커패시터를 붙이는 이유부터 구분합니다
유도 가열(induction heating)은 코일에 흐르는 교류(AC, Alternating Current)로 자기장을 만들고, 그 안의 금속에 전류 등이 생기게 하여 금속 내부에서 열을 발생시키는 방식입니다. 교류는 흐르는 방향이 주기적으로 바뀌는 전류입니다. 코일 자체를 뜨겁게 만들어 금속에 대는 방식과는 다릅니다. 금속의 재질·크기와 코일 안에 놓인 위치가 가열 결과에 영향을 줍니다.
커패시터(capacitor)는 전하를 저장하는 부품입니다. 공진 회로(resonant circuit)는 코일의 자기장과 커패시터의 전기장 사이에서 에너지가 오가도록 연결한 회로입니다. 여기서는 기존 회로가 코일과 커패시터를 같은 두 점 사이에 연결한 병렬 공진 구조인 경우를 다룹니다. 코일의 모든 배선에 이 방법을 적용할 수 있는 것은 아닙니다. 먼저 실제 회로도에서 커패시터가 연결된 두 점을 찾습니다.
여러 커패시터를 함께 묶은 것을 커패시터 뱅크(capacitor bank)라고 부릅니다. 뱅크를 추가하는 목적은 공진 용량과 전류 분담을 바꾸는 것입니다. 전원 공급기, 스위칭 소자, 코일이 허용하는 조건까지 함께 확인해야 가열 조건을 조정할 수 있습니다.
각 220 nF인 커패시터 세 개를 가정해 계산합니다
병렬 연결(parallel connection)에서는 각 커패시터의 한쪽 단자를 A점에, 다른 쪽 단자를 B점에 모읍니다. 따라서 모든 커패시터에 같은 두 점 사이의 전압이 걸립니다. 여러 개로 나누었다고 각 부품에 걸리는 전압이 낮아지지는 않습니다.
계산 예시로, 추가할 커패시터 세 개가 각각 220 nF라고 가정하겠습니다. 이때 추가 용량은 660 nF, 즉 0.66 µF입니다. nF와 µF는 정전용량의 단위이며 1 µF는 1,000 nF입니다. 실제 작업에서는 각 부품의 표시나 형번으로 개별 용량을 확인한 뒤 합산합니다. 기존 커패시터를 떼지 않았다면 총용량은 다음과 같습니다.
C새 = C기존 + 220 nF + 220 nF + 220 nF = C기존 + 660 nF
여기서 C는 정전용량(capacitance)을 뜻합니다. 기존 부품의 값이 확인되지 않았는데 총용량을 660 nF라고 적으면 이후 계산의 출발점부터 틀립니다. 부품 표시와 회로를 확인하고, 용량을 측정해야 한다면 전원을 분리하고 잔류 전압을 제거·확인한 뒤 다른 병렬 경로의 영향을 배제해 측정합니다.
그림의 220 nF와 660 nF는 개별 부품 값을 확인했다는 뜻이 아니라 계산을 위한 가정입니다. 그림은 연결 관계를 설명하는 부분 회로입니다. 구동부와 보호 회로를 생략했으므로 그대로 가열기를 제작하는 회로도가 아닙니다. 실제 배선에서는 두 개의 도체를 연결용 버스로 사용할 수 있습니다. 버스(bus)는 여러 단자를 같은 전기적 연결점으로 묶는 도체입니다. 각 부품의 배선을 짧고 비슷하게 만들되, 필요한 절연 거리와 냉각 공간을 확보합니다. 납땜부와 부품 다리만으로 무거운 도체를 지지하지 않습니다.
용량이 늘면 공진 주파수도 달라집니다
이상적인 코일과 커패시터만 생각하면 공진 주파수 f₀는 아래와 같습니다. L은 코일의 인덕턴스(inductance, 전류 변화에 따른 자기 에너지 저장을 나타내는 값)이며 단위는 H입니다. C는 F 단위로 넣고, 결과 f₀의 단위는 Hz입니다.
f₀ = 1 / (2π√(LC))
L이 그대로라면 용량이 커질수록 공진 주파수가 낮아집니다. 예를 들어 기존 용량이 330 nF인 가상의 회로에 660 nF를 더하면 총 990 nF가 되고, 이상적인 공진 주파수는 처음의 약 0.577배가 됩니다. 이는 계산 예시이며 특정 가열기의 실측 결과나 권장 용량이 아닙니다.
실제로는 금속을 넣거나 위치·온도를 바꾸면 코일에서 보이는 유효 인덕턴스와 손실도 달라집니다. 스스로 진동하는 회로는 운전 주파수가 함께 달라질 수 있고, 고정 주파수로 구동하는 회로는 공진점과 구동 주파수의 차이가 바뀝니다. 따라서 용량만 바꾼 계산으로 전류나 가열 출력까지 단정하지 않습니다.
직류 정격전압만 보고 부품을 고르지 않습니다
공진용 커패시터에는 빠르게 방향이 바뀌는 전류가 흐릅니다. 실효값(RMS, Root Mean Square)은 같은 저항에서 같은 평균 발열을 일으키는 직류값으로 교류의 크기를 나타내는 방법입니다. 직류(DC, Direct Current)는 한 방향으로 흐르는 전류입니다. 부품의 직류 정격전압만 확인하지 말고, 실제 운전 주파수에서 허용되는 교류 전압과 실효 전류, 온도 조건을 함께 확인합니다.
