KR20120062112A - 자기저항센서를 이용한 전류프로브 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 거대자기저항센서를 이용한 전류프로브는 측정대상의 도선으로부터 발생한 자기적 성분을 감지하도록 등간격으로 배치된 다수의 자기저항센서가 구비된 센서부, 상기 자기저항센서부로부터 측정된 자기적 성분을 차동 증폭하고 일반 노이즈를 제거하는 차동증폭기로 구성된 증폭부 및, 상기 증폭부에 의하여 증폭된 자기적 성분의 신호로부터 전류값을 도출하는 중앙처리부를 포함하며, 상기 중앙처리부는 각 자기저항센서에서 검출된 자기적 성분의 신호 차이 및 상기 도선과 각 자기저항센서의 상대거리를 이용하여 전류값을 도출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 자기저항센서를 이용한 전류프로브에 의하면, 일반적인 전류프로브와는 달리 별도의 작업이 필요없이 전류가 흐르는 도선 주변에 본 장치를 근접시키는 것만으로 편리하게 전류측정이 가능하여, 전류의 계산상 편리성 및 규격의 통일로 인하여 정확한 측정이 가능하다는 장점이 있다.

Description

자기저항센서를 이용한 전류프로브{Current Probe Using Magneto Resistance Sensor}

본 발명은 전류측정장치에 관한 것으로서, 자기저항센서를 이용하여 대상의 형상에 관계없이 용이하게 전류를 측정할 수 있는 전류프로브에 관한 것이다.

전력의 세기는 전압과 전류의 곱으로 나타내며, 전압이나 전류의 세기는 특정한 장치를 이용하여 측정할 수 있다. 여기서 전류를 측정하는 장치를 전류계라고 하는데, 전류계는 전기 회로상에 설치되어 전류를 측정하고 있다. 일반적으로 널리 사용되는 전류계에는 두 종류가 있다. 먼저 전류가 흐르는 도선에 직접 저항을 삽입하여 그 저항에 걸리는 전압을 측정하여 전류로 환산하는 직렬연결 방식과 전류가 흐르는 도선 주위의 자기장을 원형 고리모양으로 된 후크를 사용하여 가두고 이를 홀센서 등으로 측정하여 전류로 환산하는 후크업 방식이다. 전자는 도선을 단선시켜서 측정해야 한다는 점과 후자는 도선을 원형 고리 모양의 후크 속으로 가두어야 한다는 조건이 있어서 PCB 등과 같이 기판에 형성된 패턴전극을 통해 전류가 흐를 때는 이를 측정하기에 어렵다는 단점이 있다.

특히 최근 들어 전력 시스템이 복잡해지고 종합화됨에 따라 네트워크 상에서 전류를 측정할 필요성이 대두되었으나 기존의 전류계를 사용할 경우 계산상의 제약 및 규격의 비통일로 인하여 정확한 측정이 곤란하다는 문제점이 있다.

이에, 대상의 형상과 관계없이 전류를 용이하게 측정할 수 있는 전류프로브가 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 측정대상의 형상에 관계없이 용이하게 전류를 측정할 수 있는 자기저항센서를 이용한 전류프로브를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 따른 자기저항센서를 이용한 전류프로브는 전류를 측정하는 전류프로브에 있어서, 측정대상의 도선으로부터 발생한 자기적 성분을 감지하도록 등간격으로 배치된 다수의 자기저항센서가 구비된 센서부; 상기 자기저항센서부로부터 측정된 자기적 성분을 차동 증폭하고 일반 노이즈를 제거하는 차동증폭기로 구성된 증폭부; 및, 상기 증폭부에 의하여 증폭된 자기적 성분의 신호로부터 전류값을 도출하는 중앙처리부;를 포함하며, 상기 중앙처리부는 각 자기저항센서에서 검출된 자기적 성분의 신호 차이 및 상기 도선과 각 자기저항센서의 상대거리를 이용하여 전류값을 도출하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 자기저항센서는 거대자기저항센서로서, 상기 거대자기저항센서가 측정대상의 도선으로부터 서로 다른 거리를 갖도록 등간격으로 적층되는 것이 좋다.

