인덕터, 코일의 이해
인덕터란?
인덕터는 저항, 커패시터, 트랜지스터 등과 같이 회로를 구성하는 중요한 부품 중 하나로, 보통 인덕터는 코일 또는 리액터라고도 불리기도 한다. 인덕터는 도선(구리, 알루미늄)을 절연성 재료 위에 나사 모양으로 감아서 만든 소자로, 전류의 변화를 안정시키려고 하는 성질을 이용한 부품이다. 이런 성질을 이용하여, 전류의 변화량에 비례해 전압을 유도함으로써, 전류의 급격한 변화를 억제하는 기능을 한다. 이때 흐르고 있는 전류의 변화에 따라 전자기유도로 생기는 역기전력의 비율, 또는 시간의 변화량과 권선의 발생하는 기전력의 비를 인덕턴스(기호,L)라고 하며, 단위는 H(Henry)이다.
매초 1A의 전류를 흘려주었을 때 발생하는 역전압이 1V인 경우, 인덕턴스의 값은 1H(헨리)라 한다.
인덕터의 성질
1. 전류의 변화 안정화 성질
위에서 설명했듯이, 인덕터는 전류의 변화를 안정화하는 성질이 있다. 이런 성질에 대한 유명한 법칙으로, 렌츠의 법칙이 인덕터의 성질을 설명해준다. 이 법칙은 유도 전압과 유도 전류에 대한 법칙으로, 전자기 유도에 의한 인덕터에 흐르는 유도 전류는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다 는 법칙이다.
인덕터는 전류가 증가하면 전류의 흐름을 방해하려 하고, 반대로 전류가 감소하면 전류의 흐름을 증가시키는 성질이 있다. 이것을 렌츠의 법칙이라 한다.
(n: 코일의 권수, Φ: 자속, I: 전류)
이 인덕터에 대한 식을 보면 더 자세히 알 수 있는데, 인덕턴스는 전류와 반비례이므로, 전류가 커질수록 인덕턴스의 값은 작아지며, 전류가 작아질수록 인덕턴스의 값은 커지게 된다. 그래서 이러한 성질을 이용하여 평활회로, 노이즈 필터등으로 사용한다.
2. 상호 유도 작용 성질
두 개의 인덕터 상호간에 유도 작용하는 성질로, 두 개의 인덕터가 가까이 있을 경우에, 한쪽의 인덕터의 전력을 반대편의 인덕터에 전달할 수 있다. 이 성질을 이용한 것이 트랜스포머(트랜스)이다. 전력을 공급하는 쪽의 인덕터를 1차측, 전력을 출력하는 쪽을 2차측이라고 한다. 이러한 트랜스는 1차측의 권선수와 2차측의 권선수의 비율에 따라 2차측의 전압이 변화한다. 전원 트랜스 등은 2차측에서 권선 도중에 여러 개의 선을 내어 여러 전압 얻을수 있도록 제작된 것이 많이 쓰이기도 한다. 보통 우리가 많이 쓰는 220VAC -> 110VAC로 변환하거나, 220VAC -> 5VDC로 변환하는 트랜스들이 있다.
3. 전자석의 성질
코일은 전자석의 성질이 있어, 코일에 전류가 흐르면 철이나 니켈을 흡착하는 성질이다. 이 성질을 이용한 것으로, 밑의 그림과 같은 릴레이가 있다. 전류가 흐르지 않을 때는 스위치(철판)가 위쪽에 붙어 있다가, 코일에 전압을 인가하여, 전류가 흐르게 하면 스위치가 밑으로 내려와 밑에 붙어 있도록 하는 원리로 제작된 것이 릴레이다.
4. 공진 성질
코일과 콘덴서로 회로를 구성하면, 특정 주파수의 교류전류가 흐르지 않게 되거나, 또는 흐르기 쉽게 되기도 합니다. 이것은 전기적인 공진특성이 발생하여 나타내는 것으로, 특정 주파수만 통과시키기 위해 사용하는 필터회로가 이러한 원리를 사용하여 만든 회로이다. 이 성질을 이용해 라디오 튜너가 특정 주파수의 방송을 선택할 수 있는 것이다. 이러한 커패시터와 인덕터를 이용한 공진회로에는 직렬 공진회로와 병렬 공진회로가 있습니다.
인덕터의 종류
1. 트로이달(링코일) 인덕터
원환 모양의 강자성체에 권선을 감은 코일이다. 이것에 이용하는 도넛형의 코어를 트로이달 코어라고 부르며, 트로이달 코어에 코일이 감긴 형태를 하고 있어, 링코일 인덕터라고도 불린다.
특징으로는 주위 물체에 영향을 받지 않고, 누설자속이 적으며, 유도 계수의 안정성 및 재생성이 높아 고주파 회로에서 많이 쓰이거나, 전류량이 많은 전원회로에 주로 사용된다.