전압이 매끈한 사인 함수 모양으로 반복되는 정현파(sine wave)에 가깝다면 한 커패시터의 전류를 아래 식으로 대략 계산할 수 있습니다. Iᵣₘₛ는 A 단위의 실효 전류, Vᵣₘₛ는 V 단위의 실효 전압, f는 Hz 단위의 주파수이며 C는 F 단위입니다.
Iᵣₘₛ = 2πfCVᵣₘₛ
가령 220 nF 한 개에 30 kHz, 50 V RMS의 정현파가 걸린다고 가정하면 약 2.07 A가 흐릅니다. 세 개가 이상적으로 똑같이 나누어 흐르면 추가 뱅크의 전류는 약 6.22 A입니다. 이 값은 설명을 위한 계산이며 해당 부품의 허용 전류나 전원에서 소비하는 전류가 아닙니다. 공진 회로 안에서 오가는 전류와 전원 입력 전류를 구분해야 합니다.
실제 전류 분담은 용량 오차, 등가 직렬 저항(ESR, Equivalent Series Resistance)과 등가 직렬 인덕턴스(ESL, Equivalent Series Inductance), 배선 길이에 따라서도 달라집니다. ESR은 부품 내부 손실을 저항으로 나타낸 값이고, ESL은 부품과 연결부의 원치 않는 인덕턴스입니다. 같은 값의 부품을 나란히 붙였다는 이유만으로 허용 전류를 정확히 세 배로 계산하지 않습니다.
펄스가 큰 파형에서는 전압의 변화 속도인 dV/dt와 그에 따른 전류도 확인해야 합니다. dV/dt의 단위로는 V/µs 등을 사용합니다. 부품의 펄스 허용 조건, 주파수별 허용 전압·전류와 실제 파형을 비교합니다. 정현파용 계산식 하나로 찌그러진 파형의 손실과 정격 충족을 모두 확인할 수는 없습니다.
변경 전후는 같은 금속과 같은 위치에서 비교합니다
- 기존 회로의 연결, 커패시터 용량·형번, 전원 전압, 전류 제한과 보호 조건을 기록합니다. 스위칭 소자와 코일의 정격도 확인합니다. 필요한 정격 자료를 알 수 없다면 임의로 용량을 늘려 시험하지 않습니다.
- 변경 전 가열 시간을 정하고 같은 금속을 같은 깊이·위치에 놓습니다. 시작 온도, 입력 전압·전류, 운전 주파수와 온도 변화를 기록합니다. 코일 안으로 넣었다 빼는 동작만으로도 부하가 달라지므로, 가열·측정에 영향을 주지 않는 재료의 지그(jig, 물체의 위치를 고정하는 치구)를 사용합니다.
- 전원을 분리하고 적합한 방전 경로로 잔류 에너지를 제거한 뒤 전압을 확인합니다. 뜨거운 금속과 코일을 충분히 식히고 커패시터 뱅크를 추가합니다. A·B점의 연결과 의도하지 않은 단락, 고정·절연 상태를 검사합니다.
- 회로에 맞는 전류 제한과 보호 조건으로 다시 동작시킵니다. 처음에는 짧게 확인하고, 전류·전압·온도가 확인한 허용 범위 안에 있을 때만 시험 시간을 늘립니다. 이상 소음, 비대칭 파형, 급격한 과열이 나타나면 중단합니다.
- 같은 시작 온도와 가열 시간으로 비교합니다. 커패시터, 스위칭 소자, 코일과 연결부의 온도도 함께 확인합니다. 특정 부품만 유난히 뜨거워지면 전류 분담과 접속 상태를 다시 살펴봅니다.
공진 양단은 접지 기준의 낮은 전압이라고 가정할 수 없습니다. 접지된 오실로스코프(oscilloscope)의 접지 집게를 접지에 고정되지 않은 부동 노드(floating node)에 연결하면 회로를 단락시킬 수 있습니다. 두 점 사이의 전압을 측정하는 차동 프로브(differential probe)를 사용할 때도 차동 전압·주파수뿐 아니라 두 입력이 접지에 대해 함께 갖는 공통 모드(common-mode) 전압의 허용 범위를 확인합니다. 장비의 보호접지를 끊어서 해결하지 않습니다.
붉게 달아오른 모습만으로 출력 증가를 판정하지 않습니다
같은 금속이 더 짧은 시간에 같은 온도에 도달했는지는 가열 효과를 비교하는 데 도움이 됩니다. 다만 눈에 보이는 색은 주변 밝기와 표면 상태에도 영향을 받으므로 적합한 온도 측정 방법을 사용합니다. 온도를 재는 위치와 센서가 자기장에 받는 영향도 확인합니다.
안정된 직류 입력에서는 입력 전력을 대략 P입력 = V입력 × I입력으로 구할 수 있습니다. 전압·전류가 크게 변동하면 순간 전력의 평균을 측정해야 합니다. 입력 전력에는 회로와 코일의 손실도 포함되므로 금속에 전달된 열출력과 같다고 적지 않습니다.
추가 후 가열이 빨라져도 커패시터나 스위칭 소자가 과열되면 적합한 개선이라고 할 수 없습니다. 최종 판단은 같은 조건에서의 가열 결과, 입력 전력, 실제 파형, 부품 온도와 정격 여유를 함께 비교해 내립니다.