MIKROE 홀 커런트 7 클릭 보드 소개

한국 기술 지원 포럼 기술 조언
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MikroElektronika의 홀 커런트 7 클릭(Hall Current 7 Click) 보드는 최대 +/- 100A의 전류를 측정할 수 있습니다. 이 브레이크아웃 기판은 mikroBUS 플랫폼의 일부로, 이를 통해 개발자나 학생이 PCB를 설계 하기 전에 제품을 테스트해 볼 수 있습니다. 홀 커런트 7에는 100 µΩ의 전도체를 통해 전류가 흐르는 Allegro의 ACS758LCB-100B-PFF-T 센서가 포함되어 있습니다. 센서와 단자, 그리고 고전류 커넥터가 그림 1에 나와 있습니다.

이 게시글에서는 MIKROE-4420 제품에 대한 간단한 소개와 함께, 해당 센서를 사용하여 60Hz, 30A 피크 AC 전류 파형을 측정하는 방법을 시연합니다. 독자들은 회로 구성 및 전기 안전에 대해 기본적인 이해를 갖추고 있다고 가정합니다.

그림 1: Arduino UNO R4 미니마와 체결된 +/- 100A MIKROE 홀 커런트 7 클릭 보드의 이미지.
그림 1: Arduino UNO R4 미니마와 체결된 +/- 100A MIKROE 홀 커런트 7 클릭 보드의 이미지.975×731 84.3 KB

그림 1: Arduino UNO R4 미니마와 체결된 +/- 100A MIKROE 홀 커런트 7 클릭 보드의 이미지.

안전 면책 사항

\color{red}\Huge \fbox{WARNING}

MIKROE 홀 커런트 7 클릭은 장난감이 아닙니다. 특히, 고전류, 고전압 시스템에 통합될 경우 더욱 그렇습니다. 실수 때문에 금전적 손실, 장비 손상, 화재 발생, 심지어 인명 피해가 발생할 수 있기에 심각하게 안전을 고려해야 합니다.

시작하기에 앞서, 다음 사항을 반드시 확인하시기 바랍니다:

  • 해당 작업을 수행할 자격이 있거나, 지식이 풍부한 멘토의 밀착 감독 하에 작업합니다.

  • 감전 사고를 방지하기 위해 적절한 케이스와 제작 방식을 사용합니다.

  • 화재를 방지하기 위해 적절한 회로 차단기 또는 퓨즈가 설치되어 있어야 합니다.

  • 고전류 시스템의 오작동은 폭발 위험이 있으므로 보안경과 같은 개인 보호 장비를 착용합니다.

  • 감독자와 기타 필수 인력은 작업을 수행하기 전에 위험 평가 및 안전 분석을 수행합니다.

  • 적절한 LOTO(Lock Out Tag Out, 잠금장치 및 표지판 설치) 프로세스가 마련되어 있어야 합니다.

  • 특히 센서가 전원 장비에 통합된 경우, 적용 가능한 모든 고용주, 주 및 연방의 안전 지침을 준수합니다.

안전은 여러분의 책임입니다. 자신과 주변 사람들을 보호하기 위해 MIKROE 홀 커런트 7 클릭 보드를 책임감 있게 사용할 것을 당부하고 싶습니다. 더 많은 정보는 디지키의 이용 약관 및 주문 조건을 참조해 주시기 바랍니다.

홀 전류 센서란 무엇인가?

홀 효과 센서를 통해 전류를 손쉽게 측정할 수 있습니다. 주요 Allegro 홀 전류 센서는 여러 부품이 통합된 소자로, 여기에는 증폭기, 홀 효과 센서, 자기장을 센서에 효과적으로 유도하기 위한 코어가 포함됩니다.

홀 센서의 복잡성

민감한 센서라면 전류가 흐르는 도체 주위의 자기장을 측정할 수 있지만, 대체로 토로이드형 자기 코어를 사용해 자속을 센서에 집중시킵니다. 흔한 예로 전선이 집게(클램프)의 개구를 통과하는 클램프 온 전류계(clamp-on ammeter)가 있습니다. Allegro 센서의 경우, 자속 집속기(flux concentrator)가 내장되어 있습니다.

