기본 소자 #3: Inductors (인덕터)

기운찬곰·2025년 9월 18일

회로 기본 소자

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📕 유데미 강의, "The Complete Electronics Course: Analog Hardware Design" 를 보고 정리한 글입니다. (강력 추천). 실습으로는 falstad 라는 간단한 시뮬레이터를 사용합니다.

Inductor 소개

Inductor(인덕터)는 어떤 특성 덕분에 주로 변압기로 사용합니다.

💻 이미지 출처. ARIAT TECHNOLOGY

인덕터는 단순한 전선 코일입니다. 철심 코어, 페라이트 코어, 조정 가능한 가변 인덕터가 있습니다. (코어에 따라 특성에 차이가 있는데 이건 나중에 알아보죠)

기본 동작 원리

인덕터의 기본 동작 원리를 살펴보도록 할게요.

인덕터 양단에 전압을 가하면 전류가 흐릅니다. 이 전류가 자기장을 생성하죠. 생성된 자기장이 다시 인덕터에 유도 전류를 만듭니다. 이것이 렌츠의 법칙입니다.

유도 전류는 원래 전류를 상쇄시키지 않고, 대신 적극적으로 반대하려고 합니다. 즉, 들어오는 전류 변화를 방해하려고 하죠. 결과적으로 인덕터를 통과하는 전류를 급격히 변하지 못하게 합니다. 마치 전류 변화에 대해 "관성"을 가지는 것처럼 말이죠. (관성이라... 신기하네요)

인덕터 특성을 알아보는 간단한 회로를 시뮬레이션을 해볼까요?

그래프를 보면 전류가 서서히 증가합니다. 시간이 좀 걸렸어요. 인덕터는 갑작스러운 전류 변화에 반대하고 있어서 갑작스러운 변화를 따라갈 수 없다는 거죠. 초기 저항이 높다고 말할 수 있어요. 하지만 시간이 지나면 저항이 0으로 됩니다.

이것이 바로 $X_L$ Inductive reactance (유도성 리액턴스)입니다.

Inductor 종류

인덕턴스 계산, 단위

인덕턴스를 계산하는 방법은 다음과 같습니다. 코일을 길이당 몇번 감느냐, 면적, 뮤(고유 특성 계수)에 따라 계산할 수 있습니다.

인덕턴스를 높이려면 코일을 많이 감거나 (N↑), 코일을 굵게 만들거나 (A↑), 코일을 촘촘히 감거나 (l↓), 철 코어를 더 넣으면 (μ↑) 됩니다.

인덕턴스 단위인 헤리(H)는 아주 큰 단위에요. 그래서 주로 작은 단위로 많이 쓰여요.

코일을 많이 감을 수록, 그리고 내부에 코어가 있으면 인덕턴스가 큽니다.

인덕터 유형

1. Air core Inductors (공심 인덕터)

코어 재료 없이 코일 내부에 공기 또는 비자성체(플라스틱 등)만을 사용하는 인덕터입니다. 그래서 인덕턴스가 아주 작게 나와요. 5uH 정도죠. 그래서 전압 상승 속도가 꽤 빨라요. 고주파를 다룰 수 있죠. 주로 RF 회로에서 사용됩니다.

Q 팩터 (Quality Factor)라고 해서 Q = (저장 에너지) / (손실 에너지) 라는 값이 있는데, Air core는 손실이 거의 없어서 Q가 높습니다.

장점은 코어 손실과 포화 현상이 없어 매우 안정적이며, 고주파 신호의 품질 유지가 뛰어납니다. 단점은 동일 부피 대비 인덕턴스 값이 매우 작습니다.

2. Iron core inductors (철심 인덕터)

코어 재료로 철(Iron) 또는 강철(Steel)과 같은 강자성체 금속을 사용하는 인덕터입니다. 자성을 가장 잘 나타내는 물질이죠. 인덕턴스가 매우 큽니다. 주로 저주파선을 필터링하는데 사용해요. 오디오 장비에도 많이 사용됩니다. 트랜스포머(변압기)를 사용하는데도 쓰입니다.

장점은 높은 투자율 덕분에 인덕턴스 값을 크게 만들 수 있어 저주파 필터링 및 큰 전력 전달에 용이합니다. 단점은 고주파에서 히스테리시스 손실 및 와전류 손실이 커서 효율이 급격히 떨어집니다.

