실험 1. 기본 측정실험
◆개요◆
오실로스코프와 멀티미터의 외관을 살펴보고 사용법을 알아본다. 그리고 오실로스코프와 멀티미터의 사용법을 통한 두 측정기의 차이점을 비교해보고 아날로그 및 디지털 테스터의 사용법을 익히고 직류전압, 교류전압, 저항값을 측정하며 저항값의 판독법을 습득한다. 그리고 만능기판의 기본적인 사용요령을 습득하여 전기회로실험에 대한 이해도를 높인다.
◆관련 이론◆
아날로그 오실로스코프의 동작 원리
"Cathode Ray Tube Oscilloscope"는 수직축으로 변화하는 신호가 입력되면 "AC/DC 커플링"에서 커플링되고 "감쇄 또는 증폭기 회로"를 지나 트리거 레벨에 맞으면 수평축에 트리거 신호를 보내고 "딜레이 라인"을 거쳐 "수직편향판"으로 들어가 "스크린 상"에 표시된다. 또한 수직 입력 신호의 트리거 신호를 받아 타임베이스 발생기(스위트 발생기)는 램프파를 발생시켜 수평편향판에 공급하고 스크린 상에 왼쪽에서 오른쪽으로 스위프한다.
디지탈 오실로스코프는 크게 나누어서 입력부, A/D변환부, 메모리부, 타이밍 발생부, 제어부, 표시부로 나눌 수 있다.
디지털 오실로스코프의 동작 원리
입력부는 일반적인 아날로그 오실로스코프와 거의 동일한 구조로 되어 있고 A/D변환, 메모리부, 타이밍 발생부 및 제어부는 컴퓨터와 유사한 구조로 되어 있고, 표시부는 TV 또는 컴퓨터 모니터와 유사한 방식 및 아날로그 오실로스코프와 같은 방식이다.
디지탈 오실로스코프의 기본적인 성능은 A/D 변환부, 메모리부, 표시부에 달려 있다. A/D 변환부는 측정하는 신호의 분해능, 측정가능 주파수에 영향을 주고, 메모리부 및 표시부는 신호의 표시품질, 측정시간 등에 영향을 준다.
제어부는 가각의 제품마다 고유의 기능을 하는 측정항목 등에 연결이 된다.
아날로그 멀티미터의 동작 원리
영구 자석 사이에 coil이 있고 코일 끝부분에 지침이 있다. 자기장 속에 놓여 있는 도선에 전류가 흐르면 그 도선은 플레밍(Fleming)의 왼손 법칙에 의해서 힘을 받아 움직이게 되므로 이에 연결된 지침이 회전하게 된다. 여기서 코일에 흐르는 전류를 I,자속 B,코일의 높이 L,코일의 폭 R,코일이 받는 힘을 F 라 하면 F=2I×B 이다. 이때, 코일에 감긴 수를 N이라 할 때, 회전 토크(Torque)의 크기τ는 τ=2RLBNI으로 나타낼 수 있다. 1식에서 R,L,B,N은 모두 고정된 크기를 갖는 상수이므로 결국 회전 토크τ는 전류 I에 비례하게 된다. 따라서 멀티미터 지침의 회전 정도는 흐르는 전류의 양을 나타내게 된다. 이와 같은 원리에 의해서 전류를 측정 할 수 있고, 저항에 흐르는 전류가 전압에 비례하는 성질을 이용하여 전압의 측정도 가능해진다. 저항의 크기는 멀티미터 내부의 별도의 일정 전원에 의하여 저항에 흐르는 전류를 측정함으로서 측정할 수 있다.
◆실험 기기◆
1) 멀티미터
전류, 전압, 저항 등 기본적인 전기량의 측정을 겸하여 할 수 있는 간편한 측정기이다. 보통 테스터라고 부르기도 하고, 전압계, 저항계, 전류계의 종합 계기라는 의미에서 VOM(Volt-Ohm-Milimeter)이라고 부르기도 한다. 멀티미터는 내부적으로는 직류전류미터, 분류기, 분압기 및 저항측정용 전지로 구성되며 외부적으로는 눈금, 기능스위치 또는 배율기, 저항 영점 조절계 및 측정단자로 구성된다. 기능스위치와 배율기가 겸용으로 되어있는 경우가 많으며, 대개의 멀티미터로는 전압은 약 1000V이내, 전류는 약250mA이내 저항은 약 20M 정도까지 측정할 수 있다. 최근에는 전기량을 지침으로 읽게 되어있는 아날로그 멀티미터 이외에 측정량이 직접 수치로 나타나는 디지털 멀티미터도 많이 사용되고 있다.
Com에 검은색 코드를 연결하고 전압과 저항, 전류에 따라 빨간색 코드를 다르게 연결한 다. 전류는 높은 전류부터 낮은 전류를 특정해야 멀티미터가 고장이 안 난다.
