테스터기 저항 측정 원리 - teseuteogi jeohang cheugjeong wonli

저항 측정

저항을 측정하기 위해서 저항의 범위나 오차 등을 줄이기 위해 여러 가지 측정 방법이 있지만 일반적으로 Ohmmeter가 포함된 멀티미터를 통하여 저항을 측정한다. 현재 아날로그형 멀티미터는 거의 사용하지 않고, 대부분 디지털 멀티미터(DMM)를 많이 사용하고 있다. 디지털 멀티미터의 저항 측정 원리와 여러 가지 측정방법을 알아본다.

1. Digital Multimeter의 저항 측정 원리

저항을 측정하는 방법은 전압강하법, 치환법, 브리지 회로 이용법등 다양한 방법이 있지만 디지털 멀티미터에서 저항을 측정하는 방법은 일반적으로 정전류 방식과 비교 방식으로 측정하는 방법이 있다. 두 가지 방식 모두 정전류원을 사용하나, 저항을 변환하는 방식이 다르다. 다음은 정전류 방식과 비교 방식의 측정 원리에 대해 알아본다.

1.1 정전류 방식

그림과 같이 DMM(디지털 멀티미터) 내부의 정전류원에서 전류를 인가하여 시험 저항에 걸리는 전압을 측정하는 방식으로, 시험저항 (Vmeas)에 DMM 내부의 정전류원에서 1mA ~ 100nA의 전류(Isource)를 인가하고 여기서 저항의 양 단자에 생기는 전압(Vmeas)을 측정한다. 이 전압은 내부의 증폭기를 통해 ADC에 맞는 전압으로 범위를 조절하고 ADC에 인가된 전압을 처리하여 디스플레이에 표시된다. 이 시험을 통하여, 전류 값과 측정 전압 값을 알 수 있기 시험 저항의 저항 값은 옴의 법칙을 통해 계산하여 알 수 있다.

Rmeas= Vmeas/ Isource

[4단자 정전류 방식의 저항 측정]

1.2 비교 방식

[비교 방식의 저항 측정]

비교 방식을 통한 저항 측정 방법은 밑의 그림과 같이 전압 분배기를 통한 전압 비교를 통한 저항 측정 방법이다. DMM 내부의 정전류원으로 전류를 시험 저항(Rmeas)에 인가하면, DMM 내부에 삽입된 기준 저항(Rstd)로 인해 전압이 분배된다. 그러면 시험 저항(Rmeas)에 걸리는 전압과 기준 저항(Rstd)에 걸리는 전압을 측정한다. 그러면 Rstd는 내부 저항이기 때문에 미리 알고 있고, 두 저항은 직렬로 연결되어 있고, 두 저항에 흐르는 전류는 동일하므로 측정을 통해 Vstd, Vmean을 알 수 있다. 그러므로 전압 분배에 따른 비교에 대한 다음 식을 통해 시험 저항(Rmeas)을 나타낼 수 있다.

2. 2단자, 4단자 측정법

2.1  2단자 저항 측정법에 대한 이해

[2단자 측정법]

2단자 저항 측정은 일반적인 저항을 측정할 때 가장 많이 사용하는 방법이다. 그림과 같이 정전류원의 두 핀과 전압계의 두 핀이 각각 연결되어 있는 형태로 시험저항의 양단에 +,- 프로브로 각각 하나씩 연결하는 방법이다. 2단자 측정 방법은 측정라인(프로브, 케이블 등)의 저항과 접촉저항이 시험 저항값에 가산되어 저항 측정 오차가 발생하기 때문에 정밀한 저항을 측정하기는 어렵다. 하지만 많은 사용자들이 저항을 측정할 때 2단자 저항 측정만 가능한 핸디형 멀티미터를 사용하거나, 시험이 간편하고 빠르기 때문에 정밀한 저항을 측정하는 것이 아니라면 이 방법을 많이 사용하고 있다.

