#39. Shunt 전류 센서 이해하기

Shunt 전류 센서는 측정하고 싶은 전류가 흐르는 라인에 저항을 직렬로 연결한 후 저항 양단에 걸리는 전압 차이를 센싱하여 옴의 법칙에 의해 전류 값을 알아내는 소자입니다. 저항을 통해 흐르는 전류에 의해 발생하는 전압 강하를 측정함으로써 전류 값을 간접적으로 계산하는 방식이라고 볼 수 있죠. 이렇게 전류가 흐르는 라인에 직렬로 저항을 삽입하기 때문에 이 저항을 Series 저항이라고 불러야할 것도 같지만 이 저항의 양단을 증폭기와 연결하여 측정하기 때문에 사람들은 이를 Shunt 저항이라고 부릅니다.

 

[그림 1. (a) Shunt 저항기  (b) Shunt 전류 센서]

 

우선 Shunt 전류 센서가 어떻게 생겼는지 봅시다. 그림 1.(a)는 Shunt 저항기로 말 그대로 저항만 제공하여 개발자가 양단에 증폭기와 ADC 회로를 추가로 구성하여 전류 센싱을 할 수 있는 형태입니다. 증폭기 회로를 추가로 구성해야 한다는 번거로움이 있죠. 그래서 그림 1.(b)는 Shunt 저항과 증폭기를 포함하여 전압값을 제공하게 됩니다. 개발자가 ADC 회로(주로 MCU)만 가지고 과 전류를 센싱할 수 있게 됩니다.

 

이렇게 Shunt 전류 센서는 Shunt 저항(Shunt Resistor), 증폭기(Amplifier), ADC(Analog to Digital Converter)로 구성됩니다. Shunt 저항으로 흐르는 전류에 의해 발생하는 전압 차이를 센싱하면 Shunt 저항 값을 알고 있기 때문에 수식 1)의 옴의 법칙에 의해 흐르는 전류 I 값을 찾아낼 수 있습니다. 이게 Shunt 전류 센서의 거의 전부라고 할 수 있을 정도로 동작 방식이 굉장히 심플합니다.

 

수식 1)

 

앞서 설명한 Shunt 전류 센서가 어떻게 구성되고, 어떻게 전류값을 센싱할 수 있는지 그림 2를 통해 상세하게 확인해 봅시다.

[그림 2. Shunt 전류 센싱 회로]

 

그림 2의 Shunt Resistor로 전류가 흐르게 되면 V₂ 전압이 생성됩니다. V₂전압을 Non-inverting 타입 증폭기의 '+' 단자로 입력하게 되면 증폭기와 피드백 저항 R₁, R₂에 의해 수식 2)와 같은 증폭기 이득을 얻게 됩니다.

 

수식 2)

 

 

즉, 증폭기의 출력 전압 V_out은 수식 3)과 같이 입력 전압 V₂ 와 Gain을 곱하여 얻게 됩니다.

 

수식 3)

 

 

사용자 입장에서는 MCU를 통해 ADC 값을 확인하고 ADC 값으로 V_out 값을 알 수 있습니다. R₁과 R₂도 설계 값으로 알고 있기 때문에 수식 3)에 의해 V₂의 전압을 알아낼 수 있습니다. 이렇게 알아낸 V₂값을 이미 알고 있는 Shunt 저항 값으로 나누게 되면 Shunt 저항으로 흐르는 우리가 알고 싶어했던 전류값을 찾아낼 수 있는거죠. 이렇게 Shunt 전류 센서는 측정 원리가 매우 간단 합니다. 하지만 Shunt 저항은 매우 작은 저항값을 가지기 때문에 정밀도가 상당히 중요한데 이를 높이기 위한 제작 오차 또는 소재의 균일성 등을 잘 관리해야 합니다. 또한, 저항이란 것 자체가 온도 변화에 따라 값이 달라지기 때문에 이를 보완할 수 있는 설계나 소재를 선택하는 것 또한 중요합니다.

 

전류 센서는 Battery의 '+'단자에 연결할 수도 '-'단자에 연결할 수도 있지만 그림 2와 같이 기본적으로 Battery의 '-' 단자에 연결하는 것이 보통입니다. 고전압 배터리의 '+'단자가 아닌 '-'단자에 Shunt 저항을 배치할 경우 절연 문제를 피할 수 있어 회로 구성이 상대적으로 간단해지기 때문입니다. 만약 '+'단자에 Shunt 저항을 배치한다면 배터리의 전압이 MCU가 사용하는 전압보다 상당히 크기 때문에 이를 Isolation 할 수 있도록 Shunt 저항 후단의 증폭기나 ADC단에서 절연회로를 적용해야 하는데 이는 회로의 복잡성을 불러올 뿐더러 비용의 증가와 관계됩니다. 따라서, 보통의 경우 배터리의 '-' 단자에 Shunt 저항을 연결하게 됩니다. 여기까지 Shunt 전류 센서에 대한 설명을 마칩니다~!