전류는 직렬에서, 전압은 병렬에서 일정하기 때문에 전류는 직렬 측정, 전압은 병렬 특정 을 해야 한다.
2) 오실로스코프
오실로스코프는 전자 장비를 보수하거나 디자인할 때 필요한 필수적인 계측기로 전기적 신호를 화면상에 나타내 주는 것이다. 물리적인 세계에서는 에너지, 입자의 진동, 그 밖 의 보이지 앉는 힘들이 어디에서나 존재하며, 이러한 힘들을 전기적인 신호로 바꿔주는 것 이 센서이고, 바뀐 전기적 신호를 연구하고 관찰할 수 있는 것이 오실로스코프이다. 다 시 말해서 오실로스코프는 짧은 시간에 발생하는 전기적 현상들을 눈으로 볼 수 있게 해 주는 계기라고 할 수 있다.
3) 만능기판
브레드보드(breadboard), 속칭 빵판 또는 빵틀은 전자 회로의 (일반적으로 임시적인) 시제품을 만드는 데 사용하고 재사용할 수 있는 무땜납 장치이다. 이것은 스트립기판(베로보드)과 현저하게 다르며 영구적이거나 1회용 시제품을 만들때 사용하고, 쉽게 재사용할 수 없는, 초기 인쇄회로기판과 비슷하다. 일반적인 브레드보드는 버스 스트립으로 알려진, 내부연결 전기단자의 스트립이 있고, 주장치의 일부나 격리된 블록처럼 한쪽이나 양쪽은 전원선을 확장하도록 끼워져 있다.
현대의 무땜납 브레드보드는 천공아래에 많은 납이 도금된 인청동 스프핑 클립이 있는 플라스틱 천공 블록으로 구성된다. 두개의 일련 패키지(dual in-line package, 약자 DIP)인 집적회로는 블록의 중앙선을 벌려서 삽입할 수 있다. 내부 연결 전선과 (축전기, 저항기, 코일, 등과 같은) 각각 부품 핀은 회로 위상을 완성하기 위해서 여전히 남는 구멍에 삽입할 수 있다. 이렇게, 다양한 전자 시스템은 소형 회로에서 완벽한 중앙 처리 장치(CPU)까지, 시제품화 될 것이다. 그러나, (접점당 2 ~ 25 pF으로 발생되는) 큰 공전 전기 용량 때문에, 무땜납 빵판은 상대적으로 낮은 주파수로 동작이 제한된다. 일반적으로 회로의 특성에 따라서 10 MHz보다 느리게 동작한다.
◆실험 순서◆
전압 측정
(1) 테스터의 두 단자 중 흑색단자를 COM 으로 표시된 곳에 끼우고 적색 단자를 V/ 으로 표시된 곳에 끼운다.
(2) 전압 측정요령에 준하여 건전지 양단전압을 측정한다. 전환 스위치를 DCV 내의 다른 범 위로 옮겨가면서 지시값이 변환하는 것을 관찰기록한다. 측정봉올 서로 바꾸어 측정하면서 어떤 값을 지시하는지 관찰한다.
(3)전환스위치를 ACV 로 놓고 전압측정요령에 준하여 110V 및 220V 의 전원 콘센트에 측 정단자를 끼워 전압을 측정한다. 각각의 경우에 테스터의 전환스위치를 최대 범위에서 낮추어가며 그때마다 전환스위치의 위치와 측정치를 함께 기록한다. 바늘이 오른편 끝 지시치의 범위를 벗어나면 신속히 전환스위치를 보다 높은 범위로 바꾸어준다. 그리고 측정봉을 서로 바꾸어 보고 어떤 결과가 나오는지를 관찰, 기록한다.
(4)직류전원장치의 출력단자 전압을 측정한다. 먼저 테스터의 전환스위치를 직류전압 최대 범위에 놓고 측정하는 상태에서 직류전원장치의 출력전압 조절 노브롤 돌려 최대 전압 이 나오도록 한다. 최대전압나오는 상태에서 전환스위치를 한단계씩 낮추어 가며 그 때마다 바늘이 가리키는 지시치를 읽고 전환스위치의 위치와 그때의 측정치를 기록한다.
(5)위의 1-5 항의 실험을 아날로그 테스터 대신 디지탈 테스터를 사용하여 행한다.
저항측정
(1)아날로그 테스터의 전환 스위치를 옴으로 맞추고 저항측정요령에 준하여 주어진 각종 저 항기의 저항을 측정 한다. (10개 이상)
(2)저항 측정을 디지탈 테스터로 행하여 아날로그 테스터로 측정한 값과 비교한다.
