[강의자료] 인덕터를 이용한 승압 회로(Joule thief 원리)


일반적으로 1.5V 전지 하나로는 LED를 켤 수 없습니다.
하지만 인덕터라는 마법의(?) 부품을 이용하면 인덕터를 켤 수 있을 정도의 높은 전압을 얻을 수 있습니다.
(주의!) 이 강의는 유도기전력의 기본 원리를 알고 있다는 가정하에 진행됩니다. 만약 유도기전력(또는 역기전력)이라는 개념이 익숙치 않으면, 다른 과정을 통해 먼저 유도기전력에 대해 알아보시기를 권해드립니다.


인덕터는 전기 에너지를 자기장의 형태로 변환하거나, 반대로 자기장 형태의 에너지를 전기 에너지로 상호 변환하는 부품입니다.
에너지를 변환한다는 점에서 인덕터는 ‘공(ball)’에 비유할 수 있습니다. 공은 위치 에너지와 운동 에너지 사이에서 상호 변환이 가능합니다. 예를 들어, 공을 허공에 던지면 공의 높이가 올라가면서 속력은 줄어듭니다. 이것은 공의 운동 에너지가 위치 에너지로 변환된 것입니다. 최고점에 도달한 공은 다시 내려오기 시작하는데, 이것은 공의 위치 에너지가 다시 운동 에너지로 변환되는 것입니다.
인덕터도 이와 마찬가지로, 전류가 흐르기 시작하면 인덕터 주변에 자기장이 형성됩니다. 그러데 자기장은 급작스럽게 만들어지거나 급작스럽게 사라지지 못합니다. 이것은 자기장의 변화에 대항하여 인덕터가 유도기전력을 발생시켜 급작스런 자기장의 변화를 상쇄시키려 하기 때문입니다. 이런 특성 때문에 인덕터는 교류 신호를 잘 통과시키지 못합니다. 이 현상을 이용하여 인덕터는 전기신호에서 높은 고주파를 제거하는데 사용되기도 합니다.


인덕터는 기본적으로 전자석과 같은 구조를 하고 있습니다.
인덕터에 센 전류가 흐른다면 클립을 끌어당길 수 있을 정도의 자기력이 나옵니다.
하지만, 인덕터는 유도기전력을 이용하기 위해 제작된 부품입니다. 전자석으로서 사용하기에는 알맞지 않습니다.


인덕터 2개를 가까이 둔 회로입니다.
오른쪽 인덕터에 전류를 흘려 주었다가 갑자기 끊어 봅니다. 갑작스런 자기장 변화는 왼쪽 인덕터에 유도기전력을 발생시킵니다. 이 유도기전력에 의해 왼쪽 LED가 점등됩니다.
이처럼 인덕터 2개를 가까이 두면 상호 인덕턴스가 발생합니다. 상호인덕턴스란 어느 한쪽에서 일어난 자기장의 변화가 다른쪽 인덕터에 유도기전력을 발생시키는 현상입니다.


요즘들어, 모바일 기기가 늘어남에 따라 보조 배터리가 많이 사용되고 있습니다.
보조 배터리는 5V 전압을 입력받아 다시 5V 전압으로 출력해 주는 장비입니다. 보조 배터리 안에 들어 있는 리튬 전지는 표준전압이 3.7V입니다. 따라서 보조 배터리 내부에는 전압을 변환하는 장치가 반드시 들어 있으며, 이 역할을 해주는 부품이 바로 인덕터입니다.


보조 배터리 내부에는 인덕터가 1개 들어 있었습니다. 이것은 보조 배터리가 자체 인덕턴스를 이용하고 있기 때문입니다.
자체 인덕턴스란, 스스로 만들어낸 자기장 변화에 스스로 유도기전력을 발생시키는 현상입니다.


자체 인덕턴스가 작동되는 과정을 보겠습니다.
스위치를 눌러 회로에 전류가 흐르도록 합니다.


스위치를 놓으면, 전류가 순간적으로 0으로 감소합니다. 이에 따라서 자기장도 0으로 줄어들게 되는데, 인덕터는 이런 변화에 대항하여 유도기전력을 발생시킵니다.
이 유도기전력의 전압과 전지의 전압이 합쳐지면 LED를 점등할 수 있을 정도로 높은 전압이 만들어집니다.


‘Joule Thief’라는 회로가 있습니다. 이 회로는 전자기 유도를 연속적으로 발생시키는 회로입니다.
아래쪽의 인덕터가 유도기전력을 발생시켜 LED를 점등시키는 역할을 합니다. 이 회로에서는 손으로 누르는 스위치는 없으며, 트랜지스터가 스위치 역할을 합니다. 위쪽 인덕터는 아래쪽 인덕터를 모니터링하다가 적당한 타이밍에 트랜지스터가 작동될 수 있도록 합니다.
이 과정은 1초에 수천번 반복되며, 사람의 눈으로는 깜빡거림을 느낄 수 없을 정도로 빨리 진행되기 때문에 사람은 LED가 계속 켜 있는 것으로 인식합니다.