1. (아날로그)테스터와 디지털 멀티미터의 사용방법

1. (아날로그)테스터와 디지털 멀티미터의 사용방법

1. 실험목적: 

(1): (아날로그)테스터의 구동원리와 기능 및 디지털 멀티미터의 기능을 습득한다.

(2): 테스터를 이용하여 직류전압, 교류전압, 직류전류 및 저항을 측정하는 방법을 이해하고 습득한다.

2. 실험이론

 테스터는 저항, 전류, 전압 등의 기본적인 전기량의 측정을 하나의 기기로 측정할 수 있는 측정장비이다. 여기서는 테스터(Analog tester)라고 부르지만 전압계(Voltmeter), 전류계(Milliammeter), 저항계(Ohmmeter)를 하나의 기기로 측정할 수 있어서 VOM(Volt-Ohm-Milliamphere meter)라고 부른다. 테스터의 내부는 직류전류계(구동부), 분류기, 분압기, 저항측정용 전지로 구성되어있고, 외부는 눈금, 기능스위치(또는 선택스위치), 배율기, 저항영점조정기 및 측정단자로 구성된다. 보통 기능스위치와 배율기를 한번에 사용할 수 있게 되어있는 경우가 많고, 일반적인 테스터로 전압은 약 \(100\text{V}\)이내, 전류는 약 \(250\text{mA}\)이내, 저항은 약 \(20\text{M}\Omega\)정도까지 측정가능하다. 최근에는 전기량을 구체적인 숫자로 나타내는 디지털 멀티미터도 많이 사용되고 있다.

1) 테스터의 구동원리

테스터의 구동원리는 영구자석에 의한 자기장 사이에 코일이 놓여있고, 코일 끝에는 지침이 연결되어있다. 자기장 내부에 위치한 코일에 전류가 흐르면, 그 코일은 플레밍의 왼손법칙에 의해 힘을 받아 회전하게 되고, 따라서 연결된 지침도 회전한다.

코일에 흐르는 전류를 \(i\), 자속을 \(B\), 코일의 높이와 폭을 각각 \(b\), \(a\)라 하면, 코일이 받는 힘 \(F\)는$$F=ibB$$이다. 이때, 코일이 \(N\)번 감겨있으면, 회전토크의 크기 \(\tau\)는$$\tau=abBNi$$이고, \(a,\,b,\,B,\,N\)은 모두 일정한 값을 가지므로 토크 \(\tau\)는 전류 \(i\)에 비례한다. 

따라서 지침의 회전하는 정도는 흐르는 전류의 양을 나타내고, 이때 지침은 코일의 회전을 제어하는 용수철의 복원력이 코일이 받는 힘 \(F\)와 평형을 이룰 때까지 움직이게 된다. 이러한 원리로 전류를 측정할 수 있고, 저항에 흐르는 전류는 전압에 비례한다는 옴의법칙으로부터 전압측정도 가능하게 된다. 저항의 크기는 멀티미터안에 있는 별도의 고정된 전원에 의해 저항에 흐르는 전류를 측정함으로써 옴의 법칙에 의해 측정할 수 있다.

2) 테스터와 멀티미터의 기능

(1) 테스터의 기능

테스터는 최대눈금이 \(50\sim100\mu\text{A}\)의 직류전류계와 여러 개의 분류기, 분압기, 전환스위치 등으로 구성되며, 저항을 측정할 때는 계기 내부에 들어있는 전지가 사용된다.

다음은 테스터의 그림, 기능 및 사용법이다.

① 트랜지스터 검사 소켓: 트랜지스터를 검사할 때, 소켓에 표시된 각 극성 간의 정확한 위치에 실험할 트랜지스터의 극성을 맞추어 삽입한다.

② 트랜지스터 판정 지시장치: 빨간색 및 초록색 램프로 되어있어 빨간색이 켜지면 PNP극성의 트랜지스터이고, 초록색이 켜지면 NPN극성의 트랜지스터이다. 두개의 램프가 점멸되면 측정하려는 트랜지스터의 극간이 개방상태의 고장임을 나타내며, 모두 점멸되지 않으면 컬렉터(C)-이미터(E) 간의 단락 고장을 뜻한다.