본 발명에 따른 자기저항센서를 이용한 전류프로브에 의하면, 일반적인 전류프로브와는 달리 별도의 작업이 필요없이 전류가 흐르는 도선 주변에 본 장치를 근접시키는 것만으로 편리하게 전류측정이 가능하여, 전류의 계산상 편리성 및 규격의 통일로 인하여 정확한 측정이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회로 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기저항센서를 이용한 전류프로브의 일 회로도, 및
도 3은 측정대상의 도선에 전류가 통과할 때 발생하는 자기장을 나타낸 것이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 자기저항센서를 이용한 전류프로브를 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서를 위해서, 도면에서의 동일한 참조번호들은 달리 지시하지 않는 한 동일한 구성부분을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회로 블록도, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기저항센서를 이용한 전류프로브의 일 회로도, 도 3은 측정대상의 도선에 전류가 통과할 때 발생하는 자기장을 나타낸 것이다.

본 발명에서 사용할 수 있는 자기저항센서는 정상자기저항(Ortrinary Magnetoresistance, OMR)센서, 이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)센서, 거대자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR)센서, 초거대자기저항(Colossal Magnetoresistance, CMR)센서, 터널링자기저항(Tunnelling Magnetoresistance, TMR)센서, 자기터널링결합(Magnetic Tunnelling Junction, MJT)센서, 평면홀저항(Planar Hall Resistance)센서 중 선택되는 어느 하나를 이용함이 바람직하다. 특히 바람직하게는 거대자기저항 (Giant Magnetoresistance, GMR)센서를 활용할 수 있다.

상술한 각 센서에 대해 간략히 설명하자면, 상기 정상자기저항(Ortrinary Magnetoresistance, OMR)센서는 비자성도체 및 반도체재료의 경우 외부에서 자기장이 가해지면 전도전자가 Lorentz 힘을 받아 궤적이 변하므로 저항이 변화하게 되는 것을 이용한 것으로, 일반적으로 상당히 작은 저항의 변화를 나타내는 특징이 있다.

이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)센서는 이방성 자기저항을 이용한 것이다. 즉, 강자성 도체 재료에서는 일반 자기 저항 이외에도, 스핀-궤도 결합에 의해 자화가 잘 되는 방향과 그렇지 않은 방향이 존재하게 되는데, 이는 외부 자기장 방향과 전류 방향간의 각도에 의해 결정되고, 방향에 의해 결정되므로 이방성 자기저항이라 하는데, 이러한 성질을 이용한 센서이다. 이 센서는 각각의 방향에 따라 2.5% 정도의 저항 차이를 보이는 특징이 있다.

거대자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR)센서를 활용할 수 있으며, 이방성자기저항 재료보다 수배에서 수 십배 더 큰 자기저항을 갖는 특징이 있다. 특히 인접한 자성층의 상대적인 스핀 방향 차이에 따라 전도 전자의 부가적인 산란에 의해 저항의 변화가 생기며 정상자기저항이나 이방성자기저항과는 근본적으로 그 기구가 다른 특성이 있게 된다.

아울러 상술한 초거대자기저항(Colossal Magnetoresistance, CMR)센서는 1993년 von Helmolt 에 의해 처음 발견된 것으로, 주요한 특징으로는 자기장을 걸어주면 저항이 10배씩 바뀌는 특징을 가지는 센서를 말한다. 또한, 터널링자기저항(Tunnelling Magnetoresistance, TMR)센서의 터널링자기저항이란 상술한 GMR 이론을 이용하면 가운데 층을 비자성물질이 아닌 전기가 통하지 않는 절연체로 대체할 수 있게 되는데, 이론적으로는 전류가 이 절연체를 통과할 수 없지만, 만약 나노 단위 두께로 작아지면, 양자역학 효과 중의 하나인 터널링 효과에 의해 전자들이 점핑되어 통과할 수 있게 되는 기술과 시스템을 말하며 이를 이용한 센서를 일컫는다.

