개념 한 쪽
전압과 저항을 정확히 측정하려면 계기 특성과 연결 방식을 이해해야 한다. 전압계는 직렬로 연결하여 측정 범위를 늘리고, 전류계는 병렬 분류기를 통해 범위를 확장한다. 또한 매우 작은 저항을 정밀 측정할 때는 4단자 측정 방식의 브리지를 사용하여 선저항과 접촉저항의 영향을 제거해야 한다.
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출제기준 단원 「저전압 및 고전압 측정」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전압계 직렬 확장 계산 | 1 | 직렬 연결한 전압계의 최대 측정 전압을 계산하기 |
| 브리지 적합 대상 판단 | 1 | 캘빈 더블 브리지가 적합한 측정 대상을 고르기 |
| 캘빈 원리 설명 | 1 | 캘빈 더블 브리지가 저저항 측정 가능한 이유를 묻기 |
전압계를 직렬로 접속하면 각 전압계의 내부저항에 따라 전압이 분배되므로 전체로 더 큰 전압을 측정할 수 있다. 이때 직렬 회로의 전류는 일정하므로 각 전압계에 걸리는 전압은 그 내부저항과 회로 전류의 곱으로 결정된다. 내부저항이 서로 다를 때 단순히 최대눈금의 합을 두 배로 보는 오류를 경계해야 한다.
저저항을 정밀하게 측정하기 위한 대표적 방법은 4단자 측정 방식이다. 캘빈 더블 브리지는 전류 인가용 단자와 전압 검출용 단자를 분리하는 구조로 리드선 저항과 접촉 저항의 영향을 회로에서 제거한다. 이 원리로 극소 저항을 정확히 측정할 수 있다.
브리지 종류는 측정 대상에 따라 선택해야 한다. 헤비사이드 브리지는 인덕턴스와 그 직렬 저항 측정에 적합하며, 콜라우시 브리지는 특히 축전지 등 내부저항과 같이 매우 작은 저항값을 정밀하게 측정할 때 적합하다. 휘트스톤 브리지는 중저항, 맥스웰 브리지는 인덕턴스와 관계된 측정에 주로 사용된다는 점을 구분해야 한다.
전류를 동작 중인 기기에서 측정할 때는 도선을 절단하지 않고 비접촉 방식으로 측정하는 계기가 적합하다. 클램프 미터는 도선 주위의 자기장을 감지하여 교류 전류를 안전하게 측정하므로 동작 중인 전동기 전류 측정에 표준적으로 사용한다. 미세 전류나 전압 유무 검출에는 검류계가 특화되어 있다.
계측기 선정 시에는 신뢰도와 정확도, 신속도 등 성능 관련 요소를 우선 고려해야 한다. 외관의 미려도는 측정 성능과 무관하므로 계측기 선택의 고려사항에서 제외한다.
직렬로 연결한 두 전압계의 최대측정 전압을 구하는 대표 계산을 보인다. - 전압계1: 내부저항 R1 = 20 kΩ, 최대눈금 200 V. 전압계2: 내부저항 R2 = 15 kΩ, 최대눈금 200 V라 가정한다. - 전압계1이 최대한도 200 V를 견디는 경우 흐르는 전류 I = 200 V ÷ 20 kΩ = 10 mA가 된다. - 같은 전류가 직렬인 전압계2에도 흐르므로 전압계2에 걸리는 전압 V2 = I × R2 = 10 mA × 15 kΩ = 150 V이다. - 따라서 두 전압계를 직렬로 접속했을 때 측정 가능한 최대 전압은 200 V + 150 V = 350 V이다. 이 방법은 각 전압계의 최대 전류 조건을 먼저 확인한 뒤 내부저항에 따라 전압 분배를 계산하는 절차를 따른다.
캘빈 더블 브리지를 이용한 저저항 측정의 핵심 원리를 요약하면 다음과 같다. - 전류를 흘리는 단자와 전압을 측정하는 단자를 분리하여 리드선 저항과 접촉 저항의 영향을 제거한다. - 이 4단자 방식으로 인해 검출 전압은 측정 대상 저항 자체에만 의존하므로 극소 저항의 정밀 측정이 가능하다.
내부저항이 20kΩ이고, 최대눈금이 200V인 전압계와 내부저항이 15kΩ이고, 최대눈금이 200V인 전압계를 직렬로 접속하여 측정할 때 최대 몇 V 까지 측정할 수 있는가?
정답 ③ · 직렬로 연결된 두 전압계의 내부 저항은 20kΩ과 15kΩ입니다. 직렬 회로에서 각 전압계에 걸리는 전압은 저항에 비례하여 분배됩니다.
직렬 연결 전압계의 최대 측정 전압은 각 전압계의 한계 전압을 저항 비로 분배하여 합산한 값이다.
캘빈 더블 브리지로 측정하는데 적당한 것은?
정답 ③ · 문제는 캘빈 더블 브리지가 적합한 측정대상을 묻고 있다. 캘빈 더블 브리지는 접촉저항 등의 영향을 보상하여 매우 작은 저항을 정밀하게 측정하도록 설계되었으므로 굵고 짧아 저항값이 극소인 전선의 저항을 측정하는 데 적합하다.
캘빈 더블 브리지는 극소 저항을 정밀하게 측정하기 위한 회로로, 굵고 짧은 전선의 저항 측정에 적합하다.
캘빈 더블 브리지로 저저항을 측정할 수있는 이유로서 알맞은 것은?
정답 ① · 문제는 캘빈 더블 브리지가 저저항 측정에 적합한 이유를 묻고 있다. 캘빈 방식은 4단자 측정으로 전류 경로와 전압 측정 경로를 분리하여 리드선과 접촉 저항의 영향을 제거하므로 단말 접촉저항을 무시할 수 있어 저저항을 정확히 측정할 수 있다.
캘빈 더블 브리지는 4단자 측정 방식으로 접촉 저항과 리드선 저항 영향을 제거한다.
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