전류 감지

전기공학에서 전류 감지()는 전류를 측정하는 여러 기술 중 하나이다. 전류 측정 범위는 피코암페어에서 수만 암페어에 이른다. 전류 감지 방법의 선택은 크기, 정확도, 대역폭, 견고성, 비용, 절연 또는 크기와 같은 요구 사항에 따라 달라진다. 전류 값은 기기로 직접 표시되거나 모니터링 또는 제어 시스템에서 사용하기 위해 디지털 형태로 변환될 수 있다.

전류 감지 기술에는 션트 저항기, 변류기 및 로고스키 코일, 자기장 기반 변환기 등이 있다.

 전류 센서 
전류 센서는 전선 내의 전류를 감지하고 해당 전류에 비례하는 신호를 생성하는 장치이다. 생성된 신호는 아날로그 전압 또는 전류일 수도 있고 디지털 출력일 수도 있다. 생성된 신호는 전류계에 측정된 전류를 표시하거나, 데이터 수집 시스템에 추가 분석을 위해 저장하거나, 제어 목적으로 사용될 수 있다.

감지된 전류와 출력 신호는 다음과 같을 수 있다.
 교류 입력,
 감지된 전류의 파형을 복제하는 아날로그 출력.
 감지된 전류의 파형을 복제하는 양극성 출력.
 감지된 전류의 평균 또는 RMS 값에 비례하는 단극성 출력.
 직류 입력,
 감지된 전류의 파형을 복제하는 단극성 출력.
 감지된 전류가 특정 임계값을 초과할 때 전환되는 디지털 출력.

 전류 측정 요건 
전류 감지 기술은 다양한 응용 분야에서 다양한 요구 사항을 충족해야 한다. 일반적으로 공통적인 요구 사항은 다음과 같다.
높은 감도
높은 정확도 및 선형성
넓은 대역폭
DC 및 AC 측정
낮은 온도 드리프트
간섭 제거
IC 패키징
낮은 전력 소비
저렴한 가격

 기술 
전류 측정은 다음과 같은 기본 물리적 원리에 따라 분류할 수 있다.

 패러데이 전자기 유도 법칙
자기장 센서
 패러데이 효과
 변압기 또는 전류 클램프 미터 (AC 전류에만 적합).
 플럭스게이트 센서 (AC 또는 DC 전류에 적합).
 홀 센서 (AC, DC 또는 맥동 전류에 적합), 에드윈 홀이 1879년에 발견한 홀 효과 현상을 기반으로 하는 전류 센서의 한 유형.
 션트 저항기, 전압이 통과하는 전류에 직접 비례한다.
 광섬유 전류 센서, 자기장에 의해 생성된 빛의 위상 변화를 측정하기 위해 간섭계를 사용한다.
 로고스키 코일, 교류(AC) 또는 고속 전류 펄스를 측정하기 위한 전기 장치.
 거대자기저항(GMR): 홀 효과보다 정확도가 높은 AC 및 DC 전류에 적합한 자기장 센서. 자기장과 평행하게 배치된다.

 션트 저항기 
옴의 법칙은 저항 양단의 전압 강하가 통과하는 전류에 비례한다는 관찰이다.

이 관계는 전류를 감지하는 데 사용될 수 있다. 이 간단한 원리에 기반한 센서는 저렴한 비용과 신뢰성으로 잘 알려져 있다.