자기터널링결합(Magnetic Tunnelling Junction, MJT)센서는 터널링자기저항(TMR)과 같은 개념의 현상을 이용한 것이고, 여기에 더 나아가 적용이 가능한 것으로 SDT(Spin Dependent Tunnrling)도 GMR, TMR 과 같이 스핀업/다운(spin up/down) 현상을 이용하여 외부의 작은 자기저항 변화값을 측정하는 방식을 활용한 것을 말하며, 모두 본 발명의 자기저항센서로 적용이 가능함은 물론이다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 바람직한 일 실시 예로써 거대자기저항(GMR)센서를 가지고 본 발명에 따른 요지를 구체적으로 설명한다.

본 발명에서는 전류프로브를 단지 전류가 흐르는 도선 근처에 접근시키는 것만으로 도선에 흐르는 전류를 적정 오차 범위 내에서 측정할 수 있는 새로운 개념의 근접 방식 전류계를 고안하였다.

본 발명에 따른 전류프로브는 전류(I)를 측정하는 전류프로브로써, 측정대상의 도선(120)으로부터 발생한 자기적 성분을 감지하도록 등간격으로 배치된 다수의 거대자기저항센서(110)가 구비된 센서부(100), 거대자기저항센서(110)로부터 측정된 자기적 성분을 차동 증폭하고 일반 노이즈를 제거하는 차동증폭기로 구성된 증폭부(200) 및, 증폭부(200)에 의하여 증폭된 자기적 성분의 신호로부터 전류값(I)을 도출하는 중앙처리부(300)를 포함한다.

여기서 중앙처리부(300)는 각 거대자기저항센서(110)에서 검출된 자기적 성분의 신호 차이 및 도선(120)과 각 거대자기저항센서(110)의 상대거리를 이용하여 전류값(I)을 도출하도록 기능한다. 특히 거대자기저항센서(110)가 측정대상의 도선(120)으로부터 서로 다른 거리를 갖도록 등간격(d)으로 적층되어 구비될 수 있다.

본 발명의 원리는 다음과 같다. 도 1 내지 도 3을 살펴보면 세 개의 거대자기저항(GMR) 센서(110)를 전류(I)가 흐르는 도선(120)으로부터 서로 다른 거리(d)를 갖도록 수직으로 등 적층하여 도선으로부터 발생한 자기장(B)을 검출하도록 하고 이들 거대자기저항(GMR) 센서(110)로부터 나온 출력 신호에서 자기장(B)으로부터 비롯된 신호 이외의 다른 일반(common) 노이즈들이 제거되도록 세 개의 차동 증폭기로 구성된 증폭부(200)를 통하여 인출시키고 이를 다시 마이크로프로세서유닛(MPU)으로 구성된 중앙처리부(300)로 입력시켜 적절한 계산과정을 거쳐 전류값으로 환산시킨다.

여기서 차동 증폭기는 출력신호가 두 입력 신호의 차에 비례하는 증폭기로서, 두 개의 입력단자에 차동적으로 주어진 입력 신호에 대해서만 출력을 일으키고, 입력단자의 공통모드전압에 대한 출력은 억제된다.

차동 증폭기의 입력단자는 2개의 트랜지스터 이미터를 결합한 회로가 사용되고 베이스에는 바이어스 회로를 설치하여 영전위로 사용할 수 있게 되어 있으며 2개의 입력단자에 동시에 가해진 신호에 대하여 출력이 0 이 되기 때문에 2개의 트랜지스터의 특성이 맞으면 온도 변화 등에 의한 바이어스의 변동은 출력에 나타나지 않는다. 이에 일반적인 노이즈들이 제거될 수 있다.

상기 마이크로프로세서유닛(MPU)의 계산과정에 적용되는 원리는 다음과 같다. 각 거대자기저항센서(110)들 간의 거리(도 2의 d)는 미리 주어진 값이므로 측정대상의 도선(120)으로부터 전체거리 또는 절대거리와는 상관없이 각 거대자기저항센서(110)에 의해 출력된 신호들 간의 차이와 상대거리(도 2의 d)만으로 viot-savart 법칙에 의거된 아래 식 1에 의하여 각 거대자기저항센서(110)로부터 측정된 자기장(B)의 발원인 도선(110)에 흐르는 전류의 세기를 구할 수 있다.

