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1. 개요
코일의 인덕턴스는 전기적으로 충전된 대상이 자기적으로 반응하여 주변에 자기 에너지를 생성하는 물리적 특성을 나타냅니다.
이는 주로 전류가 변할 때 인덕터에 저장되거나 방출되는 에너지로 설명됩니다.
인덕턴스의 기본 단위는 Joseph Henry에 의해 만들어진 헨리( H )입니다.
그러나 인덕턴스의 단위는 위버/암페르 ( 1 H = 1 Wb/A )로도 표현됩니다
물리적으로, 인덕턴스는 전기적으로 충전된 대상이 외부 전류에 의해 변화할 때 생성되는 자기 에너지를 설명합니다.
즉, 전류가 흐를 때 인덕터에는 자기장이 생성되며, 이 자기장은 인덕터에 저장된 에너지로 이어집니다.
전기 회로에서, 인덕턴스는 전류의 흐름을 제어하고 전류가 변할 때 에너지를 저장하거나 방출하여 회로에 안정성을 제공합니다.
예를 들어, 인덕터는 스위치가 열리거나 닫힐 때 전류의 급격한 변화를 완화하고, 전원 공급의 안정성을 유지하는 데 사용됩니다.
이러한 개념을 이해하면 전기 회로에서 인덕턴스의 역할과 중요성을 더 잘 이해할 수 있습니다.
인덕턴스는 회로의 안정성과 효율성을 향상시키는 데 필수적인 역할을 합니다.
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2. 코일의 인덕턴스란?
코일의 인덕턴스는 전류 변화에 저항하는 전기적 특성을 의미합니다.
따라서 전류가 변화할 때만 전기 회로에서 인덕턴스가 나타납니다.
인덕터는 자기장이 변화함에 따라 자기 유도 전압을 생성합니다.
전기 회로에서 전류가 변할 때 동일한 회로 내에서 유도된 전압이 발생하는 현상을 자기 자기 유도라고 합니다.
이 때 자기 유도 인덕턴스( L )라고도 불립니다.
때로는 이러한 현상을 역전압이라고 부르기도 합니다.
왜냐하면 발생된 전압의 극성이 인가된 전압의 반대 방향에 있기 때문입니다.
만약 같은 자기장 내에 있는 다른 부품에 전압이 유도될 때, 이러한 현상은 상호 인덕턴스라고 합니다( M )
상호 인덕턴스은 트랜스포머, 모터, 릴레이 등의 기본 동작 원리입니다.
자기 자기 인덕턴스는 상호 인덕션의 특수한 경우이며, 그것이 단일 고립 회로 내에서 생성되기 때문에 우리는 보통 자기 자기 인덕턴스를 간단히 인덕턴스라고 부릅니다.
Lenz의 법칙에 따르면 유도된 전압은 처음에 전압을 발생시킨 플럭스 변화와 반대 방향의 전류를 생성합니다.
다시 말해, 코일의 인덕턴스( L )가 1 헨리( 1H )일 때, 코일을 통과하는 전류가 1 Ampere/s의 속도로 변할 때( A/s ), 그 코일에 1volt( VL )의 전압이 유도됩니다.
따라서 단위 시간 당 전류의 변화율 = di/dt[A/s]
- 여기서
- di : 전류의 변화량
- dt : 전류가 초 단위로 변화하는 데 걸리는 시간
이 전류 변화의 결과로 L Henries의 인덕턴스를 가진 코일에 유도되는 전압(VL)은
VL=-L×di/dt[v]
(음의 부호는 유도된 전압이 단위 시간당 코일(di/dt)을 통한 전류 변화에 반대한다는 것을 나타냅니다.)
위의 방정식에서, 코일의 인덕턴스는
- 여기서
- L은 Henries의 인덕턴스
- VL은 코일 양단의 전압
- di/dt는 전류의 초당 암페어 단위의 변화율, A/s
인덕턴스(L)는 실제로 전류 변화에 대한 인덕터의 “저항”을 측정하는 것이며, 헨리(Henries)로 표시됩니다.
헨리의 값이 클수록 전류 변화율은 낮아집니다.
인덕터는 전선 루프를 결합하여 코일을 생성하는데, 코일 내의 루프 수를 늘리면 동일한 양의 전류가 흐르더라도 자속은 증가합니다.
따라서 코일 내 루프 또는 턴 수를 늘림으로써 코일의 인덕턴스를 증가시킬 수 있습니다.
그러므로 자기 인덕턴스(L)와 턴 수(N) 사이의 관계는 간단한 단일 층 코일의 경우 다음과 같이 표현될 수 있습니다:
이 식은 또한 자속 연결(NΦ)을 전류로 나눈 것으로 정의할 수 있습니다.
효과적으로 코일의 각 턴을 통해 동일한 전류 값이 흐르기 때문입니다.
이 식은 선형 자성 물질에만 적용됩니다.
3. 코일의 인덕턴스 예제
3-1) 예제 1
Air core로 구성된 인덕터 코일은 구리 선으로 500회 감겨져 있고, 10 A의 직류 전류를 흘린다고 하면 10mWb의 자속이 발생합니다.
코일의 자기 자화도를 밀리헨리(mH) 단위로 계산해보도록 하겠습니다.
3-2) 예제 2
예제 1과 동일한 코일에서 10ms의 시간이 경과한 후 발생하는 자기 유도 전압의 값을 계산해 보겠습니다.