자기 부품의 히스테리시스(hysteresis)로 인해 정밀 측정은 어렵습니다. 예를 들어, 전류 정격이 100A인 장치가 1000A의 전류 스파이크에 노출되었다고 가정해 보겠습니다. 이 스파이크는 코어를 자화 시켜 오프셋(offset) 오류를 발생시키는 경향이 있습니다. 정도는 덜하지만, 정격인 100A에서도 잔류 자기장을 유발하여 결과적으로 오프셋 오류가 발생할 수 있습니다. 이러한 오류는 특히 센서를 이용해 소전류를 측정할 때 문제가 될 수 있습니다.

(전류 정격이 100A) 주요 Allegro X100B 센서의 100A 전류가 흐른 후 오프셋 오류는 150mA입니다. 즉, 모든 전류가 제거된 후에도 이 센서는 잘못된 +/- 150mA의 오프셋 오류를 표시할 수 있다는 뜻입니다. 또한, 소전류 측정 오차는 센서의 +/- 20mV 전기적 오프셋과 ADC 전압 기준의 변화에 의해 더욱 증가할 수 있습니다.

기술 조언: 기술자와 엔지니어들은 홀 효과 센서의 자기 오프셋 오류에 종종 놀라곤 합니다. 대체로 낮은 전류에서의 성능에 실망하는 경우가 많습니다.

자기 오프셋 오류를 잘 이해하기 위해 규격서의 사양을 주의 깊게 읽어 보시기 바랍니다. 자기 히스테리시스(magnetic hysteresis)는 디가우징(degaussing)을 하거나 반대 방향으로 전류를 흘림으로써 최소화할 수 있습니다.

홀 커런트 7 클릭 프로그래밍

커런트 7 클릭은 I2C 인터페이스를 갖춘 12비트 Microchip MCP3221 ADC를 사용합니다. 아래 코드 목록에서 보는 것처럼 아두이노 와이어(Arduino Wire) 라이브러리를 사용해 간편하게 통신할 수 있습니다.

  Wire.requestFrom(0b1001101, 2);
  uint8_t upper_byte = Wire.read();
  uint8_t lower_byte = Wire.read();

  uint16_t ADC_12_bit_binary = (upper_byte << 8) | lower_byte;
  float ADC_voltage = fMap((float)ADC_12_bit_binary, 0.0, 4095.0, 0.0, 5.0);
  float measuredCurrent = fMap(ADC_voltage, 0.5, 4.5, -100.0, 100.0);

기술 조언: 개인적으로 저는 2진 ADC 값을 직접 분석하지 않고 전압으로 변환해 확인하는 중간 단계를 사용하는 것을 선호합니다. 이렇게 하면 전압이 디버그 창으로 전송될 수 있기 때문에 문제 해결에 도움이 됩니다. 그런 다음 소프트웨어 결과를 물리적인 전압계 판독 값과 비교할 수 있습니다.

커런트 7 클릭의 속도는 얼마나 빠른가요

Allegro 센서는 120kHz의 대역폭을 가지고 있습니다. Allegro 문서에서는 HEV와 EV 차량 추진 시스템에서의 응용 분야와 함께, 차량 하위 시스템에서 모터 전류 모니터링에 이르기까지 다양한 응용 분야를 다룹니다.

Allegro 센서는 -100~100A 입력에 대한 응답으로 0.5~4.5VDC의 아날로그 출력을 제공하며, 2.5VDC에서는 유휴 상태입니다. 또한, MIKROE 홀 커런트 7 클릭은 I2C 인터페이스를 갖춘 12비트 Microchip ADC가 장착되어 있습니다. 따라서 클릭의 동작 속도는 주로 데이터 전송 시간에 의해 결정됩니다. 그림 2에서 확인할 수 있듯이 전송 시간은 대략 300us입니다. 이로 인해 샘플링 속도는 대략 3000 샘플/초로 제한됩니다.

