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산업계측제어기술사

Inductive Sencing overview

NeoStudio_20260101_161106_산업계측제어 기술사 17다운로드

https://www.ti.com/video/series/precision-labs.html

공진 이해

https://m.blog.naver.com/deu03216/222280733193

http://www.rfdh.com/bas_rf/begin/lc.htm

http://www.rfdh.com/bas_rf/begin/reso.htm

infineon-an219207-inductive-sensing-design-guide-applicationnotes-en다운로드

좋은 포인트를 짚으셨어요 🙂. 지금은 Study Mode니까, 바로 결론을 주기보다는 직관적으로 단계별로 풀어볼게요.

⚡ 병렬 LC 탱크의 공진 직관

  • 병렬 LC만 놓고 보면: 공진에서 임피던스가 무한대 → 외부에서 보면 전류가 흐르지 않으니 **Band Stop(Reject)**처럼 보입니다.
  • 그런데 센서 회로나 실제 필터 구조에서는 LC 탱크가 단독으로 쓰이지 않고, 다른 소자와 결합됩니다. 예를 들어:
    • 직렬로 신호 경로에 삽입하면, 공진에서 임피던스가 크므로 신호가 차단 → Band Stop.
    • 병렬로 접지에 연결하면, 공진에서 임피던스가 크므로 신호가 접지로 빠지지 않고 그대로 통과 → Band Pass.

🎯 핵심 차이

  • LC 탱크 자체는 “공진에서 임피던스 최대”라는 성질만 가집니다.
  • 필터로서의 성질은 탱크를 어디에 두느냐에 따라 달라집니다:
    • 직렬 경로에 두면 → Band Stop.
    • 병렬로 접지에 두면 → Band Pass.

💡 질문: 지금 말씀하신 inductive sensing 회로에서는 LC 탱크가 신호 경로에 직렬로 있나요, 아니면 병렬로 접지에 연결되어 있나요? 이 위치에 따라 Band Pass/Stop 성질이 달라지는 걸 직접 확인해 보면 이해가 더 확실해질 거예요.

“`html

Inductive Sensing Overview

Inductive Sensing · Eddy Current · LC Tank · Resonance · SRF · Band-Pass

1. Inductive Sensing의 기본 개념

NeoStudio에서는 Inductive Sensing에 LC 회로의 공진특성을 이용한다고 기록한다.

LC 회로 주변에 금속이 접근하면 금속에 Eddy Current가 형성되고, 이 영향으로 LC 회로의 특성이 변한다. 

      LC Sensor Coil
            │
            │ Magnetic Field
            ▼
        Metal Target
            │
            ▼
        Eddy Current
            │
            ▼
      LC 특성 변화
            │
            ▼
       공진 특성 변화

2. 금속과 Eddy Current

원본에서는 LC 회로가 만든 자기장에 Metal이 가까워지면 Eddy Current가 발생한다고 기록한다.

Magnetic Field + Metal → Eddy Current
Inductive Sensing은 금속과 Sensor Coil 사이의 전자기적 상호작용을 LC 공진특성의 변화로 검출하는 구조이다.

3. 공진주파수를 이용한 검출

NeoStudio에서는 공진주파수를 선택적으로 이용하여 금속 접근에 따른 변화를 검출하는 방향으로 기록한다.

Metal 접근 → LC Parameter 변화 → Resonant Characteristic 변화 → Detection

4. 직렬 LC 공진

두 번째 페이지에서는 먼저 직렬 LC 회로를 정리한다. 

      ───── L ───── C ─────

직렬 LC의 Impedance는

Z = jωL + 1/(jωC)
= j ( ωL – 1/(ωC) )

5. 직렬공진 조건

공진에서는 Inductive Reactance와 Capacitive Reactance가 상쇄된다.

ωL – 1/(ωC) = 0

따라서

ω₀ = 1/√(LC)
f₀ = 1/(2π√(LC))

원본에서는 직렬공진점에서 Impedance가 작아지는 그래프를 그린다.

Series Resonance → Z Minimum

6. 병렬 LC 공진

병렬 LC 회로도 함께 비교한다. 

