오실로스코프 측정 시 주의사항

1. 오실로스코프의 프로브 커넥터 구조

오실로스코프의 전면 하단을 보면 오실로스코프의 사양에 따라서 적게는 1개 혹은 2개에서 4개 정도의 BNC 커넥터가 있습니다. 이러한 BNC 커넥터는 오실로스코프의 프로브를 연결하기 위한 목적으로 사용됩니다. 위의 이미지를 자세히 보면 커넥터의 도체 부분이 크게 두 부분으로 이루어진 것을 볼 수가 있습니다. 하나는 바깥을 감싸고 있는 도체로 해당 부분은 그라운드로 사용됩니다. 나머지는 이미지 상에서 금색으로 보이는 내부 신호선으로 신호 전달을 위해 사용됩니다. 이렇게 신호선을 감싸는 형태로 케이블을 제작하면 전자기장 차폐로 노이즈의 간섭을 덜 받는 효과가 있습니다.

 

BNC 커넥터에 대한 이야기를 위에서 한 이유는 그라운드로 사용되는 영역의 특징에 대해 설명하기 위해서 입니다. 위 그림처럼 4개의 채널을 사용할 수 있는 오실로스코프가 있다면 BNC 커넥터의 바깥쪽 도체, 즉 그라운드는 내부 회로에서 모두 연결된 상태입니다. 오실로스코프 절연을 고려해서 설계된 제품이 아닌 이상 모든 오실로스코프의 BNC 커넥터 단자 외층은 모두 내부에서 연결되어 있습니다. 그 이유는 그라운드는 어떠한 회로에서 하나의 기준을 잡아주는 역할을 하기 때문입니다. 그리고 또 한가지 중요하게 생각할 점은 이 그라운드가 바로 프레임 그라운드에 연결된다는 사실입니다.

 

※ 프레임 그라운드(Frame Ground): 전기 회로에서 사용되는 용어로, 전기적으로 안정적인 기준점을 말합니다. 보통 전자기파 차단을 위한 접지선이나 배선의 공통 접지 지점을 말하며, 회로 내에서 발생하는 노이즈나 잡음을 줄이기 위해 사용됩니다.

 

2. 전자제품의 접지구조

220V의 전원 선을 사용하는 전자제품은 일반적으로 60Hz 트랜스포머나 SMPS를 통해서 절연된 전원을 사용합니다. 따라서 트랜스포머를 기준으로 2차측 회로는 1차측의 회로와 전기적으로 절연이 되어 있는 상태입니다. 제품에 따라서 조금씩 차이는 있지만 2차측의 회로 그라운드는 아예 플로팅 상태를 시켜 두거나 아니면 위의 그림에서 보시는 것처럼 고전압 캐패시터를 이용해서 접지와 연결합니다. 이렇게 캐패시터를 사용해서 접지랑 연결하는 이유는 플로팅 상태의 2차측 회로가 접지에 대해서 고전위를 띄는 것을 방지해서 안전사고를 예방하기 위함입니다. 잘못하면 인체를 통해서 높은 전류가 흐를 수 있는 상황에 생길 수 있기 때문입니다.

 

※  트랜스포머(Transformer, 변압기): 전압과 전류의 크기를 변환하는 기기로, 전력 시스템에서 전력을 전송하고 분배하는 데 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 고전압 저전압 변압기와 저전압 고전압 변압기 두 종류가 있습니다.

 

※  SMPS(Switching Mode Power Supply): 전력원으로부터 교류 전원을 받아서 직류 전원으로 특성을 변화시킨 뒤, 다른 전자기기로 직류 전원을 공급하는 직류 전원 공급장치입니다.

 

※  캐패시터(Capacitor): 전자회로에서 전기를 일시적으로 저장하는 장치로 축전기, 콘덴서로 불리는 전자부품입니다. 캐패시터는 전자회로 안에서 아래와 같이 3가지 역할을 합니다.

 

1) 전하를 저장하거나 방전할 수 있습니다.

전하를 축적할 뿐만 아니라 방전도 가능하기 때문에 콘덴서 자체를 전원으로 사용할 수 있습니다.

 

2) 전압을 일정하게 유지합니다.

병렬회로에 들어오는 전압이 높을 때는 충전하고, 전압이 낮을 때는 방전하여 전압의 맥동을 줄일 수 있습니다. 콘센트에서 흘러 오는 전기는 교류전류이지만, 많은 전자 회로는 직류전류로 움직입니다. 때문에 교류를 직류로 바꾸는 작용을 가지는 정류회로를 통해 한쪽으로 정돈하지만, 그 단계에서는 불안정한 전류가 되어 있습니다. 그래서 콘덴서에 의해 맥동을 억제하고 전압을 일정하게 유지하는 구조로 되어 있습니다.