섬네일|션트 저항기
전류 감지의 일반적이고 간단한 접근 방식은 션트 저항기를 사용하는 것이다. 션트 양단의 전압 강하가 전류 흐름에 비례한다는 옴의 법칙 덕분에 낮은 저항 전류 션트는 저렴한 비용과 높은 신뢰성으로 전류 측정 시스템에 매우 인기 있는 선택이다. 교류(AC) 및 직류(DC) 모두 션트 저항기로 측정할 수 있다. 고성능 동축 션트는 빠른 상승 시간 과도 전류 및 높은 진폭을 포함한 많은 응용 분야에 널리 사용되었지만, 고도로 통합된 전자 장치는 작은 크기와 비교적 저렴한 가격 때문에 저비용 표면 실장 장치(SMD)를 선호한다.
션트에 존재하는 기생 인덕턴스는 고정밀 전류 측정에 영향을 미친다. 이는 비교적 높은 주파수에서 임피던스 크기에만 영향을 미치지만, 선 주파수에서 위상에 미치는 영향은 낮은 역률에서 눈에 띄는 오류를 유발한다. 션트 사용의 주요 단점은 션트가 기본적으로 저항성 요소이므로 전력 손실이 통과하는 전류의 제곱에 비례하므로 고전류 측정에서는 드물게 사용된다는 점이다.
고임펄스 또는 고서지 전류 측정에 대한 빠른 응답은 션트 저항기의 공통 요구 사항이다. 1981년 말레프스키(Malewski)는 표피 효과를 제거하기 위한 회로를 설계했고, 이후 1999년에는 평판 샌드위치 션트(FSSS)가 평판 샌드위치 저항기에서 도입되었다. FSSS의 응답 시간, 전력 손실 및 주파수 특성은 션트 저항기와 동일하지만, 말레프스키 및 동축 션트에 비해 비용이 저렴하고 제조 기술이 덜 정교하다.

인쇄 회로 기판의 구리 트레이스와 같은 전도성 요소의 내재 저항은 감지 저항기로 사용될 수 있다. 이는 공간과 부품 비용을 절약한다. 구리 트레이스의 전압 강하는 저항이 매우 낮기 때문에 매우 낮으므로 유용한 신호를 얻기 위해서는 고이득 증폭기가 필수적이다. 정확도는 트레이스 제조의 초기 허용 오차와 구리의 상당한 온도 계수에 의해 제한된다. 디지털 컨트롤러는 측정을 개선하기 위해 보정을 적용할 수 있다.

저항 센서의 중요한 단점은 측정될 전류와 측정 회로 간의 불가피한 전기적 연결이다. 절연 증폭기는 측정된 전류와 나머지 측정 회로 사이에 전기적 절연을 제공할 수 있다. 그러나 이러한 증폭기는 비싸며 원래의 전류 감지 기술의 대역폭, 정확도 및 열 드리프트를 제한할 수도 있다. 본질적인 전기적 절연을 제공하는 다른 전류 감지 기술은 절연이 필요한 경우 더 낮은 비용으로 충분한 성능을 제공할 수 있다.

 패러데이 법칙 기반 전류 센서 
닫힌 회로에 유도된 총 기전력은 회로와 연결된 총 자기 선속의 시간 변화율에 비례한다는 패러데이 전자기 유도 법칙은 전류 감지 기술에 널리 활용되었다. 패러데이 법칙에 기반한 두 가지 주요 감지 장치는 변류기(CT)와 로고스키 코일이다. 이 센서들은 측정될 전류와 출력 신호 사이에 본질적인 전기적 절연을 제공하여 안전 기준이 전기적 절연을 요구하는 곳에서 이러한 전류 감지 장치를 필수적으로 만든다.

 변류기 

섬네일|3상 400A 전력 공급을 위한 계량 장비의 일부로 사용되는 변류기
변류기는 변압기 원리를 기반으로 하며 높은 1차 전류를 더 작은 2차 전류로 변환하며 고AC 전류 측정 시스템에서 흔히 사용된다. 이 장치는 수동 장치이므로 구현에 추가적인 구동 회로가 필요하지 않다. 또 다른 주요 장점은 적은 전력을 소비하면서 매우 높은 전류를 측정할 수 있다는 것이다. 변류기의 단점은 매우 높은 1차 전류 또는 전류에 상당한 DC 성분이 있을 경우 코어에 사용된 페라이트 재료가 포화되어 궁극적으로 신호를 왜곡할 수 있다는 것이다. 또 다른 문제는 코어가 한 번 자화되면 이력 현상을 포함하게 되어 다시 탈자화되지 않으면 정확도가 저하된다는 것이다.

