[전자 하드웨어 기초] 19. 코일, 인덕터 -4- (인덕터의 활용, 공진주파수)

안녕하세요. 리습입니다.

이번 시간에는 인덕터의 활용 방법에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 

인덕터는 활용 방법은 크게 4가지가 있습니다. 1) 캐패시터와의 조합을 통한 LC회로(아날로그 필터), 2) 상호유도를 통한 전원 트랜스, 3) 전원 회로에서 DC를 만들기 위한 평활 회로용 인덕터, 4) 전류가 흐를 때 발생하는 자기장을 이용한 전자석입니다. 그럼 4가지 사용 방법에 대하여 하나씩 알아보도록 하겠습니다.

1) 캐패시터와 인덕터 조합을 통한 LC회로 (아날로그 필터)

 이전에 축전기, 캐패시터는 DC 신호에 막고 (직렬일 경우 일정 시간 후에 단선된 것과 같아짐.) 교류 신호는 잘 흘려주는 특성이 있다고 하였으며, 코일, 인덕터의 경우 DC 신호는 잘 흘려주지만 교류 신호는 막는 특성이 있다고 언급한 적이 있습니다. 각 L(인덕턴스)와 C(캐패시턴스)에 따라 각각의 성질 크기가 달라질 수 있기 때문에 만약 우리가 적절한 L, C값을 조절할 수 있다면 우리가 원하는 주파수 대역에 대하여 쉽게 흐르거나, 흐르지 않도록 할 수 있습니다. 이것이 바로 공진이며, 병렬/직렬 조합에 따라 해당 주파수만 막는 Band Reject Filter(BFR, Notch filter, Band stop filter)로 동작할 수도 있으며, 특정 주파수만 통과시켜주는 Band Pass Filter로도 동작시킬 수 있습니다.

다음은 LC를 병렬로 배치하여 구성한 Band Reject Filter와 공진주파수 수식입니다.

병렬 LC회로와 공진 주파수, Band Reject Filter

다음은 LC를 직렬로 배치하여 구성한 Band Pass Filter와 공진주파수 수식입니다.

직렬 LC회로와 공진 주파수, Band Pass Filter

두 수식은 같지만 역할이 조합 형태에 따라 역할이 달라진 다는 점 참고 바랍니다.

2) 상호유도를 통한 전원 트랜스

 보통 저희가 변압기라고 말하는 장치 혹은 부품을 자세히 보면, 맨 처음 전류가 인가되는 부분에 다란 코일 두 개가 맞물려 있는 것을 볼 수 있습니다. 이것을 바로 전원 트랜스라고 하며, 전압을 변화시켜주는 장치입니다. 두 코일을 가까이하게 되면 한쪽 코일의 전력을 반대편에 있는 코일에 전달할 수 있습니다. 이때 전력을 공급하는 코일의 권선수와 전력을 전달받는 코일의 권선수 비에 따라 전달받는 코일에 발생하는 전압이 변화하게 됩니다. 위에서 언급한 트랜스라는 부품은 이런 전자기적인 코일의 특성을 이용해 만들게 됩니다. 참고로 코일 두 개가 함께 맞물려있고, 트랜스 용도로 사용될 때, 전력을 공급하는 코일을 1차, 전력을 받는 코일을 2차라고 합니다. 

3) 전원 회로에서 DC를 만들기 위한 평활회로용 인덕터

 AC, 교류 신호를 DC 직류 신호로 변화 시키는 AC-DC 컨버터 회로에서 Ripple신호를 평활화하여 DC 직류 신호를 만드는데도 인덕터를 사용합니다. 단순한 AC-DC 컨버터의 경우 아래와 같은 회로도를 가지게 됩니다.  AC 신호를 받아 1)에서 말씀드린 트랜스를 통해 원하는 전압 레벨을 만들고, 이후 다이오드(세모 모양 기호)를 통해 AC 신호 중 양의 방향에 대하여 신호를 전달해 줍니다. (다이오는 방향성 있게 전류를 흘려주는 소자로, 이후 소개하도록 하겠습니다.) 이렇게 양의 방향으로 잘린 교류 신호를 Ripple(번역 : 맥류)라고 합니다. Ripple신호를 이제 인덕터와 캐패시터의 조합을 통해 완벽하게 평탄한 DC 신호를 만들어 주게 됩니다.

Basic AC-DC Convertor Circuit

 4) 전류가 흐를 때 발생하는 자기장을 이용한 전자석

 코일, 인덕터의 마지막 활용 방법은 전자석입니다. 쇠막대 등 도체에 감은 코일에 전류를 흘려주면 전자석이 되어 마치 자석과도 같은 역할을 해주게 됩니다. 즉 전류를 흘릴 때만 자석이 되어 쇠와 같은 물체와 붙게 되고 전류를 흘리지 않으면 붙었던 물체와 떨어지게 됩니다. 이러한 특성을 이용한 부품이 바로 릴레이입니다. 릴레이는 외부에서 전류가 가해질 경우 스위치가 On 되고 전류가 끊어지면 스위치가 Off 되는 소자로, 전류가 흐르면 내부에 있는 금속을 잡아당겨 그 금속에 연결된 스위치를 On 하는 방식으로 동작합니다. (작은 토막상식을 말씀드리면, 이러한 특성 때문에 릴레이를 통과할 경우 자기장의 영향으로 신호가 왜곡되는 경우가 있기 때문에, 릴레이는 On/Off로 동작되는 스위치에서만 사용해야 합니다.)

마무리

 이렇게 코일, 인덕터에 활용 방법에 대하여 정리해 보았습니다.  위와 같이 인덕터, 코일은 다양한 용도로 사용할 수 있으며, 캐패시터와의 조합에 따라 필터로서 특수한 기능을 수행할 수도 있습니다. 이러한 특성을 잘 알고 사용하면 RLC회로를 잘 조합하여 자신이 원하는 기능을 구현해 낼 수 있을 것입니다.