【전자회로 기본Ⅰ】 3강 - 인덕터

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이전 포스팅에서는 커패시터에 대하여 학습하였음

커패시터란 축전기로 전하를 저장하는 회로 소자로 두 도체판이 떨어져 있는 구조에 그 사이로 유전체가 들어감

이때 유전분극 현상으로 전기장의 전위차는 감소하고 이에 해당하는 에너지를 유전체가 저장하는 것임

이때 커패시터의 용량은 커패시터 양쪽 단자의 면적, 양 단자 사이의 거리, 내부 유전체 재료의 특성에 의해 결정됨

대표적인 커패시터 종류로는 MLCC, 알루미늄 전해 커패시터 그리고 탄탈 커패시터 등이 있음

MLCC의 특성에 대해서도 학습하였는데, 커패시터의 임피던스는 주파수가 증가함에 따라 감소하다 특정 주파수부터 증가함

* 이때의 주파수를 자기공명주파수라고 함

그리고 배터리, 커플링, 바이패스, 디커플링 등 커패시터의 기능에 대해서도 학습했음

 

https://nate0707.tistory.com/100

【전자회로 기본Ⅰ】 2강 - 커패시터

 

1. 인덕터 개요

 

- 인덕터

 

인덕터란 교류전류의 흐름을 방해하는 회로 소자임

* 직류 전류를 흘릴 경우에 인덕터는 순수한 도선으로만 작동

인덕터는 코일을 사용하는데, 여기에 전류를 흐르게하면 앙페르의 법칙에 의해 코일 내부에 자기장이 발생함

교류전압을 걸어주면 인덕터는 마치 저항처럼 작동됨, 인덕터에 흐르는 전류가 변하면 그 변화를 방해하는 역기전력이 전류의 흐름을 방해함

 

다음 렌츠의 관성법칙에 의해 설명할 수 있음

https://yyxx.tistory.com/129

17. 패러데이 법칙과 렌츠 법칙(Faraday's Law, Lenz's Law)

 

인덕터는 에너지를 저장하는 장치임

인덕터는 에너지를 전기장으로 저장하는 축전지$(커패시터)$와 달리 에너지를 자기장의 형태로 저장하는 회로 구성물임

 

- 자성체

 

물질 내부의 원자 주위를 회전하는 전자들은 회전을 하고 있음

전자의 회전은 전자의 움직임, 즉 전류의 흐름으로 해석하여 자기장을 생성한다고 봄

보통의 물질들은 전자들의 회전 방향이 서로 다른 방향으로 쌍을 이루는데, 특정 물질(철족원소)들은 예외적으로 쌍이 되지 않는 전자가 존재하는데 이러한 물질을 자성체라고 함

 

# 코어

대부분의 인덕터는 코일 내부에 자성체를 포함하고 있는데, 이러한 코일이 감긴 자성체를 철심 또는 코어$(Core)$라고 함

 

# 투자율

투자율이란 외부의 자기장에 의해 자성의 성질이 강해지는 현상

$\mu=\mu_0 \mu_s$

* $\mu_0$는 공기중의 투자율 $\mu_s$는 재료의 특성에 따른 비투자율임

 

- 인덕턴스

 

인덕턴스는 교류전류의 흐름을 방해하는 인덕터의 능력을 말함

 

인덕턴스가 높으면 교류전류를 방해하는 힘이 큼

인덕터의 구조에서 코일 내부의 철심에 코일이 감겨 있을 경우 전류 I에 의해 자기장(자속)Φ이 발생하는데, 코일이 N번 감겨있다면

$N_{\phi}$만큼 발생함

인덕터의 구조나 코일 내부의 재료에 의해 발생하는 자기장의 세기가 달라짐

인덕턴스 L은 다음과 같이 나타냄

 

인덕턴스의 식

 

I는 도선에 흐르는 전류, $\phi$는 전류 I에 의해 발생하는 자기장$(자속)$ N은 코일이 감긴 횟수

 

2. 칩 인덕터 종류

 

- 파워 인덕터

 

높은 전압을 낮은 전압으로, 또는 낮은 전압을 높은 전압으로 변환시키는 DC to DC 컨버터 등의 전원 공급 장치 및 회로에 사용되는 인덕터

금속 복합물인 metal composite 또는 자성체 성질을 띠는 ferrite 재료에 구리 패턴이나 wire 코일로 내부에 회로가 연결되어 있음

 

 