           ┌── L ──┐
      ─────┤       ├─────
           └── C ──┘

병렬회로에서는 Admittance를 이용하여

1/Z = 1/(jωL) + jωC
= j ( ωC – 1/(ωL) )

7. 병렬공진 조건

공진조건은

ωC – 1/(ωL) = 0

이므로

ω₀ = 1/√(LC)
f₀ = 1/(2π√(LC))

병렬공진점에서는 Impedance가 큰 방향으로 그려져 있다.

Parallel Resonance → Z Maximum

8. 직렬공진과 병렬공진 비교

구분 공진주파수 공진점 Impedance
Series LC 1/(2π√LC) 최소 방향
Parallel LC 1/(2π√LC) 최대 방향

9. 저주파 모델과 고주파 모델

일반 이미지에서는 실제 수동소자는 고주파에서 이상적인 L, C, R 하나만으로 동작하지 않는다고 보여준다.

Low Frequency → Lumped Ideal Model
High Frequency → Parasitic Component 영향 증가

10. Wire의 고주파 특성

일반 이미지에서는 Wire도 고주파에서 기생 Inductance와 Resistance를 갖는 것으로 모델링한다. 

      Ideal Wire
          ↓
      L_parasitic + R_parasitic

고주파에서 Skin Effect 등에 의해 저항성분도 증가하는 방향으로 그림이 제시되어 있다.

11. Resistor의 고주파 모델

Resistor도 고주파에서 단순한 R만 존재하지 않는다.

원본 그림에는 기생 Inductance와 Capacitance가 추가된 고주파 등가모델이 제시되어 있다.

Ideal R → R + Parasitic L + Parasitic C

12. Inductor의 실제 고주파 모델

NeoStudio와 일반 이미지에서 실제 Inductor는 L만 갖지 않고 기생 R과 C를 포함한다고 기록한다. 

                L
      ─── R ── coil ───
              │   │
              └─ C ┘
Practical Inductor = L + Parasitic R + Parasitic C

13. Capacitor의 실제 고주파 모델

Capacitor에는 ESR과 ESL이 존재하는 것으로 표시된다.

ESR = Equivalent Series Resistance
ESL = Equivalent Series Inductance 
      ─── ESR ─── C ─── ESL ───

14. Self Resonant Frequency · SRF

실제 Inductor와 Capacitor에는 기생성분이 존재하기 때문에 Self Resonant Frequency가 나타난다.

SRF = Self Resonant Frequency

원본에서는 SRF를 기준으로 소자의 본래 성질이 바뀌는 모습을 설명한다.

15. Inductor의 SRF

일반 이미지의 실제 Inductor S21 그래프는 SRF를 기준으로 두 영역을 구분한다.

f < SRF → Inductive Region
f > SRF → Capacitive Region
Inductor도 SRF를 넘으면 기생 Capacitance 영향 때문에 Capacitor처럼 동작할 수 있다.

16. Capacitor의 SRF

NeoStudio에서는 Capacitor 역시 SRF 이후에는 본래의 Capacitive 특성이 아닌 Inductive 특성이 나타나는 방향으로 기록한다.

Capacitor : SRF 이하 → Capacitive
SRF 이상 → Inductive

17. 실제 L · C 사용 시 주의

따라서 LC 공진회로를 구성할 때에는 이상적인 L과 C만 고려해서는 안 되며, 실제 부품의 SRF와 기생성분을 고려해야 한다.

Operating Frequency < SRF

의 방향으로 사용할 필요가 있다는 흐름이다.

18. Inductive Sensing의 LC Tank

NeoStudio 3페이지에서는 Inductive Sensing에 LC Tank를 사용한다고 기록한다. 

                 Sensor
                   │
          ┌────────┴────────┐
          │                 │
          C                 L
          │                 │
          └────────┬────────┘
                   │
                 LC Tank
                   │
                Metal

L과 C가 병렬로 연결된 공진 Tank 구조가 그려져 있다.

19. Metal 접근과 LC Tank

LC Tank 가까이에 금속이 위치하면 Coil과 금속 사이의 상호작용으로 Tank의 공진특성이 변한다.

Metal 위치 변화 → Eddy Current 변화 → LC Tank Characteristic 변화

20. LC Tank의 주파수 특성

NeoStudio에서는 병렬 LC Tank의 주파수응답을 봉우리 형태로 그린다. 