 로고스키 코일 

섬네일|로고스키 코일

로고스키 코일은 패러데이의 유도 법칙에 기반하며, 로고스키 코일의 출력 전압 Vout은 측정할 전류 Ic를 적분하여 결정된다. 공식은 다음과 같다.

여기서 A는 코일의 단면적이고 N은 권선수이다.
로고스키 코일은 변류기가 활용할 수 있는 높은 투자율 자기 코어가 없기 때문에 낮은 감도를 갖는다. 그러나 이는 로고스키 코일에 더 많은 권선을 추가하거나 더 높은 이득 k를 가진 적분기를 사용하여 보상할 수 있다. 더 많은 권선은 자기 정전 용량과 자기 인덕턴스를 증가시키고, 더 높은 적분기 이득은 큰 이득-대역폭 곱을 가진 증폭기를 의미한다. 항상 그렇듯이 엔지니어링에서는 특정 응용 분야에 따라 절충이 이루어져야 한다.

 자기장 센서 
 홀 효과 

홀 효과 센서는 에드윈 홀이 1879년에 로렌츠 힘의 물리적 원리에 기반하여 발견한 홀 효과를 기반으로 하는 장치이다. 이들은 외부 자기장에 의해 활성화된다. 이 일반화된 장치에서 홀 센서는 자기 시스템에 의해 생성된 자기장을 감지한다. 이 시스템은 입력 인터페이스를 통해 감지될 양(전류, 온도, 위치, 속도 등)에 반응한다. 홀 소자는 기본적인 자기장 센서이다. 대부분의 응용 분야에서 출력을 사용할 수 있도록 신호 조절이 필요하다. 필요한 신호 조절 전자 장치는 증폭기 단계와 온도 보상이다. 비정전원 공급 장치에서 작동할 때는 전압 조절이 필요하다. 자기장이 없을 때 홀 전압을 측정하면 출력이 0이어야 한다. 그러나 각 출력 단자의 전압을 접지에 대해 측정하면 0이 아닌 전압이 나타난다. 이것은 공통 모드 전압(CMV)이며 각 출력 단자에서 동일하다. 출력 인터페이스는 그런 다음 홀 센서에서 전기 신호를 변환한다. 홀 전압은 응용 분야 맥락에서 중요한 신호이다. 홀 전압은 1가우스 자기장이 있는 경우 30 마이크로볼트 정도의 저레벨 신호이다. 이 저레벨 출력은 저잡음, 높은 입력 임피던스 및 적당한 이득을 가진 증폭기를 필요로 한다. 이러한 특성을 가진 차동 증폭기는 표준 양극성 트랜지스터 기술을 사용하여 홀 소자와 쉽게 통합될 수 있다. 온도 보상도 쉽게 통합된다.

이 범위의 전류 센서는 도체에 전류가 흐를 때마다 도체 주위에 전류의 크기에 직접 비례하는 강도의 자기장이 생성된다는 원리에 기반한다. 홀 효과 자기장 센서는 유도된 전류를 측정하는 데 사용되며 출력은 흐르는 전류의 크기에 직접 비례한다.

가장 간단한 구성에서는 홀 효과 자기장 센서를 도체 옆에 배치하고 출력을 측정할 수 있지만 제한 사항이 있다. 약 10암페어 미만의 전류 레벨에서는 생성되는 자기장이 매우 약하고 지구 자기장보다 크게 강하지 않다. 또한 생성되는 홀 전압이 매우 작아서 열 불안정성 및 잡음 문제와 관련된 매우 높은 증폭이 필요할 것이다.

섬네일|right

 플럭스게이트 센서 
섬네일|플럭스게이트 기술 원리

플럭스게이트 센서 또는 포화성 유도자 전류 센서는 홀 효과 기반 전류 센서와 동일한 측정 원리로 작동한다. 즉, 측정할 1차 전류에 의해 생성된 자기장이 특정 감지 요소에 의해 감지된다. 포화성 유도자 전류 센서의 설계는 폐루프 홀 효과 전류 센서와 유사하다. 유일한 차이점은 이 방법이 에어 갭의 홀 효과 센서 대신 포화성 유도자를 사용한다는 것이다.