전원회로의 출력전류가 크게 변해도 안정적인 전압을 공급하기 위해서 넓은 출력전류 변동에도 일정한 인덕턴스를 유지해야 함

인덕터 내부의 코일 또는 패턴의 저항값이 크면 높은 전류에 의해 열이 발생하고 이로인한 온도상승으로 인덕턴스가 낮아짐

낮아진 인덕턴스로 출력전류가 저하되며 출력전류를 다시 높이기 위해 전류가 상승하게 되어 발열 이 심해짐

폭주 현상을 방지하기 위해 낮은 저항의 특성을 가짐

 

- 고주파 인덕터

 

얇은 자성체에 패턴을 인쇄하여 여러 장 적층하는 Multilayer 구조임

 

 

높은 주파수에서 특성 변화가 적은 세라믹이 재료로 사용되며 내부 패턴 및 전극에는 은$(Ag)$이 사용됨

니켈$(Ni)$과 주석$(Sn)$으로 도금됨

스마트 폰과 웨어러블 기기에 사용됨

고주파 영역에서 주파수에 따른 인덕턴스는 최대한 일정해야하고 높은 Q값을 가져야 함

자기공진주파수보다 낮은 영역에서 사용이 권장됨

 

- 비드

 

비드$(Bead)$는 적층 공정을 이용하여 제작된 표면 실장형 부품임

Ferrite 재료 특성을 이용하여 전자파 노이즈를 제거하는 수동 소자임

 

 

전원라인이나 신호라인에 존재하는 노이즈를 제거함

전자파 노이즈인 고주파 EMI $(Electromagnetic Interference)$를 제거하는 역할을 함

 

3. 인덕터 특성

 

- 등가회로

 

인덕터의 내부 구조에 의한 등가회로는 다음과 같음

 

 

$R_{dc}$는 인덕터에 감겨있는 권선 자체의 저항을 의미하며 $R_p$는 인덕터 중심에 있는 코어의 저항을 의미, $C_p$는 인덕터의 캐퍼시턴스 성분임 보통 부품에서 확인 가능한 인덕턴스 값은 이 등가회로에서 L로 표현됨

 

- 임피던스

 

인덕터의 임피던스는 주파수가 커질수록, 인덕턴스 값이 클수록 커짐

 

 

이때 f는 주파수 L은 인덕턴스 값

 

- 주파수 특성

 

인덕터의 임피던스는 주파수가 증가함에 따라 증가하다가 특정 주파수부터 감소하기 시작함

 

 

이는 커패시터와 유사한데 주파수가 증가함에 따라 등가회로에서 L에 의한 임피던스는 계속해서 커지지만, 병렬 커패시터 $C_p$에 의한 임피던스가 감소하기 때문임

인덕터 내부 구조에 의한 임피던스 감소현상이며, 임피던스가 감소하기 시작하는 주파수가 자기공명주파수 SRF임

인덕터를 적용함에 있어 SRF 주파수가 넘지 않는 영역에서 사용해야 함

 

- 코어 영향

 

인덕터가 만들어내는 자기장은 자속밀도 B와 자계강도 H로 표현할 수 있음

$B=\mu H$

자속밀도는 단위 면적당 존재하는 자속의 개수임

자속이 많으면 코일의 감긴 횟수가 증가하는 것과 동일한 효과로 인덕턴스는 증가함, 자계강도 H 증가

코어로 사용되는 자성체는 자속을 집속시키는 기능이 있어 자속밀도를 증가시킴, 자속밀도 B 증가

 

 

- Q$(Quality)$

 

Q는 인덕터의 성능지표로 교류신호 한 사이클에 대해 인덕터가 저장하는 에너지와 인덕터 내부의 저항으로 인해 손실되는 에너지와의 비율을 말함

 

$Q=\frac{X}{R}$

 

이때 X는 저장 에너지, R은 손실 에너지

저장되는 에너지는 이상적인 인덕터 L에 의해 저장됨

손실되는 에너지는 인덕터 내부의 저항 및 커패시턴스에 의해 소멸됨

 

에너지의 소멸이 내부 직렬 저항 $R_{dc}$에 의해서만 발생한다면 Q는 다음과 같음

 

$Q=2\pi \frac{wL}{R_{dc}}$

 

Q 값이 높을수록 좋은 인덕터로 간주됨

 

4. 인덕터 회로

 

- 주파수에 대한 인덕터의 임피던스 

 

 

인덕터 역할은 발생하는 자기장을 이용하여 교류전류 방해하거나 전자파 노이즈를 차단함 

회로에 인덕터를 연결할때는 직렬로 연결하며, 커패시터의 경우 병렬로 연결함

위의 그림으로 알 수 있듯이 인덕터의 용량이 클수록 저주파에서 SRF를 형성함