③ 입력소켓: 각종 전기량응ㄹ 측정할 때 측정리드를 삽입하는 단자로 (+), (-)극성에 유의해야 한다.

④ 전환 스위치: 이 스위치에 의해 모든 측정기능 및 측정범위를 바꿀 수 있고, 왼쪽, 오른쪽 어느 방향으로 돌려도 된다. 대체로 왼쪽이 직류전압, 직류전류, 오른쪽이 교류전압, 저항 선택으로 되어있다.

이 전환 스위치는 기능스위치와 배율기 두 기능을 동시에 사용가능하다.

⑤ \(0\Omega\) 조정기: 저항을 측정할 때 측정용 리드선을 단락시키면 단자 사이의 저항은 \(0\Omega\)가 된다. 이때 눈금판의 오른쪽에 있는 눈금 0의 위치에 지침을 일치시켜야 하기 때문에 이것을 맞추는데 사용된다.

⑥ 지침 영점 조정기: 측정 전 반드시 지침이 왼쪽 0점에 있는지 확인하고 필요하면 조정한다.

⑦ 눈금판: 전환스위치의 위치에 따라 계기의 지침이 가리키는 점의 지시값을 읽기 위해 직류전압, 전류, 교류전압, 저항눈금 등 측정범위별로 다중 눈금으로 되어있다.

(2) 디지털 멀티미터의 기능

디지털 멀티미터는 일반적인 아날로그 테스터의 눈금과 지침 대신 구체적인 숫자로 나타내도록 되어있고, 기능전환 스위치는 푸시버튼으로 되어있으며 기능 및 즉정범위의 전환에 의해서 계수란에 자동적으로 단위 및 자리수가 나타난다. 리드선의 극성이 반대가 되었을 때는 (-)의 부호가 나타난다. 미지 전압의 측정은 언제나 높은 측정범위에서부터 내려가면서 측정해야 하며 기능이 다른 상태에서의 측정은 절대로 해서는 안된다.

① \(\text{mA/A}\): AC(교류), DC(직류)전류 측정단자로서 COM 단자와 함께 \(2\text{A}\)이하에서 사용하는 입력단자이다. 

② \(20\text{A}\): \(2\text{A}\sim20\text{A}\)범위의 AC, DC전류를 측정하기 위한 입력단자이다. 

③ 눈금판: 측정값을 나타내는 5자리수의 LCD계수판이다.

④ 단위지시판: 측정값의 단위를 나타내며 이는 AC 또는 DC에서 \(\text{mV,\,V,\,mA,\,A}\)를 구분 지시하게 된다. 또한 AC전압은 \(\text{dBm}\)으로 나타내는 선택표시와 저항측정시 \(\Omega,\,\text{k}\Omega,\,\text{M}\Omega\)의 범위 선택을 표시한다.

⑤ \(0\Omega\) ADJ: \(0\Omega\) 조정스위치이다.

⑥ POWER: 전원 ON/OFF 스위치이다.

⑦ RANGE: 전압, 전류, 저항 측정범위 선택 스위치이다.

⑧ CONTINUITY: 회로의 단락과 개방의 점검기능을 가지며 (약)\(200\Omega\)보다 낮은 경우 부저에서 '삐'소리를 나게 한다.

⑨ \(\Omega\): 저항측정 기능선택 버튼이다.

⑩ \(\sim\text{A},\,=\text{A}\): AC, DC전류 측정 기능선택 버튼이다.

⑪ \(\sim\text{V},\,=\text{V}\): AC, DC전압 측정 기능선택 버튼이다.

⑫ \(\text{dBm}\): AC측정전압을 \(\text{dBm}\)(\(Z=600\))으로 나타낸다.

⑬ HOLD: 측정값을 고정시키는 버튼이다.

⑭ \(\text{V}/\Omega/\text{dBm}\): COM단자와 함께 전압, 저항, 데시벨 측정을 위한 입력단자이다.

⑮ COM: 전압, 전류, 저항 측정의 입력공통 단자이다.

디지털 멀티미터는 눈금판에 표시된 값을 그대로 나타내고, ④에서 지시한 단위를 그대로 붙이면 되는데 테스터처럼 전환 스위치 값을 환산하지 않아도 되므로 매우 편리하다.