와전류 손실 = 고주파 자기장이 코어(철)를 관통하면 내부에 순환 전류 발생. 이 전류가 코어를 가열하면서 에너지 손실, 발열이 나타남.
히스테리스시스 손실 = 자성 재료는 자화 방향이 바뀔 때 에너지 손실 발생. 고주파는 초당 자화 방향 변화가 많아 손실 증가. 코어가 뜨거워지고 효율 저하.

3. Ferrite core inductors (페라이트 인덕터)

코어 재료로 산화철과 다른 금속 산화물의 혼합물인 페라이트(Ferrite)를 사용하는 인덕터입니다. 인덕턴스는 철심 인덕터와 공심 인덕터의 중간쯤 됩니다. 주로 스위칭 전원(SMPS), 고주파 필터, EMI/RFI 노이즈 제거 에서 사용됩니다.

혼합물에 든 페라이트와 에폭시의 비율을 조절해 투과성을 세밀하게 조절할 수 있습니다.

장점으로는 비저항이 높아 와전류 손실이 매우 적어 고주파 영역(수십 kHz ~ 수백 MHz)에서도 사용 가능하며 효율이 좋습니다. 단점으로는 특정 주파수 이상에서는 성능이 저하되며, 과도한 DC 전류에 의해 자기 포화가 발생할 수 있습니다.

직렬과 병렬에서의 Inductor

인덕터를 직렬로 연결하면 전류가 각 인덕터를 순차적으로 통과하며, 인덕터의 유효 권선 수(회전 수)가 증가하는 효과가 있습니다.

따라서 직렬 인덕터의 합성 인덕턴스는 각 인덕턴스의 합과 같습니다.

인덕터를 병렬로 연결하면 전체 전류는 각 인덕터로 나뉘어 흐르며, 전체 인덕턴스 값은 줄어듭니다.

병렬 인덕터의 합성 인덕턴스는 저항의 병렬 합성 공식과 동일합니다. 기본적으로 병렬은 인덕터가 감소합니다.

정리) 인덕터의 직렬/병렬 합성 공식은 저항과 동일합니다. 이는 커패시터의 직렬/병렬 합성 공식과 정반대되는 특징을 가집니다.

DC 회로에서의 Inductor 동작

커패시터와 인덕터 비교

커패시터와 인덕터는 현상이 매우 유사합니다. 비슷하면서 정반대로 묘사될 수 있죠.

커패시터는 전기장의 에너지를, 인덕터는 자기장의 에너지를 저장합니다.
전압원을 연결하면, 커패시터는 전압은 흐름에 따라 점차 증가하고 전류는 감소합니다. 인덕터는 전류가 점점 증가하고 전압이 점점 감소합니다.
전압원을 끊으면, 커패시터는 일시적으로 전압을 유지합니다. 인덕터는 일시적으로 전류를 유지합니다.
커패시터는 전압의 변화에 반대(저항)하며, 인덕터는 전류의 변화에 반대(저항)합니다.

회로 시뮬레이션

인덕터 시뮬레이션을 해볼까요?

#1. 스위치가 닫힌 경우 (전원과 연결, ON)

순간 동작 (t=0): 스위치를 닫는 순간, 인덕터는 전류가 0에서 갑자기 증가하는 것을 막기 위해 최대 크기의 역기전력을 발생시킵니다. 인덕터는 순간적으로 개방(Open) 회로처럼 동작하여 전류가 흐르지 않으려 합니다. (I = 0)
과도 상태: 전류는 0에서 천천히 증가하기 시작합니다. 인덕터는 이 전류 증가에 저항하며 자기장 형태로 에너지를 저장합니다.
정상 상태: 전류가 안정적인 최종 DC 값에 도달하면 더 이상 전류 변화가 없습니다. 인덕터는 역기전력을 생성하지 않아 단락(Short) 회로처럼 동작하며, 인덕터 양단의 전압은 0V가 됩니다.