측정결과 : R0 + R1 +R2

(R1,R2는 측정선의 저항과 접촉저항)

2.2  4단자 저항 측정법에 대한 이해

[4단자 측정법]

4단자 저항 측정법은 보통 저저항을 오차없이 측정하기 위해 사용하는 방법이다. 그림과 같이 정전류를 공급하는 전류단자 측 2개와 전압계로 연결된 전압단자 측 2개로 구성되어 연결됩니다. 정전류원에서 전류를 인가하여 시험저항 R0 양단에 전압이 생성되고, R0 양단에 전압계로 전압을 측정하는 것은 2단자 측정법과 같다. 하지만, 그림에서 보는바와 같이 정전류원과 전압계의 양단이 연결되어 있지 않고, 전압계의 Impedance는 높게 설계되어 전압계로 전류가 전혀 흐르지 않는다. 그래서 2단자 측정법에서 발생하였던 전압계의 측정 프로브와 케이블의 영향을 전혀 받지 않아 측정 오차를 줄일 수 있다.

측정결과 : R0

(R1,R2,R3,R4는 측정선의 저항과 접촉저항)

2.3  2단자 저항 측정 방법

핸디형 디지털 멀티미터 측정 방법

핸디형 디지털 멀티미터인 Agilent 1272A로 저항을 측정하는 방법이다.

[핸디형 멀티미터 저항 측정]

① 그림과 같이 가운데 레버를 Ω 위치로 돌린다.

② 핸디형 디지털 멀티미터의 COM 커넥터와 Ω 커넥터에 프로브를 연결한다.

③ 연결된 두 프로브를 저항의 양단에 연결한다.

④ 핸디형 디지털 멀티미터의 화면에 표시된 저항 값을 확인한다.

[2단자법 저항 양단 연결]

PC기반 디지털 멀티미터 측정 방법

PC 기반의 디지털 멀티미터가 포함된 ABI사의 보드마스터 MIS4로 측정하는 방법이다.

[PC기반의 디지털 멀티미터 저항 측정 사진과 화면]

① 보드마스터의 전원과 PC에서 Ultimate SW를 실행한다.

② SW가 실행되면, Ohmmeter를 클릭하여, 위의 화면을 띄운다.

③ MIS4 장비의 전면의 Ω 커넥터와 COM커넥터에 클립 케이블 또는 프로브를 연결한다.

④ 클립 또는 프로브를 저항의 양단에 연결한다.

⑤ Ohmmeter의 화면에서 저항의 측정값을 확인한다.

일반 디지털 멀티미터 측정 방법

일반 디지털 멀티미터인 Agilent 34410A로 저항을 측정하는 방법이다.

① Power 버튼을 눌러 전원을 킨다.

② Ω 2W 버튼(2단자 저항 측정 모드)을 누른다.

③ 오른쪽 Hi, LO 커넥터에 프로브를 연결한다.

④ 프로브의 양단에 저항을 연결한다.

⑤ 화면에 나타나는 저항 값을 확인한다.

2.4  4단자 저항 측정 방법

일반 디지털 멀티미터 측정 방법

일반 디지털 멀티미터인 Agilent 34410A로 4단자 저항 모드로 측정하는 방법이다.

① Power 버튼을 눌러 전원을 킨다.

② Shift(파란색) 버튼을 누른 후, 파란색으로 적힌 Ω 4W 버튼(4단자 측정모드)를 누른다.

※ Ω 4W버튼과Ω 2W버튼은 동일버튼이다.

③ 그림에 같이 오른쪽과 왼쪽 Hi, LO 커넥터(총 4개)에 각각 프로브를 연결한다.

④ 4개의 클립을 저항의 양단에 그림과 같이 저항을 연결한다.

⑤ 화면에 나타나는 저항 값을 확인한다.