만능기판에서의 측정
(3)수 k옴 단위의 적절한 저항을 하나 선택하여 만능기판의 넓은 구역에 세로로 삽입한다. 직류전원장치의 출력을 만능기판의 포스트에 연결하고 여기서부터 적절한 길이의 전선을 통해 좁은 구역의 삽입구에 전원을 접속한다. 전원의 양의 단자측이 저항의 한쪽과 접속 되도록 짧은 전선으로 연결하고 그 반대편에는 마찬가지로 전원의 음의 단자가 접속되도 록 연결한다.
(4)직류전원장치를 켜고 테스터로 저항 양단의 전압을 측정한다. 이 때에도 반드시 전압측 정요령을 따르도록 하며 이 전압이 10V 가 되도록 전원장치의 출력을 맞춘다.
(5)테스터를 떼고 전원장치를 끈다. 저항과 음의 전원단자측을 연결하는 전선율 기판으로 부터 제거한 다음 전원장치를 켠다. 다시 테스터를 저항 양단에 대고 전압을 측정한다. 이때 어떤 전압이 나타나는가? 그 이유는?
(6)전원장치를 끄고 테스터의 전환스위치를 직류전류의 최대 범위 위치로 돌려 놓는다. 앞 서 연결도선을 제거한 쪽의 저항 인출선에 테스터의 양의 단자를 접촉시킨다. 그리고 테스터의 다른 단자를 전원장치의 음단자(또는 그라운드)에 접촉시킨다. 전원장치를 다시 킨 다음 테스터가 지시하는 전류값을 읽고 기록한다. 테스터의 전환스위치로 범위를 한 단계씩 낮추어가며 전류값을 읽고 기록한다. 테스터의 지시값이 최대범위를 넘어서면 측정을 종료한다.
(7)위에서 사용된 저항의 공칭값을 기록하고 측정된 전압，전류로부터 지항값과 저항에서 소비되는 전력을 계산한다.
1) 오실로 스코프 각 단자의 기능을 살피고 아래의 명칭과 작동 법을 익힌다.
*INTENSITY : 화면의 밝기 조정
*FOCUS : 초점 조정
*TRACE ROTATE : 화면의 수평주사선이 지자기의 영향 등으로 경사가 지는 것을 교정
*SCALE ILLUM : 화면상의 눈금자의 밝기 조정
*TIME/DIV : 수평 1눈금당 시간 선택
*VAR : TIME/DIV의 미세조정 : 시계방향으로 완전히 돌리면 눈금 맞추기 즉 TIME/DIV선택위치의 동일한 시간간격이고, 반시계방향으로 완전히 돌리면 대게 2.5배까지 시간 간격이 늘어난다. 통상 CAL위치에 놓고 사용한다.
*TRIGGER : 입력위상동기 : 입력신호가 어떤 전압 값을 만족하는 시간부터 파형을 CRT에 나타낸다. CRT상에 파형을 고정시킬 수 있으므로 파형관찰을 쉽게 해준다.
*LEVEL : TRIGGER 전압 조정
*AUTO : 입력신호의 중간부분을 TRIGGER LEVEL로 자동조정
* + : TRIGGER LEVEL의 극성반전
*INT : TRIGGER 신호를 내부회로의 것을 사용
*EXT : TRIGGER 신호를 외부에서 입력
*CHANNEL : 2CHANNEL인 경우, 두 개의 파형을 동시에 볼 수 있고, 두 파형의 합성도 할 수 있다.
*vOLTS/DIV : 수직 1눈금당 입력전압 선택. VAR의 기능은 수평과 유사
*AC-GNC-DC : 수직입력선택 : 입력파형을 교류결합, 직류결합, 접지 중에서 선택한다.
2) 함수 발생기를 이용하여 발생되는 주파수를 측정한다.
①sweep function generator의 frequency dial을 돌려서 원하는 function 주파수를 맞춘다.
②Osilliscope의 정지파형을 잡고, 주기 T를 계산한다.
③T=1/f의 관계에서 f를 계산한 후, ①번에 설정한 주파수와 비교한다.
1) 직류전압의 측정
- 측정 대상의 전원이 꺼져 있는지 확인한다.
- 흑색 리드선을'-'혹은 COM 단자에 연결하고 적색 리드선을 전압 저항 전류 단자에 연결한다.
- 측정하고자하는 소자와 리드선을 병렬로 연결한다.
- 레인지 선택스위치를 'DC V'의 네 가지 범위 중에 적절한 위치에 놓는다. 만일 측정값을 예측 할 수 없는 경우에는 가장 높은 레인지에서부터 남는 레인지로 옮겨가면서 선택한다.
- 측정회로의 전원을 켠다.
- 만일 지침이 0점 이하로 내려가면 측정회로의 전원을 끄고 리드선의 위치를 서로 바꾸어 접촉한다.
