전압계, voltmeter

오랜만에 인사드리는 올지영입니다.

 

 

전압계란 무엇일까요?

 

 

영어로 '볼트미터(voltmeter)'라고도 부르는 전압계는, 회로 상 두 지점 사이의 전압 또는 전위차를 측정하는 기기입니다.

주로 교류회로나 직류회로에서 사용되지만, 무선주파수(Radio Frequency) 전압과 같이 특수한 경우에 사용되는 특수 전압계도 있습니다.

 

전압계

 

 

전압계는 일반적으로 볼트(V), 밀리볼트(mV), 킬로볼트(KV)의 단위로서 측정이 됩니다. 전압의 크기에 따라 단위 설정을 잘 하는 것도 중요합니다.

 

 

장비의 전압을 측정하기 위해서는 전압계가 이 장비에 병렬로 연결되어야 합니다. 병렬로 연결되는 경우 일반적으로 동일한 전위차를 가지게 되고, 또한 동일한 전압 강하가 이루어진다고 보기 때문에 측정하고자 하는 회로에 병렬로 연결됩니다.

 

 

전압계는 또한 높은 값의 내부저항(Rv)을 가지고 있습니다. 

전압계의 목표가 회로 상의 두 지점 사이의 전위차를 측정하는 데에 있으므로 전압계를 연결하였다고 해서 이 측정하고자 하는 회로 상에 흐르는 전류가 달라지면 안되겠지요? 즉, 전압계의 높은 저항이 전압계를 통한 전류의 흐름을 방해하여 장비 자체의 전류의 흐름을 동일하게 유지하게 되고, 이를 통해 우리는 전압을 정확하게 읽어낼 수 있습니다. 

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전압계 기호

 

전압계는 일반적으로 문자 V로 표시되며 두 단자에 인접한 원 안에 배치됩니다.

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전압계의 종류 

 

일반적으로 측정 결과가 눈금으로 표시되는 아날로그형 지시 전압계와, 숫자로 표시되는 디지털 전압계로 나눌 수 있습니다. 오늘날 사용되는 대다수의 전압계는 디지털 전압계로, 판독 값을 수치로 표시하여 보여줍니다. 아날로그형 지시 전압계의 경우 측정이 시작되면 바늘이 어떤 방향으로 움직이기 시작하여 눈금으로 판독 값을 알려줍니다. 아무래도 디지털 전압계가 아날로그 전압계보다 정확도가 높은 편이라 선호도가 높은 편입니다. 아래에서 자세히 살펴보겠습니다.

 

• 아날로그 전압계 

 

아날로그 전압계의 판독값은 눈금 위를 가리키는 바늘로 표시되는데, 바늘의 움직임은 바늘에 작용하는 토크(회전력)의 영향을 받습니다. 발생하는 토크의 크기는 측정되는 전압에 정비례합니다. 작동 원리에 따라 가동코일형, 가동철편형, 전류력계형, 정전기형, 열전쌍형 등으로 분류됩니다. 계기 타입에 대한 자세한 설명은 다음 기회에...

 

 

- 가동 코일형(moving coil type) 전압계

 

가장 널리 사용되고 있는 아날로그식 전압계로 주로 직류 전압을 측정하는데 사용됩니다.(정류기를 함께 사용하면 교류 전압 측정도 가능합니다.)

영구 자석으로 인해 생성된 자기장 내부에 가동 코일을 놓고 전류를 흐르게 하면, 자기력선의 크기 변화로 인해 코일이 회전되면서 생기는 토크로 바늘을 움직이게 하여 작동합니다. 가동코일에 흐르는 전류가 클 수록 자기력선의 크기도 커져 회전하는 각도도 커지게 됩니다.

강력한 영구자석이 사용되어 정밀도가 우수하고 안정적입니다.

 

 

- 가동 철편형(moving iron type) 전압계 

 

가동철편형은 주로 배전반이나 변압기 등 고정된 장소에 설치된 장비의 계기 모니터링 용으로 사용됩니다. 정밀한 측정은 힘들지만 튼튼하고 간단한 구조입니다.(값도 쌉니다.) 주로 교류 전압을 측정하는데 널리 사용되며 상용 주파수인 60Hz부터 약 400Hz까지의 교류 전압을 측정할 수 있습니다.

 

 

- 전류력계형 (electro-dynamo meter type) 전압계

 

전류력계형 전압계는 가동코일형 전압계와 마찬가지로 가동코일을 쓴다는 것은 동일하지만, 영구 자석 대신에 코일을 감아서(고정 코일) 자기장을 만들어 내는 게 다른 점입니다. 직류, 교류 겸용 전압계로, 역시 정확도가 높은 편입니다. 

 

 

- 정전기형 전압계 (Electric Voltmeter)

 

두 개의 대전체, 즉 고정 전극과 가동 전극 사이에서 발생하는 정전기력을 이용하는 전압계로 교류, 직류 모두 측정 가능하며 수천 볼트 이상의 고전압 측정에 사용됩니다. 

 

 

- 열전쌍형(thermojunction type)전압계 

 

서로 다른 두 종류의 금속의 접합점에서 발생되는 온도차에 의한 열기전력으로 가동코일을 동작시켜 전압을 측정하라 수 있습니다. 

 

 

• 디지털 전압계 

전압 측정 기기들 중 자주 사용되는 전압계는 바로 디지털 전압계 입니다. 디지털 전압계는 입력 전압을 디지털 값으로 변환하여 측정한 다음, 계기판에 숫자 형식으로 표시합니다. 일반적으로 특수한 유형의 아날로그-디지털 변형회로를 중심으로 설계됩니다. 

 

일반적으로 사용되는 아날로그 전압계는 1% 정도의 오차 범위로 측정이 가능하지만 디지털 전압계의 경우 오차가 1% 미미만으로 대단히 정밀합하며, 일부 특수 목적의 전압계는 백만분의 1 정도의 오차 범위 안에서 값을 측정할 만큼 정밀도가 뛰어납니다. 

다만, 디지털 전압계를 사용할 때 가장 유념해야하는 것은 기기의 측정값을 보정하는 과정인데, 보통 제조업체가 지정한 허용 오차를 보장하기 위해 Weston Cell과 같은 전압 표준으로 주기적인 보정이 필요합니다. 

 

 

 

위에서 설명한 것처럼 전압계는 다양한 방식로 만들어집니다. 일부 휴대용 제품은 배터리를 사용하여 별도 전원을 공급받는 반면에 발전기나 그 외의 고정된 장치의 전압을 측정할 때에는 패널 내부에 내장되어 있는 전압계가 사용되기도 합니다. 일반적인 경우에는 전류계와 저항 측정 장치가 포함된 멀티미터라는 휴대용 장치를 사용하는데 이 장비는 전기 작업 환경에서 표준 테스트 장비로 자주 사용됩니다. 

 

계측 장비에 대한 자세한 내용은 다음에 공부해 보도록 하겠습니다.

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ⓒ올지영

 

※참고자료

What is Voltmeter? Voltmeter Types, Uses, Symbol, Diagrams (byjus.com)

What is Voltmeter? Voltmeter Types, Uses, Symbol, Diagrams