포화성 유도자 전류 센서는 유도계수 변화 감지에 기반한다. 포화성 유도자는 코일이 감겨 있는 작고 얇은 자기 코어로 만들어진다. 포화성 유도자는 포화 영역에서 작동한다. 외부 및 내부 자속 밀도가 포화 수준에 영향을 미치도록 설계되었다. 포화성 유도자의 포화 수준 변화는 코어의 투자율을 변경하고 결과적으로 유도계수 L을 변경한다. 포화 유도계수(L) 값은 낮은 전류에서는 높고(코어의 투자율에 기반함) 높은 전류에서는 낮다(코어가 포화되면 코어 투자율은 1이 됨). 플럭스게이트 검출기를 해석할 때는 많은 자기 재료가 자기장 강도 H와 자속 밀도 B 사이에 비선형 관계를 나타내는 특성을 고려해야 한다.

이 기술에서는 공극이 없는 두 개의 코어를 사용하여 고주파 성능을 달성한다. 두 개의 주 코어 중 하나는 포화 유도자를 만드는 데 사용되고 다른 하나는 고주파 변압기 효과를 만드는 데 사용된다. 다른 접근 방식에서는 공극 없이 세 개의 코어를 사용할 수 있다. 세 개의 코어 중 두 개는 포화 유도자를 만드는 데 사용되고 세 번째 코어는 고주파 변압기 효과를 만드는 데 사용된다. 포화 유도자 센서의 장점으로는 고해상도, 고정확도, 낮은 오프셋 및 이득 드리프트, 넓은 대역폭(최대 500kHz)이 있다. 포화 유도자 기술의 단점으로는 더 간단한 설계에 대한 제한된 대역폭, 비교적 높은 2차 전력 소비, 1차 도체로의 전류 또는 전압 잡음 주입 위험 등이 있다.

정밀 전류 측정에 널리 사용되는 플럭스게이트 기술 구현은 직류 변류기(DCCT)이며, 제로 플럭스 DCCT라고도 한다. 이 원리는 1960년대 CERN에서 처음 도입되었으며, 오늘날에는 고정확도 전류 감지를 위한 최첨단 방법으로 간주된다.

 자기저항 전류 센서 

자기저항(MR)은 인가된 자기장에 따라 저항이 포물선형으로 변하는 2단자 장치이다. 자기장으로 인한 MR 저항의 이러한 변화를 자기저항효과라고 한다. 인가된 자기장의 함수로 전기저항이 변하는 구조를 만드는 것이 가능하다. 이러한 구조는 자기 센서로 사용될 수 있다. 일반적으로 이 저항기들은 열 드리프트를 보상하기 위해 브리지 구성으로 조립된다.
널리 사용되는 자기저항 기반 센서로는 이방성 자기저항(AMR), 거대자기저항(GMR), 거대자기 임피던스(GMI) 및 터널자기저항(TMR)이 있다. 이 모든 MR 기반 센서는 홀 효과 센서에 비해 감도가 높다. 그럼에도 불구하고, 이러한 센서(GMR, CMR, TMR)는 여전히 홀 효과 장치보다 비싸고, 비선형 거동, 뚜렷한 열 드리프트와 관련된 심각한 단점이 있으며, 매우 강한 외부 자기장은 센서의 거동(GMR)을 영구적으로 변경할 수 있다. GMI 및 TMR 센서는 GMR 기반 센서보다 훨씬 더 민감하며, 현재 일부 제조업체(TDK, Crocus, Sensitec, MDT)에서 대량 생산되고 있다.

 같이 보기 
 전류계
 전류
 전기 측정
 전기공학의 역사

 각주 

분류:측정
분류:변환기
분류:전자 회로
분류:센서