KR100996206B1 - 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템 및 이를 사용한 평가방법 - Google Patents

전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템 및 이를 사용한 평가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인덕터 평가용시스템 및 이를 사용한 평가방법으로서, 더욱 상세하게는 전류비교기를 이용하여 인덕터의 저항성분 또는 리액턴스를 정확하게 평가할 수 있는 인덕터 평가용시스템 및 이를 사용한 평가방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 전류비교기를 이용한 인덕터 평가용시스템으로서, 기준 전류변성기와 기준 전류변성기의 1차측에 인가되는 전류와 동일한 전류를 1차측으로 인가받는 측정 전류변성기를 포함하고, 기준 전류변성기의 2차측에 부담이 직렬연결되고, 측정 전류변성기의 2차측에 저항부가 병렬연결되어, 전류비교기를 이용하여 측정 전류변성기의 2차측에 직렬연결된 인덕터를 평가하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템의 다양한 실시예와 그에 따른 평가방법을 제공한다.
전류비교기, 인덕터, 리액턴스, 표준정밀저항, 불확도

Description

전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템 및 이를 사용한 평가방법{Inductor evaluation system using current comparator and evaluating method therewith}
본 발명은 인덕터 평가용시스템 및 이를 사용한 평가방법으로서, 더욱 상세하게는 전류비교기를 이용하여 인덕터의 저항성분 또는 리액턴스를 정확하게 평가할 수 있는 인덕터 평가용시스템 및 이를 사용한 평가방법에 관한 것이다.
인덕터는 저항, 커패시터 등과 함께 전기회로를 이루는 중요한 소자로서, 각종 전자제품, 발진회로, 전원회로의 전류저장소자 등에서 전류의 급격한 변화를 막고 전기잡음을 걸러내는 필터 등으로 사용된다.
이러한 인덕터를 평가하는 시스템으로, 현재 일반적으로 쓰이는 방법으로는 LCR 미터를 이용하는 방법과 인덕턴스 브릿지를 이용한 방법이 있다.
LCR 미터를 이용하는 방법은 인덕터의 평가에 사용하는 케이블 자체의 리액턴스 성분이 측정값에 영향을 미치는 문제가 있다. 또한, 측정 신호가 전압의 경우 5mV~2V, 전류의 경우 100㎂~20㎃ 정도로 작아서 인덕터의 정격까지 전압 또는 전류를 인가하지 못하는 문제가 있다. 인덕터가 전압이나 전류에 따라 변화하는 전압계수, 전류계수를 갖고 있는 점을 감안할 때, 이러한 문제는 인덕터의 정밀한 평가를 어렵게 하는 문제로 이어진다.
또한, 인덕터를 평가하는 또 다른 방법으로서, 인덕턴스 브릿지를 이용한 방법은 인덕터의 정밀측정을 위하여 표준기와 피측정기를 이용하는 방법이다. 이 방법을 사용하는 경우 표준 인덕터와 같은 정밀한 표준기가 요구되는바, 측정에 드는 시간과 비용이 증가한다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점에서 시작하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 평가대상인 인덕터의 정격에 해당하는 전압 또는 전류의 모든 범위에서 평가가 가능한 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템 및 그 평가방법을 제공하는데 있다.
또한, 표준기와 같은 별도의 장치를 구비하지 아니하고도, 인덕터를 정확하게 평가할 수 있는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템 및 그 평가방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템으로서,
기준 전류변성기와 기준 전류변성기의 1차측에 인가되는 전류와 동일한 전류를 1차측으로 인가받는 측정 전류변성기를 포함하고,
기준 전류변성기의 2차측에 부담이 직렬연결되고,
측정 전류변성기의 2차측에 저항부가 병렬연결되어,
전류비교기를 이용하여 측정 전류변성기의 2차측에 직렬연결된 인덕터를 평가하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템에 의하여 달성가능하다.
그리고, 전류비교기는 기준 전류변성기와 측정 전류변성기의 2차측 전류에 기초하여, 전류변성기의 비오차 및 위상오차중 적어도 어느 하나를 측정함으로써 인덕터를 평가할 수 있다.
이때, 인덕터의 저항성분은 전류변성기의 비오차에 기초하여 평가되고, 인덕터의 리액턴스 성분은 전류변성기의 위상오차에 기초하여 평가된다.
그리고, 저항부는 저항과 스위치가 직렬연결되어 구성될 수 있다.
또한, 저항부는 가변저항을 사용함이 바람직하다.
그리고, 저항부의 저항성분에 대한 저항부의 리액턴스 성분은 10-4이하로 작아, 인덕터 평가시에 저항부의 리액턴스 성분을 무시할 수 있는 것이 바람직하다.
그리고, 전류는 교류전류로서, 인덕터의 정격에 해당하는 범위의 전류가 인가됨이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템으로서, 서로 병렬연결된 적어도 2개의 임피던스; 및 임피던스 각각에 동일한 전압을 인가하는 전압원;을 포함하여, 임피던스들중 어느 하나의 임피던스와 직렬연결된 평가대상인 인덕터를 전류비교기가 평가하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템에 의하여도 달성가능하다.
그리고, 전류비교기는 임피던스들 각각에 흐르는 전류의 위상차이에 기초하여 인덕터의 리액턴스 성분을 평가하는 것이 바람직하다.
또한, 임피던스들은 각각의 저항성분에 대하여 각각의 리액턴스 성분이 10-4이하로 작아, 인덕터 평가시에, 임피던스들은 각각의 리액턴스 성분이 무시될 수 있는 것이 바람직하다.
아울러, 인덕터와 직렬연결된 임피던스의 저항성분(Rx)은 인덕터의 저항성분(RL)에 대하여
Figure 112008073302849-pat00001
의 관계를 갖을 수 있다.
