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코일, 인덕터의 인덕턴스 및 기타 특성을 측정(LCR 미터, 임피던스 아날라이저)

요약

여기서는 코일이나 인덕터의 인덕턴스를 측정하는 방법에 대한 실용적이고 이론적인 방법을 소개합니다. 아래 나열된 히오키 LCR 미터 및 임피던스 분석기를 기반으로 한 기능 및 사양을 소개드립니다. 

 

 

임피던스 분석기 상세페이지 (←클릭)  

LCR미터 상세페이지 (←클릭) 

 

 

표 1: 대량 생산 애플리케이션

 모델

측정 주파수

특징 

 IM3533

DC, 40Hz ~ 200kHz

Rdc의 온도보정 기능

 IM3536

DC, 4Hz ~ 8MHz 

표준 모델, 고속, 안정성, 비용 효율적인 분석기

 IM7581

100kHz ~ 300MHz

고주파용 코일의 고속 측정 

 


표 2: 연구 및 개발

 모델

측정 주파수

특징 

 IM3570

DC, 4Hz ~ 5MHz

분석기 모드를 사용한 주파수 스윕



핵심 문제

코일이나 인덕터를 측정하는 방법을 알아보기 전에 해결해야 할 코일 유형의 중요한 차이점이 한가지 있습니다. 바로 "핵심 문제"라고 할 수 있습니다. 코어를 가리키는 코일 유형이 측정에 확실한 영향을 미치기 때문에 이 논의가 중요합니다. 코일은 코어가 없을 수도 있고("공기 코어" 또는 비자성 재료로 만들어진 코어 포함) 페라이트나 철과 같은 자성 재료로 만들어진 코어를 가질 수도 있습니다. 인덕턴스를 측정할 때는 코일을 통해 흐르는 전류의 양이 두 유형의 인덕턴스에 서로 다르게 영향을 미치기 때문에 코어 유형을 아는 것이 중요합니다.

 

 

측정 설정 예 

다음은 공통 코일의 인덕턴스를 측정하기 위해 수동으로 설정할 때 LCR 미터 설정의 예시입니다. (최적의 설정은 코일마다 다릅니다.) 

 

 

표 3: 측정 설정

 매개변수

DC, 4Hz ~ 5MHz

주파수

자기 공진 주파수 이하 

 DC 바이어스

 OFF(ON으로 설정하면 측정할 수 없습니다)

 신호 레벨

CC(정전류) 모드, 정격 전류 이하 

 측정 범위

자동

 속도

SLOW2 

LowZ 모드 

OFF

 

 

 

측정 주파수 설정 

코일 자체의 인덕턴스와 기생 용량에 의한 LC 공진 현상을 자기 공진이라고 합니다. 자기 공진이 발생하는 주파수를 "자기 공진 주파수"라고 합니다. 코일을 평가할 때에는 반드시 자기 공진 주파수를 파악하고, 자기 공진 주파수보다 충분히 낮은 주파수에서 L, Q를 측정하십시오. 이 주파수는 실제로 측정을 수행하고 인덕턴스가 평탄한 주파수 범위를 찾아 결정됩니다(그림 1 참조). 

 

일반적으로 주파수에 따라 증가하는 코일의 임피던스는 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

 

 

Z = j2πfL

 

 

그림 1: 인덕턴스의 주파수 특성 

주파수를 변화시키면서 효율적으로 인덕턴스를 측정하려면 측정 범위를 AUTO로 설정하십시오. 그러나 더 높은 정밀도로 인덕턴스를 측정하는 가장 좋은 방법은 앞서 언급한 인덕턴스가 일정한 주파수 범위에 주파수를 설정하는 것입니다. 

 

 

 

측정 전류 레벨 설정 

측정 전류는 개방 단자 전압, 본 기기의 출력 임피던스, 측정 대상의 임피던스로부터 산출할 수 있습니다. 이를 계산하기 위해 코일 임피던스의 근사치를 사용할 수 있습니다. 

 

 

 

그림 2: DUT에 흐르는 전류 

*1:출력 임피던스는 LCR 미터 모델과 저임피던스 고정밀 모드 활성화 여부에 따라 달라집니다. 취급설명서의 제품사양을 참고하시기 바랍니다.

 

 

 

또한 코일의 정격 전류를 초과하지 않도록 측정 전압을 설정하는 것도 중요합니다.

 

 

그림 3: 인덕턴스의 전류 의존성 

전류 의존성을 보이는 코일(예: 자기 코어가 있는 코일)을 측정할 때 자기 코어가 포화되지 않도록, 전류 레벨을 출력하도록 장비를 설정해야 합니다. 실제로 인덕턴스를 측정하여 올바른 전류 레벨을 결정할 수 있지만 이번에는 전류 레벨을 변경합니다. 인덕턴스가 평탄해지는 현재 레벨이 다시 한 번 사용해야 하는 레벨입니다. 

 

 

전류 의존성을 나타내지 않는 코일(예: 공기 코일 또는 비자성 코일)을 측정하는 경우 기기를 가장 정확하게 전류 레벨로 설정하는 것이 좋습니다. IM3500 시리즈의 경우 V 모드의 1V 설정에서 최고의 정확도를 얻을 수 있습니다. IM7580 시리즈에서는 측정 신호 레벨이 +1dBm으로 가장 정확도가 높은 설정입니다.

