[측정에 대하여] 로고스키코일을 이용한 전류프로브

로고스키코일(Rogowski coil)이란?

코일은 코어에 페라이트와 같은 자성체를 넣어 감은 형태와 중앙에 자성체가 없는 공심의 코일이 있다.

자성체를 넣으면 높은 헨리 값을 가지고 코일의 특성인 자속의 변화를 막는 특성이 강해진다.

그래서 전자회로에서 사용되는 코일은 흔히 밑의 사진과 같은 코일이 많다.

 

왼쪽 : 코어에 감은 코일의 모습, 오른쪽 : 코어가 없는 로고스키코일의 모습  

 

중앙에 자성물질 코어가 없으면 자기장을 붙들고 있어줄 물질이 없어서 인덕턴스 값이 작다.

대신에 코어의 물성으로 인한 자화포화 히스테리시스(hysterisis)가 없기 때문에 외부 자속의 변화에 민감하게 반응할 수 있다. 자화포화 히스테리시스는 코어의 물질적 특징때문에 생기는 특징이다.

자기장을 붙들어 주는 물질이 있기에, 변화를 싫어하는 코어의 원자들이 변화에 민감하게 반응하지 못하는 것이다.

그렇기에 코어가 있으면 자기장을 빠르게 변화시킬 수 없다.

너무 빠르게 흐르는 전류로 인한 자속의 변화는 물질의 원자들이 자화될 수 있는 시간보다 빠르게 자기장이 변해서 코일의 인덕턴스가 반응하지 못한다.

 

자기장 h에 따른 자화도 m의 magentic hysterisis curve (출처 : 위키피디아)

로고스키코일로 전류를 측정하는 원리

로고스키코일은 코어가 없는 형태의 코일로 외부 자속에 민감하게 반응하는 특성으로 인해 빠르게 변하는 전류신호 (pulse current 등)를 측정할 수 있다.

 

1. 전류가 흐르면 회전방향으로 자기장이 생긴다.

2. 코일내부에는 자속이 생기게 되며

3. 교류전류므로 자속의 변화가 생겨 패러데이 법칙에 의해 전압이 생기게 된다. 

 

수학적으로 계산해보면 어떻게 전류를 측정할 수 있는지를 쉽게 알 수 있다. 

 

 

로고스키 코일의 구조적 특징

로고스키코일을 보면 일반적인 코일과는 다르게 왔다가 되돌아온다.

 

파란색과 초록색선은 연결되어있다. 초록색을 보면 전선이 되돌아온다

 

왜 이런 모양을 가지는거지? 이런점이 이상하지않은가?

어떤 물리적인 원리가 숨어있는건지 궁금해 여러 문헌을 찾아보았다. 

정진욱 교수님의 '플라즈마 전자공학'이라는 책 220 페이지에는 로고스키코일에 대해 다음과 같이 써있다. 

 

로고스키코일을 만들때에는 반드시 코일을 감아서 반대 끝에서 시작점으로 되돌아오도록 해야하는데 이는 z방향 자속에 의해 만들어지는 전압을 상쇄하여 오직 회전방향의 자속에 의해서만 전압이 생기게하기 위함이다. 

 

로고스키에 관한 리뷰논문 (The Rogowski Coil Principles and Applications: A Review - Mohammad Hamed Samimi et. al) 에는 다음과 같이 언급되어있다. 

 

One of the problems is related to the large magnetic flux between two ends of the coil
(로고스키코일의) 문제중 하나는 코일의 양 끝단에 생기는 강한 자속에 있다.
For decrasing this flux and increaing the immunity of the coil versus stray fields,
이런 양단의 강한 자속을 줄이고 코일의 stray fileds (전류에 의한 자속이 아닌 코일에 의해 생기는 장, 노이즈 요소)에 대한 면역을 높히기 위해서
the Rogowski coil should include two electric paths which are connected to each other in reverse direction
로고스키 코일은 두개의 반대방향을 가지는 전기적인 통로를 가져야한다. 
- 중략 - 
While, when one path is winding and the other is a simple wire, the second wire can be returned through inside of the first wound path. 
하나의 전기적 통로가 한방향으로 감겼으면 두번째 전기적 통로는 첫번째로 감긴 전기적 통로안으로 되돌아와야한다(그림 설명)

 

3줄 요약하면 

1. 로고스키코일은 코어가 없는 코일로 전류변화에 민감하게 반응한다

2. 수학적으로 계산하면 코일에 유도된 기전력을 적분해 전류신호로 만들 수 있다

3. 로고스키코일은 일반 코일과는 다르게 시작점과 끝점이 같다. 

 

다음 포스팅은 로고스키 코일로 전류를 측정하는 방법과 노이즈가 생기는 이유

그리고 그 노이즈를 줄이는 방법 등 좀더 실제적인 관점에서 로고스키코일을 분석할 것이다.