데이터 전송 속도를 높일 수 있는 방법은 다음과 같습니다:

  • I2C 클럭 속도를 높이기.

  • ADC의 연속 읽기 작업을 사용해 주소 바이트가 전송되는 횟수를 최소화하기.

이러한 기술들은 효과적이지만 한계도 있습니다. 120kHz 대역폭을 달성하려면 SPI, 쿼드 SPI 또는 병렬 인터페이스를 갖춘 고속 ADC로 바꿔줘야 합니다. 이에 대한 대안으로는 고성능 ADC가 내장된 마이크로컨트롤러를 사용하는 것입니다.

그림 2: 마이크로컨트롤러가 각 샘플을 수집하고 서비스하는 시점을 나타내는 플래그와 함께, I2C 신호를 보여주는 로직 분석기의 디스플레이.
그림 2: 마이크로컨트롤러가 각 샘플을 수집하고 서비스하는 시점을 나타내는 플래그와 함께, I2C 신호를 보여주는 로직 분석기의 디스플레이.975×461 62 KB

그림 2: 마이크로컨트롤러가 각 샘플을 수집하고 서비스하는 시점을 나타내는 플래그와 함께, I2C 신호를 보여주는 로직 분석기의 디스플레이.

기술 조언: MIKROE 홀 커런트 7 클릭은 Allegro 센서의 출력을 mikroBUS 소켓의 아날로그 핀으로 보내도록 수정할 수 있습니다. 이 작업을 위해서는 센서의 출력 다리를 들어 올리고 이를 mikroBUS 소켓의 아날로그 핀과 연결하기 위한 전선을 납땜해야 합니다. 노이즈를 최소화하고 나이퀴스트 주파수 앨리어싱(Nyquist frequency aliasing)을 방지하기 위해 RC 저역 통과(RC low-pass) 필터를 포함해야 합니다.

이 수정 작업에서는 클릭의 Microchip ADC를 우회해 마이크로컨틀로러의 내장 ADC를 사용합니다. Renesas의 R7FA4M1AB3CFM#AA0는 변환 시간이 빠른 14비트 ADC를 사용하기 때문에 아두이노 R4 우노의 경우 유리할 수 있지만, 다른 마이크로컨트롤러의 경우 유리할 수도 그렇지 않을 수도 있습니다.

MIKROE 홀 커런트 7 클릭의 시연

이 시연에서, 시스템은 오실로스코프와 유사한 방식으로 작동하도록 구성되어 있습니다. 초당 2000 샘플의 속도로 샘플은 수집됩니다. 수집된 샘플은 배열에 저장되며, 1000 샘플이 수집된 후 처리되어 직렬 모니터로 전송됩니다.

결과는 두 개의 그래프로 구성된 그림 3과 같습니다. 위의 큰 그래프는 0.05초 시간 간격으로 수집된 데이터의 변화를 보여줍니다. 아래의 작은 그래프는 첫 주기 동안의 개별 샘플을 보여줍니다.

그림 3: 초당 2000 샘플의 속도로 샘플링된 60Hz 전류 파형.
그림 3: 초당 2000 샘플의 속도로 샘플링된 60Hz 전류 파형.1857×960 50.5 KB

그림 3: 초당 2000 샘플의 속도로 샘플링된 60Hz 전류 파형.

안전: 숙련된 기술자와 엔지니어라면 그림 3의 데이터를 생성하는 데 사용된 실험 설정을 유추할 수 있을 것입니다. 그들은 내재된 위험을 식별하고 이를 완화하는 방법도 알고 있을 것입니다. 실험 설정에 대해 설명할 수 있지만, 지식이 풍부하고 자격을 갖춘 멘토의 직접적인 감독 없이 초보자가 이 실험을 수행해서는 안되기 때문에 안전을 고려하여 설명을 제한하기로 하였습니다. 이 글의 시작 부분에 언급된 안전 면책 사항을 참조하시기 바랍니다.

아두이노 소프트웨어는 여기에 포함되어 있습니다: Current_7.ino (1.7 KB).