#2. 스위치가 열린 경우 (전원과 연결되지 않음, OFF)

순간 동작 (역기전력 발생): 스위치가 열리면 전류가 갑자기 0으로 감소하려 합니다. 인덕터는 이 전류 감소를 막기 위해 저장했던 에너지를 방출하며 매우 큰 역기전력을 생성합니다. 이 유도된 전압은 매우 커서 스위치 접점 사이에 불꽃(Arc)을 발생시키거나, 주변 회로 부품을 손상시킬 수 있습니다. 이를 플라이백(Flyback) 전압이라고 부릅니다.
방전 상태: 인덕터에 저장된 에너지는 인덕터 자체와 연결된 부하(저항)를 통해 소멸됩니다. 전류는 초기값에서 $\tau$ 시간에 따라 지수 함수적으로 감소합니다.

스위치를 열 때 자기장이 급격히 붕괴하면 전압이 팍 튈 수 있습니다. 현실에서는 훨씬 큰 일이 일어날 수 있죠. 다른 부품들을 파괴할 수 있고요. 뒤에 가서 자세히 얘기해 보시죠.

아, 그리고 커패시터랑 비교하자면 인덕터에 저장된 에너지가 방출되는 상황에서 전류의 방향은 변하지 않네요. 또한, 전압은 반대 극으로 바뀌네요. (커패시터랑 정반대네요)

역기전력(Back EMP)

인덕터가 있는 회로에 전압을 가합니다. 처음에는 전류가 거의 흐르지 않습니다. 전압을 인가하면 전류가 흐르려고 합니다. 전류가 흐르면서 인덕터 주변에 자기장이 생기죠. 변화하는 자기장이 인덕터에 전압을 역으로 유도합니다. 이게 바로 역기전력(Back EMF) 입니다.

💻 이미지 출처: https://learnabout-electronics.org/ac_theory/dc_ccts44.php

역기전력의 극성은 공급 전압과 반대입니다. 따라서 전류 증가를 방해합니다. 역기전력은 스위치를 닫거나 열때 최대가 됩니다. 그 이후에는 서서히 0에 가까워 집니다. 없는 것처럼 말이죠.

좀 더 정리해보면 다음과 같습니다.

역기전력(back EMF)은 전류의 변화율에 비례하는 크기를 가지며 (전류 변화율이 빠를수록 역기전력이 더 크다), 인덕터 내의 전류 변화에 반대하는 극성을 가진다.
역기전력이 생성되는 이유는 인덕터 내의 변화하는 전류가 그 주변에 변화하는 자기장을 야기하고, 그 변화하는 자기장이 차례로 EMF를 인덕터로 다시 유도하기 때문이다. 이 과정을 자기유도(SELF INDUCTION)라고 한다.

📌 전압이 인가될 때 (스위치 ON)

회로에 전압이 인가되고 있을 때, L이 효과적으로 (아주 짧은 시간 동안) 매우 높은 저항이 되어 거의 또는 전혀 전류가 흐르지 않는다. 이는 역기전력 효과 때문이다.

급변하는 (전원) 자기장이 인덕터 주변에 변화하는 자기장을 야기하여 역기전력(back EMF)을 인덕터로 유도하는데, 이것은 전원으로부터의 인가 전압과 반대 극성을 가지며, 따라서 초기에 인덕터를 통과하는 전류의 증가에 반대한다.

📌 전압이 끊겼을 때 (스위치 OFF)

전류가 차단되면(switched off) 자기장은 스위치가 켜질 때처럼 증가하는 대신 이제 붕괴한다. 스위치가 열릴 때 자기장의 급속한 붕괴는 매우 큰 전압 스파이크를 야기할 수 있는데, 이는 유도되는 전압의 크기가 자기장의 변화율에 의존하기 때문이다.

생성되는 높은 전압은 스위치 접점에서 아킹(arcing)을 야기할 수 있는데, 이는 전압이 접점들 사이의 간격을 뛰어넘기 때문이다.

💻 아킹(arcing) 이미지 참고: https://www.jameco.com/Jameco/content/How-to-reduce-emi-voltage-spiking-and-arcing.html

🤔 전압을 인가했을 때(스위치 ON)보다 전압을 끊었을 때(스위치 OFF), 더 위험한가요?

네, 그렇습니다. 일반적으로 DC 회로에서 스위치 주변의 아크(Arcing)는 스위치를 닫을 때(ON)보다 열 때(OFF) 더 심하게, 그리고 더 자주 발생합니다.