3) 직류전압 측정법

 전환스위치를 기능 DC V에 놓고, 배율기를 예상되는 측정전압보다 높은 값으로 설정한 후, 전위가 높은 점을 +극, 낮은 점을 -극(혹은 Common)이 되도록 병렬로 연결하여 측정한다. 이때 측정범위의 값이 최대눈금(Full scale)이 되므로, 이에 비례하여 눈금을 읽으면 직류전압값을 얻는다.

위의 왼쪽 그림의 경우, 기능스위치가 DCV에 있고, 배율기가 250V로 되어있으므로 측정값은 110V이다.

4) 교류전압 측정법

 전환스위치를 기능 ACV에 놓고, 직류전압의 경우와 같이 측정하면 되는데 이때는 극성(+, -)을 구분할 필요가 없다. 측정된 값은 실효값(Effective value 또는 Root-Mean-Square value)를 표시하므로, 만일 최대치(Peak value)가 필요한 경우는 \(\sqrt{2}\)를 곱해주면 된다.

위의 왼쪽 그림의 경우, 기능스위치가 ACV에 있고, 배율기가 250V로 되어있으므로 측정값은 교류 220V이고, 최대치는 \(35\sqrt{2}\text{V}=49.497\text{V}\), 첨두간치는 \(35\times2\sqrt{2}\text{V}=98.99\text{V}\)가 된다.

5) 직류전류 측정법

 전환 스위치를 기능 DC mA에 놓고 배율기를 예상되는 전류보다 높은 값으로 놓은 후, 전위가 높은 점은 +극, 낮은 점은 -극이 되도록 직렬로 연결하여 직류전압 측정의 경우와 같이 측정하면 된다. 이 때 유의할 점은, 직류전류 측정시 전압측정의 경우와는 달리 테스터를 직렬로 연결해야 한다.

위의 왼쪽 그림의 경우, 기능스위치가 DCmA에 있고, 배율기가 50[mA]에 있으므로, 측정값은 직류 20mA이다.

6) 저항 측정법

 저항측정용의 눈금은 눈금판에서나 전압 또는 전류의 눈금과는 별도로 상단에 떨어져 있고, 눈금은 대수적(로그)으로 되어있다. 우선 전환스위치를 \(\Omega\)(또는 \(R\))에 놓고 배율위치를 예상되는 저항값보다 약간 작은 값으로 놓은 후, 영점을 조절한 다음 측정한다. 이때 지시된 눈금값과 배율기의 값을 곱하면, 측정하고자 하는 저항값이 된다. 영점조정의 방법은 테스터의 두 측정단자를 단락(short)시키고 0옴 조정기를 조절하여, 눈금이 0을 가리키도록 조정기를 조절한다. 또한 영점조정은 배율 위치를 바꿀 때마다 해야 한다. 저항측정시 유의해야 할 점은, 전류가 흐르고 있는 회로 내부의 저항을 측정하면, 정확한 저항값을 구하기가 어렵고, 과도한 전류가 흘러 테스터가 손상될 수 있다.

위의 왼쪽 그림의 경우, 기능스위치가 \(\Omega\)에 있고, 배율기가 \(\times10\text{k}\)에 있으므로 측정값은 \(200\text{k}\Omega\)이다.

3. 실험

1) 사용장비 및 부품

: 직류전원 공급기, 테스터, 디지털 멀티미터, \(100\Omega,\,1\text{k}\Omega,\,33\text{k}\Omega,\,1\text{k}\Omega,\,10\text{k}\Omega\)저항

2) 실험과정

(1) 테스터의 측정용 붉은색 리드선은 (+), 그리고 검은색 리드선을 (-)단자에 꽂고 전환스위치를 \(\times10\text{k}\)위치에 두고 리드선을 단락시켜 \(0\Omega\)조정기로 지침이 \(0\Omega\)을 지시하도록 조정한다.

(2) \(100\Omega\,1\text{k}\Omega,\,33\text{k}\Omega,\,1\text{k}\Omega,\,10\text{k}\Omega\)의 각 저항에 대해 전환스위치의 위치를 변경하면서 측정하여 기록한다. 이때 저항 범위선택을 변경할 때마다 영점조정을 실시한다.

