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오실로스코프를 이용한 고전압 측정을 위해서는, 우선 사용하려는 오실로스코프와 전압 프로브에서 지원하고 있는 최대 입력 전압을 확인해야 합니다. 이를 위해 사양을 확인하다 보면 무심코 지나칠 수 있으나, 최대 전압 옆에 함께 표기되어 있는 CAT I 또는 CAT II 도 반드시 함께 참고해야 합니다.
해당 표기는 IEC(국제전기기술위원회)에서 정의한 측정 카테고리(Measurement Category)를 의미하며, 장치나 설비의 측정 및 시험과 관련하여 전기 회로를 분류하는 방법입니다. 측정 카테고리는 회로 상 측정 지점에서의 동작 전압 뿐만 아니라, 순간적으로 발생할 수 있는 Transient 과전압도 분류 기준의 척도로 고려합니다. 측정이 수행되는 위치에 따라 Transient 전압의 예상치는 달라질 수 있으며, 오실로스코프와 프로브를 포함한 측정 구성이 지원 가능한 범주를 초과해서는 안됩니다. 예를 들어, 높은 Transient 전압이 예상되는 회로를 측정하는 경우에는, 그에 맞는 고전압을 지원하는 측정 구성이 필요합니다.
CAT 1 : 회로가 전원에 직접 연결되지 않고 배터리 또는 2차 회로를 거쳐 전원을 공급받습니다.
CAT 2 : 저전압 설비에 직접 연결되는 회로에 해당하며 표준 소켓을 사용하는 가전을 예로 들 수 있습니다.
CAT 3 : 분전반 및 회로 차단기와 같은 건물 설비 환경에 해당합니다.
CAT 4 : 저전압 설비의 전원 공급원과 연결된 부분으로 전력량계가 이에 해당합니다.
카테고리가 높아질수록 (일반적으로 종단 장치와 멀어질수록) 예상되는 Transient 과전압도 높아지며, 분류 등급에 따라 측정 장비가 견뎌야 하는 최대 전압도 달라집니다. 높은 카테고리의 측정 장비를 낮은 카테고리에 사용할 수 있지만, 반대의 경우는 그렇지 않기 때문에, 사용하고자 하는 오실로스코프와 프로브의 측정 카테고리를 미리 확인하는 과정이 필요합니다.
안전한 Floating 전압 측정 방법
오실로스코프를 이용한 안전한 고전압 측정에 있어 추가적으로 고려가 필요한 부분이 바로 Floating 측정입니다. 일반적인 오실로스코프의 경우, 패시브 프로브를 사용할 때 프로브의 접지선이 장비 본체의 섀시와 동일한 전위를 가지게 됩니다. 그렇기 때문에 프로브의 접지선을 GND가 아닌 특정 전압이 인가되어 있는 지점에 연결하면 해당 지점과 GND 간의 단락 (short)이 발생하게 되고, 오실로스코프를 통해 순간적으로 큰 전류가 흘러 누전 차단기가 동작하거나 장비가 손상될 수 있습니다. 만약 오실로스코프가 접지되어 있지 않다면, 장비의 외부 섀시가 Floating 전압을 가지게 되므로 사용자가 해당 본체를 접촉했을 때 감전 사고가 발생할 수 있습니다.
이러한 문제를 방지하기 위해서는 두 가지 방법이 고려될 수 있습니다.
1) 절연 채널 오실로스코프 사용
- 절연 채널 오실로스코프는 각 입력 채널이 섀시 접지와 전기적으로 절연되어 있어, 섀시에 Floating 전압이 인가되지 않습니다.
- 낮은 비용의 프로브를 활용할 수 있습니다.
- 일반적으로 배터리 타입의 휴대용 모델에서 흔히 볼 수 있습니다. (e.g. R&S RTH)
- 프로브 팁과 접시선 사이의 입력 임피던스가 동일하지 않아 Differential 신호 측정에 영향을 줄 수 있습니다.
2) Differential 프로브 사용
- 일반 오실로스코프와 연동하여 차동 전압을 정확하게 측정할 수 있습니다.
- Fast switching 어플리케이션과 같이 고주파수에서의 높은 CMRR이 요구되는 경우 적합합니다.
- 고전압 디퍼렌셜 프로브의 경우, 측정 대역폭이 프로브에 따라 100~200 MHz로 제한될 수 있습니다.
이외에도 오실로스코프를 이용한 안전한 고전압 측정에는 추가적인 고려사항들이 있을 수 있습니다.
최근 다양해지고 있는 고전압 어플리케이션에 적합한 측정 솔루션을 찾고 계시다면 저희 로이엔텍에 문의주시기 바랍니다.
작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀
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