그 이유는 스위치를 열 때, 전류가 순식간에 0으로 급감하며, 자기장이 급속히 붕괴, 매우 빠른 변화율을 가지므로 매우 높은 전압 발생(전압 스파이크)가 발생할 수 있다. 불꽃(스파크), 화재 위험이 있음.

스위치를 닫을 때(ON)도 전류 변화는 발생하지만, 전원 전압(V)에 의해 생성되는 전류는 시간 상수( $\tau$ )에 따라 천천히 증가합니다. 따라서 $dI/dt$ 값이 OFF 할 때처럼 급격하지 않으므로, 인덕터가 생성하는 역기전력이 공기의 절연을 파괴할 만큼 충분히 크지 않아 아크가 발생하지 않거나 매우 미미합니다.

Flyback diode

플라이백 다이오드(Flyback Diode)는 인덕터, 릴레이, 모터와 같은 유도성 부하에서 발생하는 위험한 전압 스파이크로부터 회로를 보호하기 위해 사용되는 다이오드입니다.

코일과 같은 유도성 부하는 내부에 에너지를 자기장 형태로 저장하는 특징이 있습니다. 정상적으로 전류가 흐를 때는 문제가 없지만, 스위치를 꺼서 전류를 갑자기 차단하면 저장되었던 에너지가 갈 곳을 잃고 매우 높은 역기전력(전압 스파이크)을 발생시킵니다. 이를 '플라이백' 현상이라고 합니다. 이 높은 전압은 스위치 접점에서 아크를 일으키거나 트랜지스터와 같은 다른 반도체 소자를 손상시킬 수 있습니다.

먼저 시뮬레이션 해봅시다. 스위치를 열었다가 닫았더니 갑자기 전압 수치가 튀어오르는 게 보이시나요?

플라이백 다이오드는 인덕터가 전류를 흘려보낼 수 있는 대안 경로를 제공합니다. 플라이백 다이오드는 이러한 유도성 부하의 양단에 역방향으로 병렬 연결하면 됩니다.

스위치 ON (정상 작동): 전원 전압에 의해 다이오드는 역방향 바이어스 상태가 되어 전류가 흐르지 않습니다. 따라서 회로의 정상적인 동작에 아무런 영향을 주지 않습니다.
스위치 OFF (전류 차단): 전류가 차단되는 순간, 코일은 전류를 계속 유지하려는 성질 때문에 극성이 반대인 높은 역기전력을 유도합니다. 이때 역방향으로 연결된 플라이백 다이오드가 순방향 바이어스 상태가 되어 도통됩니다.
에너지 소멸: 다이오드가 도통되면서 코일에 저장된 에너지가 다이오드를 통해 안전하게 순환하며 저항 성분에 의해 열에너지로 소멸될 수 있는 폐쇄된 경로를 만들어 줍니다. 이로써 위험한 전압 스파이크가 발생하는 것을 막고 회로의 다른 부품들을 보호합니다.

🤔 플라이백 전압(역기전력 전압)은 매우 클텐데 다이오드가 버틸 수 있나요?

플라이백 다이오드가 있으면 플라이백 전압 자체가 크게 발생하지 않습니다. 다이오드가 도통되는 순간 전압이 다이오드 순방향 전압(0.7V~1V)으로 클램핑됩니다. 다이오드가 없을 때 수백~수천 볼트가 발생하지만, 다이오드가 있으면 인덕터 에너지가 안전하게 순환하며 방출되어 전압 급상승을 억제합니다.

다이오드 선택 시 역전압 정격(PIV)은 전원 전압의 2배 이상, 전류 정격은 인덕터 최대 전류 이상이면 충분하며, 빠른 스위칭을 위해 패스트/쇼트키 다이오드를 주로 사용합니다.

플라이백 다이오드는 유도성 부하가 사용되는 거의 모든 회로에서 필수적으로 사용됩니다. 릴레이 및 솔레노이드 구동 회로, 모터 제어 회로, 스위칭 전원 공급 장치 (SMPS) 등. 결론적으로, 플라이백 다이오드는 매우 간단하고 저렴한 방법으로 회로의 안정성과 신뢰성을 크게 향상시키는 핵심적인 보호 부품입니다.