또한, 전압원은 교류전압원으로서, 인덕터의 정격에 해당하는 범위에 해당하는 전압을 인가할 수 있는 것을 사용한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 기준 전류변성기와 기준 전류변성기의 1차측에 인가되는 전류와 동일한 전류를 1차측으로 인가받는 측정 전류변성기를 포함하고, 측정 전류변성기의 2차측에는 스위치를 포함하는 저항부가 병렬연결되며, 전류비교기를 이용하여 측정 전류변성기의 2차측에 직렬연결된 인덕터를 평가하는 인덕터 평가시스템을 사용한 평가방법으로서,
스위치가 열린 상태에서, 전류비교기를 이용하여 비오차를 측정하는 기준측정단계;
스위치가 닫힌 상태에서, 전류비교기를 이용하여 비오차를 측정하는 평가측정단계; 및
기준측정단계의 비오차와, 평가측정단계의 비오차를 비교하여 인덕터를 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가방법에 의하여 달성될 수 있다.
그리고, 동일한 인덕터 평가시스템을 사용하는 평가방법으로서, 스위치가 열린 상태에서, 전류비교기를 이용하여 위상오차를 측정하는 기준측정단계;
스위치가 닫힌 상태에서, 전류비교기를 이용하여 위상오차를 측정하는 평가측정단계; 및
기준측정단계의 위상오차와, 평가측정단계의 위상오차를 비교하여 인덕터를 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가방법에 의하여도 달성가능하다.
또한, 측정케이블의 선저항 및 전류비교기의 입력 임피던스 중 적어도 어느 하나를 측정하는 단계; 및 측정된 선저항 값 및 입력 임피던스 값중 적어도 어느 하나를 보상하는 단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 평가측정단계는 저항부의 저항을 변화시키면서 반복측정하여 비오차의 값을 측정하고, 그리고, 인덕터 평가단계는 평가측정단계에서 반복측정된 비오차의 값과 기준측정단계에서 측정된 비오차의 값의 차이를 획득하여, 저항부의 저항변화에 따른 비오차 값의 차이에 관한 함수관계로부터 인덕터의 저항성분을 평가할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 전류비교기에 대하여 서로 병렬연결된 적어도 2개의 임피던스; 및 임피던스 각각에 동일한 전압을 인가하는 전압원;을 포함하고, 평가 대상인 인덕터는 상기 임피던스들중 어느 하나의 임피던스와 직렬연결되도록 스위치가 형성된 인덕터 평가시스템을 사용한 평가방법으로서,
스위치의 동작으로 인덕터가 인덕터 평가시스템과 연결되기 전의 상태에서, 전류비교기가 임피던스 각각에 흐르는 전류의 위상차를 측정하는 기초측정단계;
스위치의 동작으로 인덕터가 상기 인덕터 평가시스템과 연결된 상태에서, 전 류비교기가 임피던스 각각에 흐르는 전류의 위상차를 측정하는 평가측정단계; 및
기초측정단계의 위상차와 평가측정단계의 위상차에 기초하여 인덕터를 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가방법에 의하여도 달성될 수 있다.
이 경우, 인덕터와 직렬연결된 임피던스의 저항성분(Rx)은 인덕터의 저항성분(RL)에 대하여
Figure 112008073302849-pat00002
의 관계에 있고, 인덕터 평가단계는 인덕터의 리액턴스 성분을 평가할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 따르면, 60Hz의 전원을 이용하여 인덕터의 정격에 해당하는 전류와 전압을 인가하여 다양한 범위에서 평가할 수 있으며, 인덕터의 정확한 평가를 가능하게 하는 장점이 있다.
또한, 표준 인덕터와 같은 정밀한 표준기를 구비하지 아니하고도 인덕터를 평가할 수 있는바, 평가에 드는 비용과 시간을 절약할 수 있고, 인덕터를 사용하는 산업현장에서 간편하게 사용할 수 있다는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지기능 및 구성에 대한 구체적 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 설명은 생략한다.
<인덕터 평가시스템의 구성>
본 발명에 따른 인덕터 평가시스템은 전류비교기를 이용하여 다양하게 구성가능하나, 본 명세서에서는 크게 2가지 평가시스템에 대하여 설명한다.
(제1실시예)
도 1은 본 발명에 따른 전류비교기를 이용한 인덕터 평가용시스템의 제1실시예를 개략적으로 도시한 구성도이다. 본 발명에 따른 전류비교기를 이용한 인덕터 평가용시스템은 전류원(110), 기준 전류변성기(120)와 측정 전류변성기(130), 부담(125), 저항부(140) 등을 포함한다.
기준 전류변성기(120)와 측정 전류변성기(130)는 직렬연결되어, 전류원(110)에 의하여 동일한 전류가 각각의 전류변성기(120, 130)의 1차측으로 인가된다. 전류원(110)은 교류전류원으로서, 평가대상인 인덕터(150)의 정격에 해당하는 범위의 전류를 인가할 수 있는 것이 바람직하다.
기준 전류변성기(120)의 2차측에는 부담(125)이 직렬연결되어 있다. 그리고, 측정 전류변성기(130)의 2차측에는 평가대상인 인덕터(150)가 직렬연결되도록 구성되며, 저항부(140)가 병렬연결되어 있다. 이 때, 저항부(140)는 도 2에 도시된 바와 같이, 저항(142)과 스위치(144)가 직렬연결된 상태로 구성할 수 있다. 그리고. 저항(142)은 가변저항을 사용함이 바람직하다. 이하에서, 저항(142)의 저항값은 R저항부로 나타낸다. 이 때, 저항부(140), 즉 저항(142)은 저항의 리액턴스 성분(X저항부) 이 저항(R저항부)값에 비하여 10-4이하로 작아서(즉,
Figure 112008073302849-pat00003
), 저항의 리액턴스 성분(X저항부)을 무시할 수 있는 것을 사용함이 바람직하다.