- 눈금판의 직류 전용 눈금선 (흑색)에서 지시값을 읽는다.
- 10, 50, 250의 레인지에서는 해당 눈금을 직접 일고 2.5는 250눈금선의 지시값을 100으로 나눈다. 1000 레인지에서는 10 눈금선에 100을 곱하여 읽는다.
- 측정이 끝나면 측정회로의 전원을 끄고 테스터의 레인지 선택 스위치를 반드시 OFF에 둔다.
2) 교류전압의 측정
- 레이지 선택 스위치를 'AC V'에 놓는다.
- 극성(+.-)은 별도로 구별할 필요가 없다.
- 측정된 값은 실효치(Effects Value 혹은 RMS Value)를 표시한다.
- 첨두치(Peak Value)가 필요한 경우는 실효치 값에 루트2를 곱해주고, 첨두간치 (Peak-to-Prak)가 필요한 경우는 2루트2를 곱해주면 된다.
3) 직류전류의 측정 (250mA 이하)
- 측정대상의 전원이 꺼져 있는지 확인한다.
- 흑색 리드선을 '-' 혹은 COM 단자에 연결하고 적색리드선을 전압 저항 전류 단자에 연결한다.
- 측정하고자 하는 소자와 리드선을 반드시 극성에 유의하면서 직렬로 연결한다.
- 레인지 선택 스위치를 'DC A'의 세가지 범위 중에 적걸한 위치에 놓는다. 만일 측정값을 예측할 수 없는 경우에는 가장 높든 레인지에서부터 낮은 레인지로 옮겨 가면서 선택한다.
- 측정회로의 전원을 켠다.
- 만일 지침이 0점 이하로 내려가면 측정회로의 전원을 끄고 리드선의 위치를 서로 바꾸어 접촉한다.
- 눈금판의 직류 전용 눈금선 (흑색)에서 지시값을 읽는다.
- 250의 레인지에서는 해당 눈금을 직접 일고 2.5는 250 눈금선의 지시값을 100으로 나눈다. 25 레인지에서는 250 눈금선에 10을 나누어 읽는다.
- 측정이 끝나면 측정회로의 전원을 끄고 테스터의 레인지 선택 스위치를 반드시 OFF에 둔다.
4) 직류전류의 측정 (250mA 이상~10A이하)
- 측정대상의 전원이 꺼져 있는지 확인한다.
- 흑색리드선을 '-'혹은 COM 단자에 연결하고 적색리드선을 'DC10A' 단자에 연결한다.
- 측정하고자 하는 소자와 리드선을 반드시 극성에 유의하면서 직렬로 연결한다.
- 레인지 선택 스위치를 10A에 놓는다.
- 측정회로의 전원을 켠다.
- 만일 지침이 0점 이하로 내려가면 측정회로의 전원을 끄고 리드선의 위치를 서로 바꾸어 접촉한다.
- 눈금판의 10 눈금선 (흑색)에서 지시값을 읽는다.
- 측정이 끝나면 측정회로의 전원을 끄고 테스터의 레인지 선택 스위치를 반드시 OFF에 둔다
5) 저항의 측정
흑색 리드선을 ‘-’혹은 COM 단자에 연결하고 적색 리드선을 단자에 연결한다.
레인지 선택 스위치를'0HM'의 네가지 범위 중에 적절한 위치에 놓는다. 만일 측정값을 예측할 수 없는 경우에는 가장 높은 레인지에서부터 낮은 레인지로 옮겨가면서 선택한다.
두 개의 리드선을 단락시켜 지침이 저항 눈금선에 정확히 오도록 옴조정기를 조정한다.
측정하고자하는 저항의 양단에 리드선을 연결한다.
눈금판의 저항 전용 눈금선 (녹색)에서 지시값을 읽는다. 이때 선택한 레인지에 표기된 수치만큼 지시값에 곱한다.
측정이 끝나면 테스터의 레인지 선택 스위치를 반드시 OFF에 둔다.
주의사항
멀티미터를 회로에 연결한채 레인지 선택 스위치를 바꾸지 말 것
직류 전압과 직류 전류의 측정시에는 - 극성에 유의할 것
측점이 끝난 후에는 반드시 선택 스위치를 OFF에 둘 것
레인지 선택 스위치를 저항이나 전류 위치에 놓고 전압을 측정하면 멀티미터가 파손되기 쉬우므로 측정 전에 반드시 선택 위치를 확인할 것
◆참고 문헌◆
[네이버 지식백과] 멀티미터 [multimeter] (브리태니커 비주얼사전 > 손수짜기(DIY)와 정원 가꾸기, 2012., 브리태니커 비주얼사전)
멀티미터|작성자 민학짱
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