 

3) 노이즈를 제거합니다.

콘덴서가 노이즈를 제거하는 구조에서는 직류전류는 통하지 않고 교류전류는 통과시키는 기능이 도움이 됩니다. 직류전류에 포함된 노이즈는 높은 주파수의 교류성분이므로 콘덴서를 통과하기 쉬운 성질이 있습니다. 입력과 출력 사이에 분기회로를 설치하여 콘덴서와 거기서 연결되는 저항 없는 회로를 만듭니다. 그러면 교류 성분은 콘덴서로 흘러가고 직류 전류만이 출력 회로로 흘러가는 것입니다.

 

3. 오실로스코프의 접지구조

오실로스코프나 컴퓨터 같은 제품은 회로의 그라운드가 접지와 전기적으로 연결된 상태입니다 그래서 실제로 오실로스코프의 접지 단자와 전원선의 접지를 멀티미터를 이용해 저항 값을 측정해보면 굉장히 낮은 값이 찍히는 것을 확인할 수가 있습니다.

 

따라서 프로브 연결을 위한 BNC 캐릭터의 외측 도체, 즉 그라운드는 앞서 설명한 이유 때문에 접지랑 연결 되어있는 상태입니다. 2측 회로의 그라운드가 접지와 연결되어 있기 때문에 오실로스코프의 사용 중에 안전에 신경 써줘야 할 부분들이 생깁니다.

 

4. 잘못된 측정 예시

1)  AC 220V 파형을 측정할 경우

첫 번째로는 가장 대표적이면서도 가장 위험한 경우입니다. 앞서 설명했던 것처럼 오실로스코프의 BNC 커넥터는 접지와 연결되어 있는 상태이기 때문에 AC 220V 파형을 측정하고자 오실로스코프의 프로브를 AC 220V의 선에 연결하면 그 즉시 접지가 쇼트 되어버립니다. 따라서 순간 상당한 전류가 흐르기 때문에 차단기가 내려가거나 안전사고가 발생할 수 있습니다.

 

2) 그라운드를 고려하지 않을 경우

두 번째로는 그라운드에 대한 고려를 하지 않을 경우에 발생할 수 있는 문제입니다. 아주 간단한 예로 5V 건전지를 이용해서 저항이랑 LED를 직렬로 연결하는 회로를 생각해 봅시다. 멀티미터가 없는 경우라서 오실로스코프를 이용해서 저항에 걸리는 전압이랑 LED의 VF를 측정 하려고 합니다.

 

그래서 위 그림처럼 오실로스코프의 2개 채널을 활용해서 한 채널로는 저항 양단에 프로브를 물리고 한 채널로는 LED의 양단에 프로브를 가져가다 댔습니다. 이렇게 되면 측정이 어떻게 될까요? 그림처럼 오실로스코프의 프로브를 연결하면 LED에 큰 전류가 흐르기 때문에 LED가 파손됩니다. 그 이유는 무엇일까요?

 

오실로스코프 커넥터의 외측 도체가 모두 공통 그라운드로 묶여 있기 때문입니다. 따라서 위 그림에서 마치 저항은 없는 회로가 되어버립니다. 건전지에 LED 하나만 딸랑 연결된 상태이기 때문에 저항을 통한 전류를 제한할 수가 없어 LED가 망가지게 됩니다.

 

5. 올바른 측정 방법

안전한 측정 방법의 핵심은 그라운드에 대한 고려와 절연입니다. 여기에 해당하는 방법은 아래와 같습니다.

1)  AC 전원선의 접지선 자르기

AC전원선의 접지선을 잘라도 사실 접지 문제는 해결할 수가 있습니다. 그 이유는 오실로스코프 내부의 전원에서 SMPS 혹은 트랜스포머를 이용해서 이미 절연이 되어 있기 때문입니다. 하지만 이 방법은 추천하지는 않습니다. 그 이유는 아무래도 사람이기 때문에 선을 자르거나, 콘센트에 접지 탭을 잘라도 실험 환경을 바꾸면서 실험을 진행 하다 보면 실수를 하게 되는 사항이 생길 수 있기 때문입니다.

2)  차동 프로브 사용하기

차동 프로브를 사용하면 그라운드가 쇼트가 되지 않기 때문에 접지선을 사용해도 AC 220V와 같은 1차측 회로를 안전하게 측정할 수가 있습니다.

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<참고 자료>

https://www.youtube.com/watch?v=FlDmRzjwJQY&t=489s