기준 전류변성기(120)와 측정 전류변성기(130)의 2차전류는 전류비교기(160)에 의하여 크기와 위상이 비교된다. 이에 기초하여, 전류비교기(160)는 2차전류에 기초하여 비오차와 측정오차 중 적어도 어느 하나, 바람직하게는 비오차와 측정오차 모두를 측정한다. 전류비교기(160)는 측정된 비오차에 기초하여 평가대상인 인덕터(150)의 저항성분을 평가하고, 측정된 위상오차에 기초하여 평가대상인 인덕터(150)의 리액턴스 성분을 평가한다.
(제2실시예)
도 3은 본 발명에 따른 전류비교기를 이용한 인덕터 평가용시스템의 제2실시예를 개략적으로 도시한 구성도이다. 본 발명에 따른 전류비교기를 이용한 인덕터 평가용시스템은 전압원(210), 적어도 2개 구비되는 임피던스(220, 230) 등을 포함한다.
적어도 2개의 임피던스(220, 230)는 서로 병렬연결되어 전류비교기(260)와 전기적으로 연결되어 있으며, 2개의 임피던스(220, 230) 중 어느 하나는 평가대상인 인덕터(250)와 직렬연결되는 구성이다. 이하에서는 설명의 편의를 도모하기 위하여, 2개의 임피던스(220, 230)중 인덕터(250)와 직렬연결되는 임피던스를 제2임 피던스(230)라 하고, 그렇지 아니한 임피던스를 제1임피던스(220)라고 한다. 적어도 2개 구비되는 임피던스(220, 230)는 저항으로 구성함이 바람직하며, 이때 사용되는 저항은 저항의 리액턴스 성분이 10-4이하로 저항의 리액턴스 성분을 무시할 수 있는 표준정밀저항이 좋다. 또한, 제2임피던스(230)로 사용되는 표준정밀저항은 가변저항으로 구성함이 좋다. 그리고, 각각의 임피던스(220, 230)에는 인덕터가 직렬연결될 수 있으며, 본 명세서에서는 평가대상인 인덕터(250)와 구별하기 위하여 보조 인덕터(262, 264)라고 명명한다.
전압원(210)은 각각의 임피던스(220, 230)에 동일한 전압을 인가한다. 이러한 전압원(210)은 교류전압원으로, 평가대상인 인덕터(250)의 정격전압의 범위에 해당하는 전압을 인가함이 바람직하다.
전류비교기(260)는 2쌍의 단자가 구비되어 있어, 2쌍의 단자에 흐르는 각각의 전류의 위상차에 기초하여 인덕터를 평가한다. 인덕터(250)와 직렬연결된 제2임피던스(230)의 저항성분(Rx)은 인덕터(250)의 저항성분(RL)에 대하여
Figure 112008073302849-pat00004
의 관계를 갖음이 바람직하다. 이 경우, 전류비교기(260)는 인덕터(250)의 리액턴스 성분을 평가할 수 있다.
<이론>
본 발명에 따른 인덕터 평가방법을 설명하기에 앞서, 본 발명에 따른 인덕터 평가시스템과 인덕터 평가방법의 이론적 배경에 대하여 설명하면 다음과 같다.
(제1실시예의 경우)
도 4a 및 도 4b는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템의 제1실시예에 있어서, 저항부(140: ZR)의 유무에 따른 등가회로도이다. 본 발명에 따른 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템은 평가 대상인 인덕터(150: ZL)를 측정 전류변성기(130)의 2차측에 직렬로 연결한다.
도 4a는 인덕터(150: ZL)가 측정 전류변성기(130)의 2차측에 직렬연결되고, 저항부(140: ZR)의 스위치가 열린 상태인 경우의 등가회로도이다. 도 4a에서, Zm는 여자임피던스(excitation impedence: Zm=Rm+jXm)이고, Z1은 1차 누설임피던스(primary leakage inpedence: Z1=R1+jX1)이며, Z2는 2차 누설임피던스(secondary leakage inpedence: Z2=R2+jX2)이다. ZL은 평가대상인 인덕터의 임피던스(impedence of inductor: ZL=RL+jXL)이다. 또한, Ip는 전류변성기의 실제 1차전류이고, IL은 인덕터에 흐르는 전류변성기의 실제 2차 전류이며, Im은 여자전류이다.
측정 전류변성기(130)의 2차측에 연결된 인덕터(150:ZL)에 흐르는 전류(IL)에 대한 1차전류(Ip)의 복소비를 정리하면, 다음의 [수학식 1]과 같다.
Figure 112008073302849-pat00005
이 때, αL, βL은 전류변성기의 2차측에 인덕터(ZL)를 직렬로 연결했을 때, 비오차와 위상오차이다. 비오차(αL)와 위상오차(βL)는 다음의 [수학식 2]와 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008073302849-pat00006
Figure 112008073302849-pat00007
측정 전류변성기(130)의 2차측에 직렬연결된 인덕터(150: ZL)의 측정을 위해, 도 4b에 도시된 바와 같이, 인덕터(150: ZL)에 대하여 전류변성기(130)를 병렬연결한다. 저항부(140: ZR)가 병렬연결된 상태에서, 측정 전류변성기(130)의 2차측에 연결된 인덕터(ZL)에 흐르는 전류(IL')에 대한 1차전류(Ip)의 복소비는 다음의 [수학식 4]와 같다.