2. Axial Lead 인덕터
양단에 납땜을 할 수 있는 리드 선이 나와있는 것이 특징인 Axial Lead 인덕터이다. Axial Lead 저항과 비슷하게 생겼고, 인덕터의 색깔 띠도 저항과 마찬가지로, 인덕터의 값을 나타낸다.
Axial Lead 인덕터는 페라이트 코어가 없기 때문에 Q(Quality Factor)가 낮다.
3. Radial 인덕터
Radial 인덕터는 Axial Lead 인덕터와 동일하게 양단에 납땜을 할 수 있는 리드 선이 나와있는 인덕터이다. Radial 인덕터는 페라이트 코어에 코일을 감아서 Q(Quality Factor)가 Axial Lead 인덕터보다 높은게 특징이다. 하지만 차폐가 되지 않은 인덕터이다.
4. Air Coil 인덕터
Air Coil 인덕터는 코어가 없는 인덕터다. 다른 인덕터들은 코일 내외부에 페라이트 코어로 심이 있거나, 외함으로 이루어져 있다. 그래서 이 인덕터는 코어가 없이 권선을 코일 형태로 만들어 놓은 인덕터이다.
Q (Quality Factor)는 특성은 높지 않다.
5. 칩 인덕터 (Chip Inductor)
코일과 코어를 내장한 칩 패키지 형태의 인덕터이다. 모양이 다이오드나 커패시터 모양과 비슷하다.
칩 인덕터는 제조사에 따라 여러가지의 다양한 크기가 있으며, 인덕턴스 값 등도 고유하게 읽는 방법이 별도로 존재하여, 제조사의 데이터시트를 참고하여 사용해야 한다.
6. 파워 인덕터
파워 인덕터는 주로 전원회로에 많이 쓰이는 인덕터이다. 고전압, 고전류에도 견딜수 있도록 설계된 인덕터로, 수백 mA ~ 수십A까지 견딜수 있도록 코일의 굵기가 일반적으로 사용하는 인덕터에 비해 매우 굵은게 특징이다.
7. 차폐 인덕터
차폐 인덕터는 자기를 차폐하는 형태로, 자기 차폐로 인해 인덕턴스를 높게 설정하며, 전자기파 방사를 막을 수 있어 전자기파의 영향에 민감한 회로나 부품들의 간격이 좁은 제한된 영역에서의 회로에서 많이 쓰인다.
8. RF 인덕터
RF 인덕터는 높은 공진 주파수와 우수한 Q 특성을 보이는 인덕터로, RF 무선통신회로의 주파수나 공진특성을 이용한 여러회로에 적용됩니다.
인덕터의 측정
핸디형 LCR미터로 인덕턴스 측정 방법
핸디형 LCR미터 LCR Research사의 LCR Pro1으로 인덕턴스를 측정하는 방법이다.
인덕턴스를 측정하기 위해, 측정보드에서 10uH(부품오차 20%) SMD용 인덕터를 측정할 예정이다. 측정회로 모드는 Auto모드, Ls(series), Lp(Parallel) 세 가지 모드를 비교하여 시험할 예정이다.
Auto 모드 인덕턴스 측정
① 핸디형 LCR 미터 오른쪽의 노란색 버튼을 눌러 전원을 킨다.
② 10uH 인덕터의 양단에 Tweezer 타입의 프로브를 연결하고, 측정되는 값을 확인한다.
Auto 측정모드란?
Auto 측정모드는 측정하여 L,C,R 및 테스트 주파수, 전압, 회로 모드 등의 가장 오차율이 적은 파라미터의 값을 자동으로 표시한다. 인덕터를 측정하면 자동으로 인덕터 값을 인식하여 표시하고, 오차율이 적은 회로모드와 주파수, 전압 등을 자동으로 설정하여 테스트한다. 밑의 표는 LCR Pro1의 매뉴얼에서 가져온 내용이다. 10uH를 측정할 때, 테스트 전압이 1Vrms, 주파수 10kHz일 때, 가장 오차율이 적으므로, 측정사진에서도 동일하게 자동으로 설정되어 있는 것을 확인할 수 있다.
Series(직렬), Parallel(병렬) 회로모드 인덕턴스 측정
① 핸디형 LCR 미터 오른쪽의 노란색 버튼을 눌러 전원을 킨다.
② 버튼의 오른쪽 방향의 버튼을 약 2초 정도 눌러 메뉴를 불러온다.
③ 메뉴가 화면에 나오면, TEST PARAM. -> CIRC. MODE -> PARALLEL을 선택한다.
④ Parallel(병렬) 회로모드로 10uH 인덕터를 측정한다.
⑤ 메뉴에서, TEST PARAM. -> CIRC. MODE -> SERIES를 선택한다.
⑥ Series(직렬) 회로모드로 10uH 인덕터를 측정한다.
⑦ 측정 값을 비교한다.
