 대전류용, 미소전류용, 고속전류용 등 다양한 기종이 판매되고 있습니다. 또한, 직류 및 교류 전류 모두 측정할 수 있는 전류 프로브와 교류만 측정할 수 있는 교류 전용 전류 프로브가 있습니다.
전류 프로브의 원리
전류 프로브는 전원 케이블에 전류가 흐를 때 발생하는 자속을 이용하기 때문에 전류계를 삽입하는 경우와 달리 피측정 회로를 절단하지 않고도 측정할 수 있습니다. 전류 프로브의 헤드부(케이블을 끼우는 부분)는 변압기의 코어와 마찬가지로 고투자율 자성 재료(퍼멀로이 등 철계 재료)를 사용하여 케이블에서 발생하는 자속을 가두는 구조로 되어 있습니다.
단, 교류 전용 전류 프로브와 교류 겸용 전류 프로브는 자속을 검출하는 방법이 다릅니다.
1. 교류 전용 전류 프로브
변압기는 1차측에 가해진 교류를 2차측에서 권선비에 따라 전압과 전류로 변환할 수 있는 것입니다. 전류 프로브에서 코어로 둘러싸인 공간에 교류가 흐르는 케이블이 놓이면 변압기의 1차측 권선과 같은 역할을 합니다.
또한, 코어에는 2차측 권선에 해당하는 코일이 감겨져 있으며, 코어 내의 자속 변화에 따라 그 양단에 나타나는 전압에서 케이블에 흐르는 전류 값을 알 수 있습니다. 교류 전용 전류 프로브는 주로 이 방식을 채택하고 있습니다.
그러나 직류에서는 자속의 변화가 없기 때문에 2차측 권선에 전압이 나타나지 않는다. 따라서 변압기 원리를 이용한 위의 방법은 사용할 수 없습니다.
2. 교류 겸용 전류 프로브
직류 전류도 측정할 수 있는 교류 겸용 타입은 홀 소자를 코어 내부에 내장한 헤드부를 사용합니다. 홀 소자는 직류, 교류 모두 홀 효과에 의해 자속 밀도에 따른 전압을 출력하기 때문에 이 전압을 오실로스코프 단자에 입력하면 전류값(파형)이 디스플레이에 그려지게 됩니다.
전류 프로브의 기타 정보
1. 전류 프로브 조정
전류 프로브를 사용할 때 사전에 조정해야 할 사항으로 다음 두 가지가 있습니다.
오프셋 취소
교류용 전류 프로브는 직류에서 120MHz 정도의 교류까지 측정할 수 있어 사용하기 쉽지만, 전류의 검출에 홀 소자를 사용하고 그 출력을 DC 증폭기로 증폭하여 오실로스코프의 입력 단자에 연결하기 때문에 DC 오프셋을 피할 수 없습니다. 따라서 정확한 측정을 위해서는 이 오프셋을 제거해야 합니다.
절차는 다음과 같습니다.
- 프로브 끝 부분의 코어 잔류 자기를 제거하기 위해 디가우징 처리를 수행합니다.
- 오프셋 전압 조정 기능을 사용하여 오실로스코프 표시가 0A가 되도록 조정합니다.
- 이 조정이 끝나면 전류 프로브를 측정 대상 회로에 설치합니다. 그러나 장시간 측정이 계속되면 DC 오프셋이 점차적으로 변동하여 0A의 위치가 바뀌기 때문에 가끔씩 위의 절차를 반복해야 합니다.
기울기 조정
전원 회로의 전력 측정과 같이 전류 프로브와 전압 프로브를 사용하여 전류 파형과 전압 파형을 동시에 관찰하는 경우, 오실로스코프 본체에 도달하는 신호의 지연 시간이 프로브마다 다르기 때문에 신호 파형의 위상 조정, 소위 스큐 조정이 필요합니다. 전력 측정 데스크 픽스처 등의 명칭으로 조정용 장비가 판매되고 있으므로, 이를 이용하여 프로브 간 위상 조정을 실시합니다.
2. 교류 프로브의 측정 대상
교류 프로브는 앞서 설명한 바와 같이 변압기의 원리를 이용하여 피측정 회로에 흐르는 전류를 검출하지만, 낮은 주파수의 전류에서는 파형이 작게 관측됩니다. 특히 저속 펄스 신호는 처짐으로 인해 파형이 왜곡됩니다.
따라서 직류를 포함한 저주파수 신호를 측정할 때는 교류용 전류 프로브를 선택하는 것이 중요합니다.
3. 전류 프로브의 주파수 특성
전류 프로브가 처리할 수 있는 전류의 크기는 주파수에 따라 달라지며, 주파수가 높아질수록 측정 가능한 전류가 감소합니다. 이는 주파수가 높을수록 코어와 변압기의 발열이 심해지기 때문입니다.
측정하고자 하는 전류의 주파수에 따라 사용할 프로브의 모델을 선택해야 합니다.
4. 삽입 임피던스의 영향
전류 프로브를 측정 대상 회로에 설치하는 것은 측정 대상 회로에 작은 임피던스를 삽입하는 것입니다. 이 임피던스가 회로에 미치는 영향은 작기 때문에 일반적으로 무시해도 무방합니다.
그러나 미세 전류를 측정하기 위해 전류가 흐르는 라인을 코어에 여러 번 감으면 앞서 언급한 임피던스는 감은 횟수의 몇 배로 커지기 때문에 측정 대상 회로에 영향을 미칠 가능성이 높아집니다.