Figure 112008073302849-pat00008
이 때, αL', βL'은 전류변성기(130)의 2차측 양단에 저항부(ZR)가 병렬연결되었을 때, 비오차와 위상오차이다. 비오차(αL')와 위상오차(βL')는 다음의 [수학식 5]와 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008073302849-pat00009
Figure 112008073302849-pat00010
이 때, 저항부(140: ZR)로는, 저항부(140)의 저항(R저항부)에 대하여 저항의 리액턴스 성분(X저항부)이 10-4이하로(즉,
Figure 112008073302849-pat00011
)인 표준정밀저항을 사용함이 바람직하다. 이 경우, 저항부(140)의 리액턴스 성분은 무시할 수 있다. 따라서, [수학식 5]와 [수학식 6]은 각각 다음의 [수학식 7]과 [수학식 8]로 나타낼 수 있다.
Figure 112008073302849-pat00012
Figure 112008073302849-pat00013
[수학식 7]에 나타난 바와 같이, 저항부(140: ZR)가 있는 경우의 비오차(αL')와, 저항부(140: ZR)가 없는 경우(즉, 저항부(140)의 스위치(144)가 열린 경우)의 비오차(αL)의 차이는 저항부(140: ZR)의 저항값(R저항부)의 역수에 비례한다. 또한, [수학식 8]에 나타난 바와 같이, 저항부(140: ZR)가 있는 경우의 위상오차(βL')와, 저항부(140: ZR)가 없는 경우(즉, 저항부(1400의 스위치(144)가 열린 경우)의 위상오차(βL)의 차이는 저항부(140)의 저항값(R저항부)의 역수에 비례한다. 저항부(140)의 저항값(R저항부)은 미리 알고 있는 값이므로, [수학식 7]과 [수학식 8]에 기초하여, 인덕터(150)의 임피던스(ZL)의 각 성분을 평가할 수 있다.
(제2실시예)
도 5a 및 도 5b는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템의 제2실시예에 있어서, 평가 대상인 인덕터(250)의 유무에 따른 등가회로도이다.
도 5a는 평가 대상인 인덕터(250)가 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템에 연결되기 전의 상태이다. 도 5a에서 제1임피던스(220)는 ZN=RN+jXN 이고, 제2임피던스(230)는 ZX=RX+jXX 이다. 또한, 제1임피던스(220)에 흐르는 전류는 IN이고, 제2임피던스(230)에 흐르는 전류는 IX이다.
제1임피던스(220)와 제2임피던스(230) 각각에 흐르는 전류의 위상은 다음의 [수학식 9]와 [수학식 10]과 같다.
Figure 112008073302849-pat00014
Figure 112008073302849-pat00015
이 때, θV는 전압원의 위상이다. 제1임피던스(220)와 제2임피던스(230)로, 저항의 리액턴스 성분이 10-4이하로서 리액턴스 성분을 무시할 수 있는 표준정밀저 항을 사용하는 경우, [수학식 9]와 [수학식 10]의 tan-1 의 급수전개시 2차항 이상은 10-12이하이므로 무시할 수 있다. 따라서, 각각의 임피던스(220, 230)에 흐르는 전류의 위상차(θ1)는 다음의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008073302849-pat00016
도 5b는 제2임피던스(230)에 평가대상인 인덕터(250)가 직렬연결된 상태의 등가회로이다. 인덕터(250)의 임피던스는 ZL=RL+jXL이다. 평가대상인 인덕터(250)에 흐르는 전류(IX')의 위상은 다음의 [수학식 12]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008073302849-pat00017
이 때,
Figure 112008073302849-pat00018
가 되도록 제2임피던스(230), 바람직하게는 제2임피던스(230)로 사용되는 표준정밀저항을 가변시키면 전류 IN과 IX'의 위상차(θ2)는 다음의 [수학식 13]과 같다.
Figure 112008073302849-pat00019
평가대상인 인덕터(250)가 연결된 상태의 위상차(θ2)에서 인덕터(250)가 연결되지 않은 상태의 위상차이(θ1)를 빼면, 다음의 [수학식 14]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008073302849-pat00020
이 때, 인덕터(250)의 저항성분(RL)과 제2임피던스(230)인 표준정밀저항(RX)이
Figure 112008073302849-pat00021
의 관계를 갖도록 제2임피던스(230)인 표준정밀저항을 가변시키면, [수학식 14]는 [수학식 15]와 같이 나타낼 수 있다. 이러한 관계에 기초하여 인덕터의 리액턴스 성분(XL)을 구할 수 있다.
Figure 112008073302849-pat00022
<인덕터 평가방법>
본 발명에 따른 인덕터 평가시스템을 이용한 인덕터의 평가방법은 평가시스템에 따라 다소 차이가 있는바, 각각의 인덕터 평가시스템에 따른 인덕터의 평가방법에 대하여 설명한다.
(제1실시예에 따른 인덕터 평가시스템을 이용하는 경우)
도 6 및 도 7은 도 1에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 인덕터 평가시스템의 제1실시예를 사용하여 인덕터를 평가하는 방법의 흐름도로서, 도 6은 비오차를 측정하여 인덕터(150)의 저항성분(RL)을 평가하고, 도 7은 위상오차를 측정하여 인덕터(150)의 리액턴스성분(XL)을 평가하는 방법의 흐름도이다.
먼저, 저항부(140)의 스위치(144)가 열린 상태에서, 전류비교기(160)를 사용하여 측정 전류변성기(130)와 기준 전류변성기(120)의 2차전류를 비교하여 비오차를 측정하거나(S110), 위상오차를 측정한다(S110'). 전류비교기(160)에 의하여 측정되는 비오차는 앞서 설명한 [수학식 2]에 기초한 값이고, 측정되는 위상오차는 앞서 설명한 [수학식 3]에 기초한 값이다.