(3) 디지털 멀티미터의 측정용 리드선을 (+), (-)단자에 색깔을 구분하여 각각 꽂고 기능스위치의 \(\Omega\)버튼을 누르고 범위는 "Z"버튼을 누른 후 리드선을 단락하여 눈금판에 \(0\Omega\)이 나타나도록 \(0\Omega\) ADJ를 조정한다.

(4) 디지털 멀티미터로 실험과정 (2)와 같은 방법으로 5개의 저항을 각 범위별로 측정하여 기록한다.

(5) 전원공급기의 전원스위치를 OFF하고 디지털 멀티미터의 전환스위치를 직류전압에 놓고 리드선을 전원공급기 출력단에 극성을 맞추어 연결한 후 전원공급기의 전원스위치를 켜서(ON) \(10\text{V}\)가 될 때까지 전압조정 손잡이를 오른쪽으로 돌려맞춘다.

(6) 전원공급기의 전원스위치를 OFF하고 아래의 그림처럼 회로를 구성한다.

(7) 위의 그림과 같이 회로가 연결된 상태에서 전원공급기의 전원스위치를 키고(ON) A-B양단의 저항 R'을 측정하고 전원공급기의 전원스위치를 끄고(OFF) A-B양단의 저항 R''을 측정한다.

(8) 디지털 멀티미터의 붉은 리드선(+)은 그림의 회로의 A에, 검은 리드선(-)은 B에 접속하여 디지털 멀티미터의 각 범위별 전압을 측정한다.

(9) 디지털 멀티미터의 검은 리드선을 A에, 붉은 리드선을 B에 접속하여 전압을 측정한다.

(10) 디지털 멀티미터의 전환스위치를 직류전류에 놓고 리드선을 전류측정 단자에 연결한다.

(11) 그림의 회로 A와 A'사이를 끊고(개방) A'단에는 붉은 리드선을, A단에는 검은 리드선을 연결하여 디지털 멀티미터의 각 범위별로 전류를 측정한다.

(12) 실험과정 (11)의 리드선을 반대로 연결하여 회로에 흐르는 전류를 측정한다.

(13) A-A'를 연결하고 B-B'를 끊고 실험과정 (11), (12)를 반복한다.

(14) 저항 \(R=33\text{k}\Omega\)로 바꾸고 실험과정 (7)과 같이 A-B양단의 저항을 측정한다.

(15) 실험과정 (8)~(13)과 같은 방법으로 전압과 전류를 측정하여 기록한다.

참고자료: 

최신 기초전자전기실험 김동일 외 4인 공저, 두양사

http://phylab.yonsei.ac.kr/board.php?board=reference&command=body&no=20

http://61.108.100.48/%EA%B0%9C%EC%9D%B8%ED%8F%B4%EB%8D%94(%EA%B8%B0%ED%83%80%EC%9A%A9%EB%8F%84%EC%82%AC%EC%9A%A9!)/[%EC%88%98%EC%97%85]%EA%B8%B0%EC%B4%88%EC%A0%84%EC%9E%90%EC%8B%A4%EA%B8%B0/%EA%B8%B0%EC%B4%88%EC%A0%84%EC%9E%90%EC%8B%A4%EA%B8%B0_03.%EC%B8%A1%EC%A0%95%20%EC%9E%A5%EB%B9%84%EC%9D%98%20%EC%82%AC%EC%9A%A9%EB%B2%95.pdf

https://www.kasto.or.kr/download.asp?fn=%BE%D0%B7%C2%C3%F8%C1%A4%B1%E2%20%C0%CC%B7%D0%B9%D7%BD%C7%BD%C0.pdf&fdir=/files/edu1/20161031/%C0%FC%B1%E22(%B5%F0%C1%F6%C5%D0%B8%D6%C6%BC%B9%CC%C5%CD).pdf

http://contents.kocw.or.kr/contents4/document/lec/2013/HanlimSeongsim/Gu%20Gi%20Jun/6.pdf

http://phome.postech.ac.kr/user/edulab/style/phy104/multimeterguide.pdf