코일의 자기 인덕턴스 또는 보다 정확히 말하자면 자기 인덕턴스 계수는 코일의 구성 특성에 따라 달라집니다.
예를 들어 크기, 길이, 코일 턴 수 등이 그것입니다.
따라서, 고 투과율의 코어와 많은 수의 코일 턴을 사용하여 매우 높은 자기 자기 인덕턴스 계수를 갖는 인덕터를 만들 수 있습니다.
이 경우 코일의 내부 코어에서 생성되는 자속은
Φ = B×A
- 여기서
- φ은 자속
- B는 자속밀도
- A는 면적
3-3) 코일의 인덕턴스 증가
코일 턴 수를 늘리는 것 외에도, 코일의 직경을 늘리거나 코어를 길게 만들면 인덕턴스를 더욱 증가시킬 수 있습니다.
어느 경우에도 코일을 만드는 데 더 많은 와이어가 필요하므로 필요한 백 전압을 생성하기 위해 더 많은 힘선이 존재합니다.
코일의 인덕턴스는 소프트 아이언 재질과 같은 어떤 철계 자기 재료로 만들어진 코어에 감겨 있다면, 고비 통자재나 공기 코어보다 훨씬 증가할 것입니다.
내부 코어가 소프트 아이언, 코발트 또는 니켈과 같은 어떤 철계 재료로 만들어진다면, 같은 양의 전류가 흐르더라도 생성되는 자속이 훨씬 강력해질 것입니다.
왜냐하면 재료가 보다 강하게 힘선을 집중시키기 때문입니다.
예를 들어, 코어 재료가 자유 공간보다 1000배 더 높은 상대 투자율(μο)을 가지고 있다면, 1000μο(소프트 아이언 또는 강철과 같은)이라면 코일의 인덕턴스는 1000배 증가할 것입니다.
따라서 코어의 투자율이 증가함에 따라 코일의 인덕턴스도 비례적으로 증가한다고 할 수 있습니다.
그런 다음 코일이 폼러나 코어 주위에 감겨진 경우, 새로운 폼러 재료의 상대 투자율 μο을 포함해야 하는 인덕턴스 방정식을 수정해야 합니다.
코일이 철계 코어에 감겨진 경우, 코어의 투자율은 자속 밀도와 함께 변화하므로 더 큰 인덕턴스가 발생합니다.
그러나 어떤 종류의 철계 재료를 사용하는지에 따라 내부 코어의 자속이 빠르게 포화될 수 있어 비선형 인덕턴스 값이 발생할 수 있습니다.
와이어 코일 주위의 자속 밀도는 그 위를 흐르는 전류에 따라 달라지므로, 인덕턴스(L)는 또한 이 전류 흐름의 함수가 됩니다.
4. 코일의 인덕턴스에 대한 고려 사항
4-1) 인덕턴스를 선택하고 설계할 때 고려해야 할 요소와 주의할 점
- 전류 및 전압 요구 사항: 인덕턴스를 선택할 때 가장 중요한 요소는 전류 및 전압 요구 사항입니다.
회로에서 흐르는 전류와 전압의 크기 및 변화율을 고려하여 적절한 인덕턴스를 선택해야 합니다. - 물리적 크기와 공간 제약: 인덕턴스의 물리적 크기와 형태는 설치되는 장소에 맞게 고려되어야 합니다.
공간이 제한되어 있거나 특정 형태의 인덕턴스가 필요한 경우, 이러한 제약 사항을 고려해야 합니다. - 주파수 응답: 인덕턴스의 주파수 응답 특성은 설계에 중요한 역할을 합니다.
회로의 주파수 특성에 맞게 인덕턴스를 선택해야 합니다.
고주파 또는 저주파 회로에 적합한 인덕턴스를 선택해야 합니다. - 자기 간섭: 다른 회로나 장치에 의해 인덕턴스에 발생할 수 있는 자기 간섭을 고려해야 합니다.
이러한 간섭은 회로의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 적절한 차단 또는 보호 장치가 필요할 수 있습니다. - 온도 및 환경 조건: 인덕턴스는 주변 환경 조건에 노출될 수 있으며, 온도 변화 및 습도 등의 환경 요인에 따라 성능이 변할 수 있습니다.
따라서 설계 및 사용 환경을 고려하여 적절한 인덕턴스를 선택해야 합니다.
4-2) 인덕턴스를 사용함으로써 발생할 수 있는 부작용과 해결 방법
- 자기간섭: 인덕턴스는 다른 회로나 장치에 의해 자기간섭이 발생할 수 있습니다.
이러한 경우 적절한 차단 장치나 자기 차폐 장치를 사용하여 자기간섭을 최소화할 수 있습니다. - 에너지 손실: 인덕턴스는 전력 손실을 유발할 수 있습니다.
이러한 경우 코어 손실을 최소화하고 효율적인 설계를 통해 에너지 손실을 줄일 수 있습니다. - 과열: 고전압 또는 고전류의 경우 인덕턴스가 과열될 수 있습니다.
적절한 열 관리 및 냉각 시스템을 사용하여 인덕턴스의 온도를 관리하고 과열을 방지할 수 있습니다. - 고장 및 내구성: 인덕턴스는 장시간 사용될 때 고장이 발생할 수 있습니다.
따라서 적절한 재료 및 제조 공정을 통해 내구성이 높고 신뢰성이 높은 인덕턴스를 선택해야 합니다.