비오차의 측정(S110)과 위상오차의 측정(S110')은 인덕터(150)의 평가목적에 따라 어느 하나만 이루어질 수도 있으며, 인덕터(150)의 저항성분(RL)과 리액턴스 성분(XL)을 모두 측정하고자 하는 경우라면 비오차의 측정(S110)과 위상오차의 측정(S120)이 모두 이루어짐이 바람직하다.
그 후, 스위치(144)를 닫음으로써, 저항부(140)가 측정 전류변성기(130)의 2 차측에 병렬연결된 상태를 구성한다. 그리고, 전류비교기(160)를 사용하여 측정전류변성기(130)와 기준 전류변성기(120)의 2차측 전류를 비교하여 다시 비오차를 측정하거나(S120), 위상오차를 측정한다(S120'). 전류비교기(160)에 의하여 다시 측정되는 비오차는 앞서 설명한 [수학식 5]에 기초하는 값이고, 다시 측정되는 위상오차는 앞서 설명한 [수학식 6]에 기초하는 값이다.
그 다음으로, 저항부(140)의 스위치(144)가 열린 상태인 경우의 측정(이하, "기준측정단계"라 함)결과인 비오차 또는 위상오차의 값과 저항부(140)가 병렬연결된 경우의 측정(이하, "평가측정단계"라 함)결과인 비오차 또는 위상오차의 값을 비교함으로써, 인덕터(150)를 평가한다(S130, S130').
보다 상세하게, 인덕터(150)의 저항성분(RL)을 평가하는 경우에 대하여 설명하면 다음과 같다. 기준측정단계(S110)와 평가측정단계(S120)에서 획득한 비오차의 차이는 앞서 언급한 [수학식 7]과 같은 관계를 갖는다. 즉, [수학식 7]을 보면, 비오차의 차이(αL'-αL) 값은 인덕터(150)의 저항성분(RL)에 비례하는 관계에 있다. 따라서, 저항부(140)의 저항값을 변화시키면서 비오차를 반복 측정(즉, S120 단계를 반복)한다. 반복측정으로 획득된 저항부(140)의 저항값에 따른 비오차의 차이(αL'-αL)에 관한 함수관계로부터, 인덕터(150)의 저항성분((RL)을 평가할 수 있다(S130).
보다 상세하게, 인덕터(150)의 리액턴스 성분(XL)을 평가하는 경우에 대하여 설명하면 다음과 같다. 기준측정단계(S110')와 평가측정단계(S120')에서 획득한 위 상오차의 차이는 앞서 언급한 [수학식 8]과 같은 관계를 갖는다. 즉, [수학식 8]에 따르면 위상오차의 차이(βL'-βL) 값은 인덕터(150)의 리액턴스 성분(XL)에 비례하는 관계를 갖는다. 따라서, 저항부(140)의 저항값을 변화시키면서 위상오차를 반복측정(즉, S120' 단계를 반복)한다. 그리하여 획득된 저항부(140)의 저항값에 따른 위상오차의 차이(βL'-βL)에 관한 함수관계로부터, 인덕터(150)의 리액턴스 성분(XL)을 평가할 수 있다.
이러한 방식으로 평가된 인덕터(150)의 저항성분(RL) 또는 리액턴스성분(XL)은 본 발명에 따른 인덕터 평가시스템을 구성하는 회로의 케이블의 선저항과 전류비교기(160) 자체의 임력임피던스를 포함하는 값이다. 따라서, 보다 정확한 인덕터(150)의 평가를 위해서는, 측정케이블의 선저항과 전류비교기(160)의 입력임피던스 중 적어도 어느 하나를 측정하여 그에 해당하는 값을 빼주는 보정단계를 거침이 바람직하다(S140, S140').
(실시예)
앞서 설명한 인덕터평가방법 중, 도 7에 따라 인덕터(150)의 리액턴스 성분(XL)을 평가하는 경우의 일예를 설명한다. 본 실시예에서 기준 전류변성기(120)는 정확도가 0.001%인 Tettex사의 4764를 사용하였고, 측정 전류변성기(130)로는 정확도가 0.02%인 Yokogawa사의 2242모델을 사용하였으며, 전류비 100A/5A 탭에서 측정하였다. 또한, 저항부(140)로는 Tinsley사의 션트 저항 200Ω~8㏀의 표준정밀저항 을 사용하였다.
먼저, 전류비교기(160)를 이용하여 저항부(140)의 스위치(144)가 열린상태인 경우의 위상오차(βL)를 측정하였다(S110'). 그리고 난 후, 측정 전류변성기(130)의 2차측에 저항부(140)를 병렬연결하고(즉, 스위치(144)를 닫힌 상태로 구성), 저항부(140)의 저항을 변화시키면서 위상오차(βL')를 반복 측정하였다(S120'). 이 때, 측정 전류변성기(130)의 2차전류는 인덕터(150)의 정격에 해당하는 전류로 유지하면서 측정하였다.
도 9a는 인덕터 10mH에서, 저항부(140)의 저항변화에 따른 위상오차의 차이(βL'-βL)를 나타낸 그래프이다. 도 9a의 그래프의 기울기에는 인덕터(140)의 리액턴스 성분(XL)과 측정케이블의 선저항 및 전류비교기(160)의 입력임피던스가 포함된 상태이다(S130'). 도 9b는 도 9a과 동일한 조건에서, 인덕터(140)의 연결단자만을 단락시키고 측정한 결과에 해당하는 그래프이다. 도 9b의 기울기에는 측정케이블의 선저항 및 전류비교기(160)의 입력임피던스에 해당하는 리액턴스 성분이 포함된 상태이다. 따라서, 도 9a의 기울기 값에서 도 9b의 기울기 값을 빼면 순수한 인덕터(150)의 리액턴스 성분(XL)의 값이 획득된다(S140').