측정결과
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10uH, Lp(측정회로 병렬모드) |
10uH, Ls(측정회로 직렬모드) |
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측정값 : 10.252uH |
측정값 : 9.8309uH |
위의 부품은 오차율은 20%인 10uH 인덕터이다. 측정결과 Parallel모드에서 10.252uH이고, Series모드에서 9.8309uH로 측정되었다. 측정값이 Parallel 모드에서 더 근접한 값이 나오지만 더 근접하다고 해서 더 정확한 값이라고 오해하면 안된다. 정확한 값을 측정하기 위해서는, 리액턴스에 따른 정확한 회로모드를 선택해야한다. 10uH를 측정할 때, LCR Pro1 장비의 가장 정확한 측정 파라미터는 1Vrms, 10Khz이다. 리액턴스의 식은 다음과 같다.
Series 회로모드를 사용할 때는, 리액턴스 값이 1KΩ보다 작아야하므로, 위의 리액턴스를 계산하면 약 0.628 이고, 0.628 < 1000 이므로, Series 회로모드로 사용할 때 더 정확하게 인덕턴스를 측정할 수 있다.
그래서 두 개의 측정값 중 더 정확한 값은 9.8309uH가 더 정확하다는 것을 알 수 있다.
PCB 인덕터 부품 실장 상태일 때, 측정 주의사항
PCB 내에 실장상태일 때 주의사항은 여러개의 인덕터가 직렬연결로 연결되어 있는지, 병렬로 연결되어 있는지 확인해야 한다.
1) 직렬연결일 때
직렬연결일 때는 인덕터 양단을 측정해도 직렬이여서 각 인덕터 고유의 값을 측정할 수 있다. 예를 들어, L1 인덕터를 측정할려면, L1양단을 측정하면 L1의 인덕턴스를 측정할 수 있다. 또한 L1의 왼쪽 끝과 Ln의 오른쪽 끝을 측정하면 L = L1+L2+ .... +Ln 의 값이 측정된다.
2) 병렬연결일 때
병렬연결일 때는 주의해야한다. 인덕터가 병렬로 연결되어 있다는 것은 인덕터 중 하나의 부품 양단을 측정하여도 병렬로 연결된 모든 인덕터의 양단을 측정하는 것과 동일하기 때문에 합성 인덕턴스 값이 측정될 수 밖에 없다. 그래서 병렬로 연결된 인덕터의 값을 측정하면 밑의 식과 같이 병렬로 연결된 모든 인덕터의 역수의 합과 같은 값이 측정된다.
V/I 커브 트레이서를 이용한 인덕터 측정
인덕터를 측정하는 다른 방법으로 V/I(전압/전류) 커브 트레이서를 활용한 방법이다. 인덕터의 각 부품 단위로 측정을 하기도 하지만, 인덕터가 PCB에 실장되어 있는 상태에서도 측정을 할 수 있다(고전압/고전류 커브트레이서 제외). PCB 실장상태에서 이 부품은 단독으로 쓰이기보다 필터로 많이 쓰이기 때문에 커패시터나 저항과 같은 여러 부품이 병렬로 연결되어 있는 경우가 많이 있어, 연구부서나 수리업체에서 시스템 보드의 V/I 특성을 측정하여 고장 및 원인 검출을 위해 많이 쓰이는 기술이다.
여기서는, 부품 단위로 V/I 커브를 측정하여 인덕터의 VI 커브 특성 확인 및 비교한다.
V/I(전압/전류) 커브 트레이서 측정 방법
V/I(전압/전류) 커브 트레이서가 포함된 ABI사의 AICT로 측정하는 방법이다.
① 보드마스터의 전원과 Ultimate SW를 실행한다.
② SW가 실행되면, V/I Tester를 클릭하여, 위의 화면을 띄운다.
③ AICT 정면의 CH1의 V-I 커넥터(노랑)와 접지 커넥터(검정)를 클립 케이블 또는 프로브와 연결한다.
④ 클립 또는 프로브를 인덕터의 양단에 연결하고, V/I Tester에서 측정되는 V/I 커브를 확인한다.
⑤ Stroe 버튼을 눌러 커브를 저항하고, 다른 인덕터와 비교 시험한다.
시험결과
위의 그림과 같이 동일한 특성의 인덕터를 측정할 때는 왼쪽 그림과 같이 측정한 커브와 저장된 커브가 동일하기 때문에 시험결과는 PASS가 된다. 하지만 인덕터의 값이 떨어지거나, 또는 고장이 난 부품이라면 오른쪽과 같이 특성이 변하였기 때문에, 커브가 다르게 측정이 되어 시험 결과는 Fail로 표시된다.
인덕터 V/I 커브의 이해
인덕터의 V/I 커브는 위 사진과 같이 기울기가 있는 타원형의 모양을 나타낸다. 인덕턴스 값과 주파수에 따라 V/I 커브도 변경이 된다. 밑의 그림은 AMS 모듈로 인덕터의 V/I 커브를 1KHz~10KHz까지 주파수를 가변하여 측정한 3D V/I 커브이다. 1KHz에서는 얇은 타원형의 모양의 커브가 10KHz에 가까워질수록 둥근 타원형의 모양이 더 커지면서 변화하는 것을 확인할 수 있다. (X축:전압, Y축:전류, Z축:주파수)