💻 위키백과 참고: https://en.wikipedia.org/wiki/Flyback_diode

AC 회로에서의 Inductor 동작

AC 회로에서의 저항인 경우 위상 변화를 보면 깔끔합니다. 정직한 녀석이죠.

💻 이미지 출처: https://pressbooks.online.ucf.edu/osuniversityphysics2/chapter/simple-ac-circuits/

그러면, 인덕터에서 AC 회로일때 위상 변화는 어떻게 될까요?

전압이 최고가 되면 전류가 0이 되죠. 주기가 진행되면서 인덕터 전압이 0이 되고 전류는 최고치에 도달합니다. 즉 전압과 전류 사이의 90도 위상차가 생깁니다. 이를 2가지 방법으로 표현할 수 있죠.

Voltage leads the current by 90도. (전압이 전류보다 90도 앞선다)
Current lags the voltage by 90도. (전류가 전압보다 90도 지연)

커패시터와는 완전히 반대네요. 커패시터는 전압 변화를 싫어하고요. 전하를 저장해서 전압을 일정하게 유지합니다. 저장형태가 전기장이죠. 반면에 인덕터는 전류 변화를 싫어합니다. 자기장을 만들어서 전류를 일정하게 유지합니다. 저장형태가 자기장입니다.

💻 이미지 출처: https://www.ia.omron.co.kr/support/faq_view.asp?idx=21434

인덕터는 전류가 전압보다 90도 지연입니다. 전류 지연(current lags) ELI (E leads I in L) 이죠.
커패시터는 전류가 전압보다 90도 앞섭니다. 전류 선행(current leads) ICE(I leads E in C) 이죠.

Inductive Reactance

유도성 리액턴스(Inductive Reactance)는 교류 회로에서 인덕터(코일)가 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 값입니다. 이는 마치 직류 회로에서의 저항과 유사하지만, 교류 전류의 변화에 따라 그 값이 변하는 특징을 가집니다.

용량성 리액턴스(Capacitive Reactance)와는 반대로 유도성 리액턴스는 주파수가 높을수록 커집니다.

💻 이미지 출처: https://m.blog.naver.com/lagrange0115/222077677144

인덕터는 고주파 신호가 통과하지 못하도록 막아요. 저주파 신호는 쉽게 통과합니다.

예를 들어볼까요? 아래 회로에서 XL을 계산해보세요.

계산을 비교해보면, 주파수에 따른 리액턴스 차이를 확실히 알 수 있죠?

다양한 주파수에 따른 인덕터

시뮬레이션으로 비교해보세요. 주파수가 높을수록 전류가 작습니다.

자, 그러면 이 회로에서 I_rms 값을 구해보도록 합시다.

전류를 계산하려면 전체 저항(임피던스 Z)를 알아야 해요. 근데, Z 임피던스는 단순히 R + XL이 아닙니다. XL은 주파수에 따라 변화하니까, 즉 위상의 변화가 있으니까 벡터로 계산해야 합니다.

따라서 Z 임피던스는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

그리고 나서 Irm는 다음과 같이 구할 수 있습니다. (커패시터 Irms 구하는 방법 참고)

참고로, 주파수가 동일하고 인덕터 값이 다를 때 시뮬레이션한 결과입니다. 인덕터 크기가 작을수록 리액턴스는 작고, 전류가 더 많이 흐른다는 사실을 알 수 있네요. 즉 큰 인덕터는 변화에 가장 잘 반대한다는 의미죠.

참고로, 아래 세 개의 회로는 다르지만 모두 같은 임피던스를 가지기 때문에 흐르는 전류가 동일합니다.

RLC 회로

RLC 회로에 대해 알아보죠. 이 회로는 특정 주파수에 공명하는 공진 주파수가 있어요. 전기장과 자기장 사이에서 진동하게 됩니다.

커패시터와 인덕터의 리액턴스 그래프 사이에 만나는 지점. 여기서의 주파수를 공진 주파수라고 하죠.

계산을 해보자면 다음과 같습니다.

여기서 흥미로운 점은 XL = XC 서로 같아지면 상쇄 됩니다. XL = XC일 때 유도성과 용량성 리액턴스가 위상이 반대(±90°)라 서로 완벽히 상쇄되는 것이죠. 결국 short circuit와 마찬가지 입니다. 결국 Z = R이 됩니다.