동일한 방법으로 범위가 100μH ~1H 인 인덕터(150)에 대하여 인덕터(150)의 정격전류를 인가하면서 측정하였다. 인덕터(150)의 리액턴스는 XL=2πfL 이고, 인가 전류가 60㎐인 교류전류이므로 인덕턴스는
Figure 112008073302849-pat00023
의 관계에 있으므로, 이를 계산하면 [표 1]에 나타난 결과와 같다.
인덕터의 정격값[mH] 본 발명에 따른인덕터의 인덕턴스(L)
0.1 0.100
1 1.00
10 9.9
100 98
1000 980
(제2실시예에 따른 인덕터 평가용시스템을 이용하는 경우)
도 8은 도 3에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템의 제2실시예를 사용하여 인덕터를 평가하는 방법의 흐름도이다.
먼저, 스위치(252)가 단자 a와 연결된 상태에서, 임피던스(220, 230) 각각에 흐르는 전류의 위상차를 측정한다(S210: 기준측정단계). 제1임피던스(220)와 제2임피던스(230)에 흐르는 전류의 위상을 측정한다. 제1,2임피던스(220, 230)에 흐르는 전류의 위상은 각각 [수학식 9]와 [수학식 10]에 나타난 바와 같다. 이 때, 각 임피던스(220, 230)는 저항의 리액턴스 성분이 10-4이하로서(즉,
Figure 112008073302849-pat00024
또는
Figure 112008073302849-pat00025
) 저항의 리액턴스 성분을 무시할 수 있는 표준정밀저항을 사용함이 바람직하다.
그 다음으로, 스위치(252)를 전환하여 단자 b와 연결시킨 후, 다시 동일한 방식으로 임피던스(220, 230) 각각에 흐르는 전류의 위상차를 측정한다(S220: 평가측정단계). 평가대상인 인덕터(250)와 직렬연결된 제2임피던스(230)에 흐르는 전류의 위상은 [수학식 12]와 같이 바뀐다.
그 후, 기준측정단계에서 측정한 위상차와 평가측정단계에서 측정한 위상차에 기초하여 인덕터(250)를 평가한다(S230). [수학식 15]에 나타난 바와 같은 위상차의 차이에 기초하여, 인덕터(250)의 리액턴스성분(XL)을 평가하게 된다. 이 때, 제2임피던스(230)인 표준정밀저항을 조절하여,
Figure 112008073302849-pat00026
이 10-3이하가 되도록 하며, 제2임피던스(230)인 표준정밀저항의 저항(RX)에 대하여 인덕터(250)의 저항성분(RL)이 10-3이하(즉,
Figure 112008073302849-pat00027
)가 되도록 함이 바람직하다.
(실시예)
이하, 도 8에 따라 인덕터의 리액턴스 성분을 평가하는 경우의 일예를 설명한다. 본 실시예에서 전압원(210)으로는 California사의 1251 RP를 사용하였고, 전류비교기(260)는 Tettex사의 2767을 사용하였다. 또한, 제1,2임피던스(220, 230)로 Tinsley사와 Vishay사의 표준정밀저항을 사용하였다.
먼저, 전압원(210)을 이용하여 제1임피던스(220)와 제2임피던스(230)에 동일한 전압을 공급하면서, 전류비교기(260)를 이용하여 각각의 임피던스(220, 230)에 흐르는 전류의 위상차를 측정한다(S210). 이 때, 전압원(210)은 인덕터(250)의 정격인 1W에 해당하는 전압을 계산하여 인가하였다.
그 다음, 평가대상인 인덕터(250)를 직렬연결한 후, 전류비교기(260)를 이용하여 전류의 위상차를 측정한다(S220). 이렇게 측정된 위상차와 제2임피던스(230)인 표준정밀저항의 저항값 및 [수학식 14]에 기초하여 인덕터(250)의 리액턴스 성분(XL)을 평가하였다(S230).
동일한 방법으로 범위가 100μH ~1H 인 인덕터(250)에 대하여 인덕터(250)의 정격전류를 인가하면서 측정하였다. 인덕터(250)의 리액턴스는 XL=2πfL 이고, 인가전류가 60㎐인 교류전류이므로 인덕턴스는
Figure 112008073302849-pat00028
의 관계에 있으므로, 이를 계산하면 [표 2]에 나타난 결과와 같다.
인덕터의 정격값[mH] 본 발명에 따른인덕터의 인덕턴스(L)
0.1 0.100
1 1.01
10 10.0
100 100
1000 1004
<본 발명의 불확도 및 유효성 평가>
(불확도 평가)
전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템과 그 평가방법의 불확도를 평가하기 위하여, 불확도 요인을 찾아 요인별 표준 불확도와 자유도를 구하고, 이로부터 상대합성 표준불확도와 유효 자유도를 구하였다. 유효 자유도와 신뢰수준에 따른 포함인자를 찾아 상대합성 표준불확도와 곱하면 상대확장불확도(U)가 된다. 본 발명의 실시예의 경우 포함인자는 2로, 상대확장불확도(U)는 다음의 [수학식 16]과 같다.
Figure 112008073302849-pat00029
전류비교기(160, 260)를 이용하여 인덕터(150, 250)를 평가하는 경우, 불확도요인은 다음의 [표 3]에 나타난 바와 같으며, [표 3]은 상대합성 표준불확도와 상대확장불확도(U, k=2인 경우)를 나타낸 표이다.