 

 

자기 코어가 있는 코일이나 정격 전류가 낮은 코일을 측정할 때는 IM3500 시리즈의 CC(정전류) 모드가 편리합니다. 측정 전류는 소프트웨어를 통해 제어되어 일정하게 유지됩니다.

 

 

 

Ls 또는 Lp 선택

일반적으로 저임피던스 소자(약 100Ω 이하)를 측정할 때는 직렬 등가회로 모드(Ls)를 사용하고, 고임피던스 소자(약 10kΩ 이상)를 측정할 때는 병렬 등가회로 모드(Lp)를 사용합니다. 그림 4는 사용할 등가 회로에 대한 이미지를 제공합니다(코일의 소산 계수 D가 충분히 작은 경우). 예를 들어 임피던스가 약 100Ω ~ 10kΩ인 샘플을 측정하는 경우와 같이 적절한 등가 회로 모드가 불분명한 경우에는 부품 제조업체에 문의하십시오.



 

그림 4: 주파수에 따른 임피던스

 

저인덕턴스 코일: 임피던스가 낮기 때문에 Rp를 무시할 수 있습니다. 직렬 등가 회로 모드를 선택합니다. 

 

고인덕턴스 코일: 임피던스가 높기 때문에 Rs를 무시할 수 있습니다. 직렬 등가 회로 모드를 선택합니다.

 

 

 

인덕터는 권선의 구리 손실 Rs와 코어 손실 Rp가 이상적인 인덕터 L에 연결된 것처럼 동작합니다. 이상적인 코일의 리액턴스(XL)는 다음과 같이 계산할 수 있습니다. XL = j2πfL. Rs와 Rp의 크기에 따라 다르지만 일반적으로 저인덕턴스 코일은 XL이 작은 것이 특징이므로 Rp와 L을 병렬로 배치했을 때의 임피던스는 대략 XL과 동일하게 취급됩니다. Ls는 작기 때문에 Rs는 무시할 수 없으며 설정은 직렬 등가 회로로 취급될 수 있습니다. 반면에 임피던스가 높으면 Rp는 무시할 수 없지만 Rs는 무시할 수 있으므로 병렬 등가 회로로 구성할 수 있습니다. 

 

 

 

Rdc 측정 


그림 5: 측정 신호 

코일 평가에서는 인덕턴스 L, 품질 계수 Q, DC 저항 Rdc가 측정됩니다. IM3533, IM3536 등의 기기는 다른 기기를 사용할 필요 없이 L, Q, Rdc를 측정할 수 있습니다. AC 신호로 L과 Q를 측정한 후 DC 신호로 Rdc를 측정합니다(그림 5 참조).

 

*(Rs, Rp는 Rdc와 동일하지 않습니다. Rs, Rp는 AC 신호로 측정한 저항값입니다. 여기에는 코일 손실, 권선 저항 등 도체 표피 효과, 근접 효과로 인해 증가하는 성분이 포함됩니다.)

 

권선 재료는 온도 계수가 크므로 Rdc는 온도에 따라 달라집니다. IM3533에는 Rdc에 대한 온도 보정 기능이 있습니다.

 

 

 

지연 시간 설정 

Rdc 측정 시, 측정 오차를 줄이기 위해 히오키의 LCR 미터는 생성된 전압을 ON/OFF하여 내부 오프셋을 취소합니다(DC 조정 기능). 그림 6을 참조 

 

그림 6: 측정 타이밍의 예(IM3536)

 

 

 

인덕터에 인가되는 전압이 변하면 출력저항과 인덕터의 등가 직렬저항, 인덕턴스가 과도 현상을 일으킵니다(그림 7 참조). 측정 결과가 이러한 현상의 영향을 받지 않도록 Rdc 측정 중에 지연 시간을 충분히 길게 설정하십시오.

 

지연 시간 설정에 부여되는 이름은 측정 타이밍과 마찬가지로 모델에 따라 다릅니다. 자세한 내용은 사용하려는 모델의 사용 설명서를 참조 부탁드리립니다.

 

적절한 지연 시간이 확실하지 않은 경우 먼저 지연 시간을 최대한 길게 설정하십시오. 그런 다음 측정값에 변동이 없는지 확인하면서 지연 시간을 점차적으로 줄이십시오.

 

그림 7: 인덕터의 과도 현상 

 

 

 

DC 중첩 특성 

그림 8: L의 DC 중첩 특성 

코일 특성의 한 유형은 DC 전류에 비해 인덕턴스가 감소하는 정도를 나타내는 DC 중첩 특성입니다. 이는 전원 회로 등 대전류를 취급하는 회로에 사용되는 코일에 있어서 중요한 평가 항목이 됩니다(그림 8 참조).

 

LCR 미터에는 DC 바이어스 전압 인가 기능이 있지만 이 기능은 커패시터 측정용으로 설계되었기 때문에 측정에 필요한 DC 전류를 인가할 수 없습니다.

 

DC 신호를 중첩하려면 DC 바이어스 전류 장치 9269(또는 9269-10)와 외부 전원 공급 장치를 사용하거나 해당 목적에 맞게 자체 회로를 만드십시오. 

 

 

 

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