💻 이미지 출처: https://electricalbaba.com/why-series-resonance-circuit-called-an-acceptor-circuit/

원치 않는 공진 주파수가 되면 회로 내의 고압 전류 때문에 주변의 부품이 파괴될 수 있어요.

💻 이미지 출처: https://venkatagireeshtulabandi.blogspot.com/2014/11/variation-in-inductive-reactance-and.html

왼쪽은 주파수에 따른 임피던스 변화, 오른쪽은 주파수에 따른 전류의 전화를 나타냅니다. (사실 같은 거죠)

시뮬레이션 해볼까요? 아래 회로에서 2번째, 41.1Hz가 바로 공진 주파수입니다. 다른 두 회로보다 전압 수치가 훨씬 높네요. 따라서 주의하지 않아서 공명이 일어나면 회로가 파괴될 수 있어요.

Transformers (변압기)

전력 공급 시스템

발전소에서 생산된 전기가 가정이나 산업체에 공급되기까지는 복잡하고 정교한 단계를 거치는데, 이를 전력 시스템(Electric Power System) 또는 전력 계통이라고 합니다. 이 시스템은 크게 발전, 송전, 변전, 배전의 네 가지 단계로 구성됩니다.

💻 이미지 출처: https://solarschools.net/knowledge-bank/energy/electricity/flow

#1. 발전 (Generation)

발전소에서 회전하는 대형 터빈을 통해 전기를 생산합니다. 화력, 원자력, 수력, 태양광 등 다양한 발전소에서 전기를 생산합니다. 발전소에서 생산되는 전압은 보통 10kV ~ 25kV 사이의 비교적 낮은 전압입니다.

#2. 송전 (Transmission)

생산된 전기를 소비지(도시) 근처까지 장거리, 대용량으로 보내는 단계입니다. 발전소에서 생산된 낮은 전압을 승압 변압기(Step-up Transformer)를 이용해 수십만 볼트(예: 765kV, 345kV, 154kV)의 초고압으로 높입니다. 송전 거리에 따라 다릅니다. 거리가 멀수록 전압도 높습니다.

전압을 이렇게 올리는 이유는 손실을 줄여서 효율성을 높이기 위해서 입니다. 전력 손실 $P_{\text{손실}} = I^2 R$ 입니다. 같은 전력( $P = V \times I$ )을 보내기 위해 전압( $V$ )을 높이면 전류( $I$ )가 크게 줄어들고, 이로 인해 송전선에서의 손실( $I^2 R$ )을 획기적으로 줄일 수 있습니다.

#3. 변전 (Substation)

Step-down 변압기를 통해 송전된 초고압 전기를 소비자가 사용하기에 적절한 전압으로 단계적으로 낮추는 단계입니다. 변전소에서 송전선(예: 345kV, 154kV)을 받은 후, 이를 1차적으로 낮춥니다 (예: 1차는 154kV를 69kV로, 2차는 69kV를 22.9kV로 낮춤).

#4. 배전 (Distribution)

변전소에서 전압이 낮춰진 전기를 최종 소비처(가정, 상업시설, 공장)에 분배하는 단계입니다. 전봇대나 지하 매설 케이블을 이용하며, 변전소에서 배전 선로(주로 22.9kV)로 전기를 보냅니다.

소비자와 가장 가까운 곳(전봇대 위의 변압기 또는 아파트 단지 내 변전실)에서 최종적으로 전압을 낮춥니다.

일반 가정용: 22.9kV를 220V/110V (저압)으로 변환하여 가정에 공급합니다.
대형 건물/공장: 22.9kV를 직접 공급받아 건물 내 변전 시설에서 사용 전압으로 변환합니다.

전기는 집으로 연결되고 미터기를 통과해서 사용하는 전력량을 측정합니다. 그리고 마지막으로 전원을 공급합니다.

변압기 작동 원리

변압기는 교류(AC, Alternating Current) 전압의 크기를 바꾸어주는 장치로, 거의 모든 전력 시스템에서 필수적으로 사용됩니다. 변압기의 핵심 원리는 전자기 유도(Electromagnetic Induction)입니다.