불확도요인 100μH 1mH 10mH 100mH 1H
반복측정(uA) 0.57 0.11 0.03 0.18 0.52
수식의 피팅(uB1) 0.64 0.03 0.03 0.06 0.46
표준정밀저항(uB2) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
수식의근사(uB3) 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10
전류비교기(uB4) 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50
상대합성 표준불확도 1.00 0.52 0.51 0.54 0.86
상대확장불확도(U) 2.00 1.05 1.02 1.09 1.71
[표 3]에서 uA는 반복측정에 의한 불확도요인으로 본 실시예에서는 3회에 대한 불확도이고, uB1는 표준정밀저항에 따른 위상오차의 피팅에서 나타나는 오차에 대한 불확도이다. 그리고, uB2는 표준정밀저항의 저항값에 의한 불확도이고, uB3은 수식의 근사화에 의한 불확도이며, uB4는 전류비교기(160, 260)의 측정오차에 의한 불확도이다.
전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템을 이용한 인덕터의 평가방법은 불확도 평가결과, 상대확장불확도(U)는 1.02%~2.00%이고, 100μH에서 2.00%로 가장 크게 나타났다. 동일하게 전류비교기를 이용한 인덕터의 평가방법의 불확도 요인과 종래의 LCR미터로 직접 측정한 인덕터 값에 대한 불확도를 정리하면 다음의 [표 4]와 [표 5]와 같다.
불확도요인 100μH 1mH 10mH 100mH 1H
반복측정(uA) 0.47 0.07 0.13 0.11 0.14
수식의 피팅(uB1) 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20
표준정밀저항(uB2) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
수식의근사(uB3) 0.03 0.09 0.06 0.12 0.24
전류비교기(uB4) 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50
상대합성표준불확도 0.72 0.55 0.56 0.56 0.61
상대확장불확도(U) 1.43 1.10 1.11 1.13 1.22
불확도 요인 100μH 1mH 10mH 100mH 1H
반복측정(uA) 0.27 0.03 0.02 0.05 0.02
LCR미터(uB1) 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20
상대합성표준불확도 0.33 0.20 0.20 0.21 0.20
상대확장불확도(U) 0.67 0.41 0.40 0.41 0.40
[표 5]에 나타난 바와 같이, LCR미터를 이용하여 직접 측정한 인덕터는 불확도가 반복측정에 의한 불확도에 측정에 사용된 LCR미터의 성능에 따른 불확도로 평가되었으며, 불확도를 분석한 결과 상대확장불확도는 0.40%~0.67%이고, 100μH에서는 0.67%로 가장 크게 나타났다.
(유효성 평가)
본 발명의 유효성을 평가하기 위하여 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템의 제1,2실시예와 LCR 미터를 사용하는 경우, 각각의 실시예에 따른 상대차이를 구하였다. 그 결과는 [표 6]에 나타난 바와 같으며, 상대차이는 [수학식 17]에 나타난 바와 같다.
Figure 112008073302849-pat00030
인덕터의
정격값[mH]		 인덕터 평가시스템의 제1실시예의 경우 인덕터 평가시스템의 제2실시예의 경우 LCR 미터를 사용하는 경우
0.1 1.00 -0.37 -1.30
1 0.20 1.08 0.13
10 -1.08 0.37 -0.72
100 -1.91 -0.74 -0.76
1000 -2.07 0.40 -0.39
[표 6]에 따른 상대차이는 본 발명에 따른 인덕터 평가시스템의 제1실시예를 사용하는 경우, -2.07%~+1.00%이고, 제2실시예의 경우 -0.74%~+1.08%이다. 한편 LCR미터를 사용하는 경우 -1.30%~+0.13%이다.
도 10은 상기 [표 6]의 결과에 기초한 것으로, 인덕턴스 값에 따른 상대차이를 각 실시예별로 도시한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 경우, LCR미터를 사용한 경우에 비하여 불확도가 상대적으로 크게 나타나지만, 인덕터의 정격에 해당하는 전류와 전압을 인가하여 측정할 수 있는 장점이 있다. 본 실시예에 따른 인덕터 평가방법은 100μH~1H까지 인덕터 측정결과가 각각의 실시예에 따른 불확도 내에서 일치하였다.
<변형예>
본 발명의 또 다른 실시예로서, 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템은 도 1 및 도 3에 도시된 회로의 구성뿐만 아니라, 이와 등가를 이루는 다양한 회로의 구성이 본 발명과 동일한 구성에 해당함은 물론이다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템의 제1실시예에 따른 개략적인 구성도,
도 2는 도 1중 저항부의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템의 제2실시예에 따른 개략적인 구성도,
도 4a 및 도 4b는 인덕터 평가시스템의 제1실시예에서, 저항부의 유무에 따른 등가회로도,
도 5a 및 도 5b는 인덕터 평가시스템의 제2실시예에서, 인덕터의 연결유무에 따른 등가회로도,
도 6은 본 발명에 따른 인덕터 평가방법의 제1실시예로서, 인덕터의 저항성분을 평가하는 경우의 흐름도,
도 7은 본 발명에 따른 인덕터 평가방법의 제1실시예로서, 인덕터의 리액턴스성분을 평가하는 경우의 흐름도,
도 8은 본 발명에 따른 인덕터 평가방법의 제2실시예를 나타내는 흐름도,
도 9a 및 도 9b는 도 7의 방법에 따른 측정의 상태도로서, 저항부의 저항값 변화에 따른 위상오차의 차이를 나타낸 그래프,
도 10은 인덕터의 정격값에 따른 상대차이를 나타낸 그래프로서, 각 실시예별로 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 전류원
120: 기준 전류변성기
130: 측정 전류변성기
140: 저항부
142: 가변저항
144, 252: 스위치
150, 250: 인덕터
160, 260: 전류비교기
210: 전압원
220: 제1임피던스
230: 제2임피던스
262, 264: 보조인덕터

Claims (20)

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  9. 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템으로서,
    서로 병렬연결된 적어도 2개의 임피던스; 및
    상기 임피던스 각각에 동일한 전압을 인가하는 전압원;을 포함하여,
    상기 임피던스들중 어느 하나의 임피던스와 직렬연결된 평가대상인 인덕터를 상기 전류비교기가 평가하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전류비교기는 상기 임피던스들 각각에 흐르는 전류의 위상차이에 기초하여 상기 인덕터의 리액턴스 성분을 평가하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 임피던스들은 각각의 저항성분에 대하여 각각의 리액턴스 성분이 10-4이하로 작아, 상기 인덕터 평가시에, 상기 임피던스들은 각각의 리액턴스 성분이 무시될 수 있는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 인덕터와 직렬연결된 상기 임피던스의 저항성분(Rx)은 상기 인덕터의 저항성분(RL)에 대하여
    Figure 112008073302849-pat00031
    의 관계에 있는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 전압원은 교류전압원으로서, 상기 인덕터의 정격에 해당하는 범위에 해당하는 전압을 인가할 수 있는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가시스템.