저의 영웅이 했던 말처럼, “이 모델의 조잡함을 용서해 주세요.” 이 코드는 Renesas RA4M1 프로세서의 성능을 활용하는 무차별 입력(brute force) 기법에 의존하고 있습니다. 적절한 소프트웨어 솔루션이라면 샘플링을 처리하기 위한 ISR(Interrupt Service Routine)을 포함하고 있을 것입니다. 이와 같은 솔루션은 RA4M1의 14비트 ADC를 활용하고, DMA(Direct Memory Access)를 사용해 ADC의 데이터를 메모리로 직접 전송할 것입니다. 마이크로컨크롤러는 루프를 계속 돌지 않고 슬립 모드에 들어가거나 다른 필수 작업에 집중할 수 있습니다.

다음 단계

Allegro 센서를 사용해 수행할 수 있는 여러 관련 실험이 있습니다.

  • 샘플링된 데이터를 사용하여 RMS 값을 계산합니다.

  • 전압 측정 회로를 통합한 다음 마이크로컨트롤러를 코딩하여, 위상각과 복잡한 전력을 계산합니다.

  • Allegro의 아날로그 출력이 고성능 내장 ADC를 탑재한 마이크로컨트롤러로 직접 전송되도록 회로를 수정합니다. ISR과 DMA를 사용해 샘플링을 최적화합니다.

  • 샘플링된 데이터를 사용해 FFT를 수행하고 고조파 성분을 확인합니다.

  • 고성능 전압 레퍼런스를 포함하도록 회로를 수정하고, 넓은 온도 범위에서의 안정성에 대해 알아봅니다.

  • 센서의 한계를 정합니다. 세 개의 센서를 사용해 위상 전류를 측정하는 모터 애플리케이션 프로젝트를 고려해 봅니다.

  • 센서가 과부하 상태에 있을 때의 응답을 결정합니다. 자기 히스테리시스를 완화하는 방법을 알아봅니다.

글을 맺으며

MIKROE 홀 커런트 7 클릭은 Allegro ACS758LCB-100B-PFF-T 센서를 편리하게 사용할 수 있는 브레이크아웃 기판입니다. 이 기판은 mikroBUS 생태계 내에서 설계자나 학생이 센서를 쉽게 테스트할 수 있는 위치에 있습니다. 가장 좋은 점은 센서에서 첫 측정값을 얻는 데 몇 분 밖에 걸리지 않는다는 것입니다.

마지막으로, +/- 100A를 측정할 수 있는 회로는 간단하지 않다는 점을 항상 유념해야 합니다. 이러한 회로에는 내재된 안전 위험이 존재하기 때문에 명확하게 식별해야만 합니다. 초보 엔지니어와 학생들은 이러한 위험으로부터 안전할 수 있도록 지침을 받아야 합니다.

MIKROE의 브레이크아웃 기판 제품군을 탐구해 보시고, 특정 기판의 동작에 대해 더 알고 싶으시다면 댓글을 남겨 주시기 바랍니다.

감사합니다,

APDahlen

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저자 소개

미합중국 해안경비대(USCG) 소령(LCDR)으로 전역한 Aaron Dahlen은 DigiKey에서 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있습니다. 27년간의 군 복무 동안 기술자 및 엔지니어로서 쌓아온 그 만의 전자 및 자동화에 대한 지식은 12년간의 교단을 통해 (상호 연계되어) 더욱 향상되었습니다. 미네소타 주립대학, Mankato에서 전기공학 석사(MSEE) 학위를 받은 Dahlen은 ABET(Accreditation Board for Engineering and Technology, 미국 공학 기술 인증 위원회) 공인 전기공학 과정을 가르치고, EET(Electrical Engineering Technology, 전기공학 기술) 과정의 프로그램 조정관으로 일했으며, 군 전자 기술자에게 부품 수준의 수리에 대해 가르쳤습니다. 미네소타 주 북부의 집으로 돌아와 이런 류의 연구와 글쓰기를 즐기고 있습니다.



영문 원본: Introduction to the MIKROE Hall Current 7 Click