----> (식 1)

본 발명으로부터 고안된 전류프로브는 원리상 최소한 두 개의 거대자기저항센서(110)가 필요한데 전류프로브가 도선(도 3의 120)과 수직으로 놓이지 않았을 때 발생하는 오차를 ±10% 이내로 줄이기 위하여 거대자기저항센서(110)를 두 개가 아닌 세 개를 사용하였으며 이는 표 1의 실험 결과로부터 도출되었다. 표 1의 결과는 100mA의 전류가 흐르는 직선도선으로부터 일정거리만큼 떨어져 이 도선(120)에 수직으로 배열된 거대자기저항센서(110)의 수를 바꾸어 가면서 도선(120)과 거대자기저항센서(110)의 배열간의 사이각도를 90°에서 ±15°의 변화를 주었을 때 전류프로브로부터 얻어지는 측정전류의 최대값과 최소값을 나타낸 것이다. 표 1에서 거대자기저항센서(110)를 세 개 사용하였을 때 오차의 범위가 실험적으로 ±10% 이내에 있음을 알 수 있다.

<표 1>

상기 표 1을 살펴보면 거대자기저항센서(110)의 사용 개수가 많아질수록 더욱 오차가 줄어들어 10개의 거대자기저항센서(110)의 사용 시 ±3%로 축소되었다. 즉 거대자기저항센서(110)의 사용 개수를 늘리면 측정의 정밀도는 향상된다. 하지만, 센서(110)의 사용 개수가 늘어날수록 전체 구성회로가 복잡해지고 부피가 커지며 제작단가가 상승하므로 본 발명에서는 세 개의 거대자기저항센서(110)를 적용하고자 한다.

본 발명에서 고안된 근접 방식 전류프로브는 일반적인 전류계나 전류프로브들과는 달리 도선을 끊거나 도선 주위를 후크로 감거나 하는 작업이 필요없고 단지 전류가 흐르는 도선 주변에 본 발명의 전류프로브를 근접시키는 것만으로 전류 측정이 가능하므로 전자제품 공장 제조라인에서 전원검사, 전자제품의 PCB 상의 전류측정검사, 디스플레이 등 평면으로 되어있는 장치의 전류 측정 그리고 인체에 위험한 고전압이 걸려있는 고압송전선 등의 전류 측정 등에 유용하게 쓰일 수 있다.

본 발명에 따른 자기저항센서를 이용한 전류프로브에 의하면, 일반적인 전류프로브와는 달리 별도의 작업이 필요없이 전류가 흐르는 도선 주변에 본 장치를 근접시키는 것만으로 편리하게 전류측정이 가능하여, 전류의 계산상 편리성 및 규격의 통일로 인하여 정확한 측정이 가능한 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 센서부 110 : 거대자기저항센서
120 : 도선 200 : 증폭부
300 : 중앙처리부

Claims (2)

1. 전류를 측정하는 전류프로브에 있어서,
   측정대상의 도선으로부터 발생한 자기적 성분을 감지하도록 등간격으로 배치된 다수의 자기저항센서가 구비된 센서부;
   상기 자기저항센서부로부터 측정된 자기적 성분을 차동 증폭하고 일반 노이즈를 제거하는 차동증폭기로 구성된 증폭부; 및,
   상기 증폭부에 의하여 증폭된 자기적 성분의 신호로부터 전류값을 도출하는 중앙처리부;를 포함하며,
   상기 중앙처리부는 각 자기저항센서에서 검출된 자기적 성분의 신호 차이 및 상기 도선과 각 자기저항센서의 상대거리를 이용하여 전류값을 도출하는 것을 특징으로 하는 자기저항센서를 이용한 전류프로브.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 자기저항센서는 거대자기저항센서로서, 상기 거대자기저항센서가 측정대상의 도선으로부터 서로 다른 거리를 갖도록 등간격으로 적층되는 것을 특징으로 하는 자기저항센서를 이용한 전류프로브.

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