[장비와 저항 사이의 커넥터&클립 연결]

2.5 2단자와 4단자 저항 측정법에 따른 저항값 비교

2단자 측정 방법과 4단자 측정 방법 모두 시험할 수 있는 디지털 멀티미터인 Agilent 34410A로 측정법에 따른 비교시험을 했다. 2단자 측정 방법과 4단자 측정 방법으로 두 개의 저항 360Ω 과 저저항인 3.6Ω을 측정하여 비교 하였다.

[왼쪽 3.6Ω ±5%, 오른쪽 360 ±5% 저항]

측정 비교 결과

2단자 4단자에 따른 측정 비교결과를 표로 정리하였다. 360Ω, 3.6Ω 측정할 때 모두 2단자로 측정할 때보다 4단자로 측정할 때 측정 오차가 줄어든 것을 확인할 수 있다. 하지만 360Ω일 때는 2단자로 측정할 때도 약 0.3% 이하의 적은 차이가 나타나며, 2단자 측정과 4단자 측정 사이에 오차가 줄어든 것은 약 0.16% 차이밖에 줄어들지 않았다. 하지만, 3.6Ω의 저저항에서는 2단자 측정에서는 약 2.42% 오차가 커진 것을 확인할 수 있으며, 저저항에서 2단자 측정와 4단자 측정은 약 2.04% 차이를 나타내는 것을 시험을 통해 확인 할 수 있었다. 또한 KRISS사에서 2단자, 4단자 측정을 비교한 문서에서는 5mΩ을 측정할 때 약 4.24% 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

이 실험의 첫 번째 목적은 4단자 측정법이 2단자 측정법보다 케이블 저항 및 접촉저항에 대한 오차를 줄일 수 있는지 확인이었고, 두 번째 목적은 저저항일 때 DMM을 사용하여 4단자 측정법이 효과가 있는지 여부를 확인하기 위함이었다.

그리고 한 가지 더 알 수 있었던 사실은, 우리가 가장 흔하게 쓰는 방법인 2단자 측정법은 저저항이나 정밀저항이 아니라면 일반 저항을 측정할 때 DMM의 2단자 측정법으로 빠르고 편리하게 시험할 수 있을 뿐만 아니라, 오차가 크지 않고 정확하다는 것을 알 수 있었다.

그리고 이 실험에서 사용하였던 저항은 ±5%오차를 가지고 있는데 측정할 때 방법에 따라 오차가 2.04% 차이가 나타는 것은 엄청난 차이라고 볼 수 있다. 이론과 실험으로 확인한 4단자 측정법으로 정밀 저항 및 저저항을 측정할 때 이 방법을 사용한다면 오차를 줄일 수 있고, 더 정확한 부품 검사를 할 수 있다.

3. V/I 커브트레이서를 통한 비교 방법

저항을 측정하는 또 다른 방법으로 V/I(전압/전류) 커브 트레이서를 통한 비교 방법이다.

V/I커브 트레이서는 부품의 V/I (전압/전류) 특성곡선을 보여주는 장비로 수동부품 및 능동부품 등의 특성을 확인하기 위해서 많이 사용한다.

저항의 V/I (전압/전류) 특성곡선은 옴의 법칙 V = IR에 의해 일차곡선의 형태가 나타난다. 저항 값은 특성곡선 V/I (전압/전류)의 기울기가 되므로, 저항 값에 따라 기울기가 달라지는 것을 확인할 수 있다.

V/I 커브 트레이서 측정 방법

V/I 커브트레이서가 포함된 ABI사의 AICT로 측정하는 방법이다.

① 보드마스터의 전원과 Ultimate SW를 실행한다.

② SW가 실행되면, V/I Tester를 클릭하여, 위의 화면을 띄운다.

③ AICT 장비의 전면의 CH1의 V-I커넥터와 접지 커넥터에 클립 케이블 또는 프로브를 연결한다.

④ 클립 또는 프로브를 저항의 양단에 연결한다.

⑤ V/I Tester의 화면에서 저항의 V/I 커브 곡선을 확인한다.

⑥ Store 버튼을 누르고 다른 저항과 커브의 기울기를 비교한다.

[V/I 커브트레이서 시험 및 화면]