  14. 기준 전류변성기와 상기 기준 전류변성기의 1차측에 인가되는 전류와 동일한 전류를 1차측으로 인가받는 측정 전류변성기를 포함하고, 상기 측정 전류변성기의 2차측에는 스위치를 포함하는 저항부가 병렬연결되며, 전류비교기를 이용하여 상기 측정 전류변성기의 2차측에 직렬연결된 인덕터를 평가하는 인덕터 평가시스템을 사용한 평가방법으로서,
    상기 스위치가 열린 상태에서, 상기 전류비교기를 이용하여 비오차를 측정하는 기준측정단계;
    상기 스위치가 닫힌 상태에서, 상기 전류비교기를 이용하여 비오차를 측정하는 평가측정단계; 및
    상기 기준측정단계의 비오차와, 상기 평가측정단계의 비오차를 비교하여 상기 인덕터를 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가방법.
  15. 기준 전류변성기와 상기 기준 전류변성기의 1차측에 인가되는 전류와 동일한 전류를 1차측으로 인가받는 측정 전류변성기를 포함하고, 상기 측정 전류변성기의 2차측에는 스위치를 포함하는 저항부가 병렬연결되며, 전류비교기를 이용하여 상기 측정 전류변성기의 2차측에 직렬연결된 인덕터를 평가하는 인덕터 평가시스템을 사용한 평가방법으로서,
    상기 스위치가 열린 상태에서, 상기 전류비교기를 이용하여 위상오차를 측정하는 기준측정단계;
    상기 스위치가 닫힌 상태에서, 상기 전류비교기를 이용하여 위상오차를 측정하는 평가측정단계; 및
    상기 기준측정단계의 위상오차와, 상기 평가측정단계의 위상오차를 비교하여 상기 인덕터를 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    측정케이블의 선저항 및 전류비교기의 입력 임피던스 중 적어도 어느 하나를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 선저항 값 및 입력 임피던스 값중 적어도 어느 하나를 보상하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 평가측정단계는 상기 저항부의 저항을 변화시키면서 반복측정하여 비오차의 값을 측정하고, 그리고,
    상기 인덕터 평가단계는 상기 평가측정단계에서 반복측정된 비오차의 값과 상기 기준측정단계에서 측정된 비오차의 값의 차이를 획득하여, 상기 저항부의 저항변화에 따른 상기 비오차 값의 차이에 관한 함수관계로부터 상기 인덕터의 저항성분을 평가하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 평가측정단계는 상기 저항부의 저항을 변화시키면서 반복측정하여 위상오차의 값을 측정하고, 그리고,
    상기 인덕터 평가단계는 상기 평가측정단계에서 반복측정된 위상오차의 값과 상기 기준측정단계에서 측정된 위상오차의 값의 차이를 획득하여, 상기 저항부의 저항변화에 따른 상기 위상오차 값의 차이에 관한 함수관계로부터 상기 인덕터의 리액턴스 성분을 평가하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가방법.
  19. 전류비교기에 대하여 서로 병렬연결된 적어도 2개의 임피던스; 및 상기 임피던스 각각에 동일한 전압을 인가하는 전압원;을 포함하고, 평가 대상인 인덕터는 상기 임피던스들중 어느 하나의 임피던스와 직렬연결되도록 스위치가 형성된 인덕터 평가시스템을 사용한 평가방법으로서,
    상기 스위치의 동작으로 상기 인덕터가 상기 인덕터 평가시스템과 연결되기 전의 상태에서, 상기 전류비교기가 상기 임피던스 각각에 흐르는 전류의 위상차를 측정하는 기초측정단계;
    상기 스위치의 동작으로 상기 인덕터가 상기 인덕터 평가시스템과 연결된 상태에서, 상기 전류비교기가 상기 임피던스 각각에 흐르는 전류의 위상차를 측정하는 평가측정단계; 및
    상기 기초측정단계의 위상차와 상기 평가측정단계의 위상차에 기초하여 상기 인덕터를 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    인덕터와 직렬연결된 상기 임피던스의 저항성분(Rx)은 상기 인덕터의 저항성분(RL)에 대하여
    Figure 112008073302849-pat00032
    의 관계에 있고,
    상기 인덕터 평가단계는 상기 인덕터의 리액턴스 성분을 평가하는 것을 특징으로 하는 전류비교기를 이용한 인덕터 평가방법.
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