변압기는 기본적으로 철심(Core)에 감긴 두 개의 코일(Coil)로 구성됩니다.

1차 코일 (Primary Coil): 교류 전원(입력 전압)이 연결되는 코일입니다.
철심 (Core): 투자율(Permeability)이 높은 강자성체로 만들어져 1차 코일에서 발생하는 자기장을 2차 코일로 효율적으로 전달하는 통로 역할을 합니다.
2차 코일 (Secondary Coil): 출력 전압이 유도되어 부하에 연결되는 코일입니다.

작동 순서는 다음과 같습니다.

자기장 생성: 1차 코일에 교류(AC) 전류가 흐르면, 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 시간에 따라 세기와 방향이 계속 변하는 가변 자기장이 발생합니다.
자기장 전달: 이 가변 자기장이 철심을 통해 2차 코일로 전달됩니다.
전압 유도: 2차 코일은 이 변화하는 자기장의 영향을 받아 코일 자체에 새로운 교류 전압(유도 기전력)이 발생합니다.

스텝업 및 스텝다운 변압기

변압기를 통해 전압이 얼마나 변환되는지는 1차 코일과 2차 코일의 감은 횟수(권선비, Turns Ratio)에 의해 결정됩니다. 즉, 감은 횟수가 많은 쪽에 더 높은 전압이 걸리게 됩니다.

💻 이미지 출처: By Gutten på Hemsen - Own work based on Transformer under load by BillC

변압기는 1차 코일과 2차 코일의 감은 횟수를 어떻게 설정하느냐에 따라 전압을 올리거나 내리는 두 가지 종류로 나뉩니다. 스텝 다운 변환기와 스텝 업 변환기 인거죠.

💻 이미지 출처: CircuitBread > Step-up and Step-down Transformers

위 그림처럼, 첫번째 코일이 두번째 코일보다 많이 돌면 출력이 낮아집니다. High Voltage에서 Low Voltage가 되는거에요. 근데 전류는 반대로 증가 합니다. 이론적으로 2차 전력은 1차 전력과 같습니다. 스텝 다운 변압기는 가정이나 공장에서 사용하는 전압을 전자제품이 요구하는 낮은 전압으로 변환할 때 사용됩니다.

💻 이미지 출처: https://www.electrical4u.com/step-up-transformer/

반대로, 스텝업 (Step-Up) 변압기는 첫번째 코일보다 두번째 코일이 많이 돌면 출력이 높아집니다. Low Voltage에서 High Voltage가 되는거에요. 근데 전류는 반대로 감소하겠죠. 발전소에서 생산된 전기를 먼 거리에 송전할 때, 전력 손실을 줄이기 위해 전압을 매우 높게(전류를 낮게) 변환하는 데 사용됩니다. (전압이 높아지면 전류가 낮아져 손실이 줄어듭니다.)

🤔 왜 전압이 높아지면 손실이 줄어드는거지?

전력(P = V × I)은 일정한데 전압을 높이면 전류(I)가 감소하고, 전선 손실은 P_loss = I²R이므로 전류가 줄면 손실이 제곱으로 감소합니다. 그래서 발전소에서는 수십만 볼트 고압으로 송전하여 전류를 최소화하고, 가정 근처에서 저압으로 변환하여 장거리 송전 효율을 극대화합니다.

🤔 음... P = V²/R 이기도 한데...? 똑같은거 아닌가요?

P = V²/R의 V는 전선 양단의 "전압 강하"이지 "송전 전압"이 아닙니다. 송전 전압을 높이면 전류(I)가 줄고, 전선의 전압 강하(V_drop = I×R)도 함께 줄어듭니다. 손실 = I²R = (V_drop)²/R 둘 다 같은 의미이며, 전류가 줄면 전압 강하도 줄어서 두 공식 모두 손실이 감소합니다. (아핫...그렇구나)

마지막으로, 절연 변압기(isolation transformer) 입니다. 1차 전압과 2차 전압이 같아요. 그다지 유용하지 않아보이네요. 대신 1차와 2차 회로를 분리하는 데 사용됩니다. 노이즈를 제거해줍니다.

💻 이미지 출처: ARIAT TECHNOLOGY > Isolation transformer