본문내용
1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
가동 코일형 계기의 구조와 원리를 이해하고 직류 전용인 가동 코일형 계기로 교류의 전압·전류를 측정할 수 있는 방법을 익히는 것이 이 실험의 첫 번째 목적이다. 또한 전류계 및 전압계의 사용법을 익히고 내부저항에 의한 측정상의 오차를 고찰하는 것이 두 번째 목적이다.
1.2. 실험 기기 및 재료
실험 기기 및 재료는 다음과 같다.
(1) 전원 : DC 전원 공급기와 교류 및 DC 전원공급기(또는 1.5, 6, 9 [V] 건전지)를 사용한다.
(2) 직류 전류계 : 최대 지시눈금 25 [mA]를 사용한다.
(3) 직류 전압계 : 최대 지시눈금 30 [V]를 사용한다.
(4) 저항(1/4 [W]) : 1 [kΩ], 2 [kΩ] 2개, 10 [kΩ], 20 [kΩ] 2개를 사용한다.
(5) 계측기 : 테스터기를 사용한다.
(6) 변압기 : 110/12 [V] 변압기를 사용한다.
2. 이론적 배경
2.1. 가동 코일형 계기의 구조와 원리
가동 코일형 계기의 구조와 원리는 다음과 같다. 영구 자석이 만드는 자계 내에 가동코일을 놓고 코일에 측정하고자 하는 전류를 흘리면 이 전류와 자계 사이에 전자력이 발생한다. 이 전자력을 구동 토크로 한 계기를 영구 자석 가동 코일형 계기(Permanent Magnet Moving Coil Instrument)라고 한다.
가동 코일의 폭을 a [m], 높이를 b [m], 자극편과 연철심 사이의 공극에 발생하는 평등자계의 자속밀도를 B [Wb/m2], 가동 코일에 흐르는 전류를 I [A], 가동 코일의 권수를 N회라 하면 가동 코일에서 발생하는 전자력 F는 F`=BIbN`[N`]로 된다. 따라서 가동 코일에 작용하는 구동 토크 T _{d}는 T _{d} =abBIN=k _{d} I[N BULLET m]``k _{d} =abBN으로 계산된다.
한편, 구동 토크 T _{d}에 의해 회전하는 가동 코일에 환상 스프링을 감으면 스프링은 T _{d}에 반항하여 제어 토크 T _{c}를 발생시킨다. T _{c}는 가동 코일의 회전각 θ에 비례하며, T _{c} =k _{c} theta로 표현된다.
가동 코일은 구동 토크 T _{d}와 제어 토크 T _{c}가 평형된 위치에서 정지하므로, 식 T _{d} = T _{c}로 놓아 I를 구하면 I= {k _{c}} over {k _{d}} theta =k theta,`k= {k _{c}} over {k _{d}}가 된다. 그러므로 가동 코일의 회전각 θ는 피측정전류 I에 비례하여 균등눈금으로 나타낼 수 있다.
2.2. 직류 전류계
가동 코일형 계기는 동작원리상 그 자체를 전류계로 사용할 수 있다. 그러나 가동 코일에 직접 흘릴 수 있는 전류는 50 [mA] 정도로서 이보다 큰 전류를 측정하고자 하는 경우에는 [그림 1-2]와 같이 가동 코일과 병렬로 저항 R_s를 접속시켜 전류의 일부를 분류시킨다. 이 저항 R_s를 분류기(Shunt)라 한다.
[그림 1-2] 전류계의 분류기에서 가동 코일에 흐르는 전류 I_i와 피측정전류 I와의 관계는 R_s I_s = I_i R_i , I_s = I-I_i 로 나타낼 수 있다. 그러므로 피측정전류 I는 I_i = (R_s)/(R_i+R_s) I → I = (R_i+R_s)/R_s I_i = mI_i [A], m = (R_i+R_s)/R_s 로 되어 가동 코일에 흐르는 전류의 m배를 측정할 수 있다.
한편 그림에서 분류기를 사용하지 않고 저항 R에 흐르는 전류를 측정하는 경우, 전류계가 지시하는 실제 전류값은 전류계의 내부저항 R_i를 고려하면 I' = E/(R_i+R)로서 이론값 I=E/R보다 적은 전류값을 지시하게 된다. 따라서 전류계의 내부저항은 가급적 적은 것이 바람직하며, 정밀한 측정을 할 경우에는 전류계의 내부저항을 조사하여 이 내부저항에 의한 측정상의 오차를 보상해 주어야 한다.
2.3. 직류 전압계
가동 코일형 계기를 피측정회로와 병렬로 연결하면 가동 코일에는 피측정회로의 저항과 계기의 내부저항에 반비례하여 전류가 흐르고 전압강하도 발생한다. 이때 발생한 전압강하는 가동 코일에 흐르는 전류에 비례하므로 가동 코일형 계기를 전압계로 사용할 수 있다.
그러나 가동 코일의 내부저항은 작고, 가동코일에 흘릴 수 있는 전류도 작으므로 [그림 1-3]과 같이 가동 코일과 직렬로 저항 R_m을 접속하여 측정범위를 확대한다. 이 저항 R_m을 배율기(multiplier)라고 한다.
그림에서 코일에 가해준 전압 v와 피측정전압 V와의 ...