      Z
      ↑
      │             /\
      │            /  \
      │           /    \
      │__________/      \________
      └──────────────────────────→ f
                   f0

공진주파수 부근에서 Impedance가 크게 나타나는 구조이다.

21. Excitation Signal

NeoStudio에는 LC Tank를 구동하기 위한 입력파형을 사각파 형태로 그린다. 

      Vin
       ↑
       │ ┌───┐   ┌───┐
       │ │   │   │   │
       └─┘   └───┘   └────→ time

이 신호를 LC Tank에 인가하여 주파수 선택 특성을 이용한다.

22. LC Tank의 출력파형

입력은 사각파 형태이지만 LC Tank의 주파수 선택특성에 의해 출력에는 공진주파수 성분이 강조된 파형이 나타나는 것으로 그려져 있다. 

      Vout
       ↑
       │    /\          /\
       │   /  \        /  \
       │  /    \      /    \
       └──────────────────────→ time

원본은 이를 Band-Pass Filter와 연결하여 기록한다.

23. LC Tank와 Band-Pass

NeoStudio 3~4페이지에서는 LC Tank의 공진특성을 Band-Pass 형태로 이용하는 구조를 그린다.

LC Tank Resonance → Selected Frequency Component → Band-Pass 형태 출력

24. 4페이지 회로

마지막 페이지에서는 입력원 Vin, 저항 R, LC Tank와 출력단을 하나의 회로로 연결한다. 

      Vin ~ ── R ──┬────────────── Vout
                   │
                   │
                ┌──┴──┐
                │ L || C
                └──┬──┘
                   │
                  GND

원본에는 LC Tank의 공진특성과 출력단의 Band-Pass 특성을 연결하여 표시한다.

25. Inductive Sensing 전체 흐름

               Excitation Signal
                      │
                      ▼
                  LC Tank
                 L  ||  C
                      │
                      ▼
              Magnetic Field
                      │
                      ▼
                Metal Target
                      │
                      ▼
                Eddy Current
                      │
                      ▼
           Coil / Tank 특성 변화
                      │
                      ▼
             Resonance 변화
                      │
                      ▼
          Band-Pass Output 변화
                      │
                      ▼
                 Detection

26. 이미지 · NeoStudio 핵심 정리

항목 원본 내용
Inductive Sensing LC 회로 주변 금속에 Eddy Current 발생
검출 금속에 의한 LC 공진특성 변화 이용
Series LC 공진점에서 Z 최소
Parallel LC 공진점에서 Z 최대
공진주파수 f₀ = 1/(2π√LC)
실제 Inductor L + 기생 R + 기생 C
실제 Capacitor C + ESR + ESL
SRF Self Resonant Frequency
Inductor SRF 이하 Inductive Region
Inductor SRF 이상 Capacitive Region
Sensor 구조 Parallel LC Tank
입력 Square-Wave 형태 Excitation
출력 LC 공진주파수가 강조된 Band-Pass 형태
이 HTML은 WordPress 페이지 본문의 Study Mode 설명, YouTube, Naver Blog, RF 관련 외부 사이트 내용을 사용하지 않고, 일반 이미지 2장과 NeoStudio PDF 1개(총 4페이지)만 시각 판독하여 작성했다. 페이지에 연결된 ‘infineon-an219207-inductive-sensing-design-guide-applicationnotes-en.pdf’는 NeoStudio가 아닌 외부 Application Note이므로 현재 변환 기준에 따라 제외하였다. NeoStudio 1페이지 상단의 상대론적 Doppler 식과 Δf 관련 필기는 이전 주제의 잔여 내용으로 판단하여 제외하고, ‘LC Inductive Sensing’부터 반영하였다. 1페이지는 LC Inductive Sensing, Metal 접근과 Eddy Current, 공진주파수 선택 특성을 기록한다. 2페이지는 직렬 LC와 병렬 LC의 공진조건, f₀=1/(2π√LC), 실제 Wire/Resistor의 고주파 기생성분을 정리한다. 3페이지는 실제 Inductor와 Capacitor의 기생성분, Self Resonant Frequency, LC Tank를 이용한 Inductive Sensing, Square-Wave Excitation과 Band-Pass 형태 출력을 기록한다. 4페이지는 LC Tank와 출력회로를 연결하고 공진응답과 Band-Pass Filter 특성을 다시 정리한다. 일반 이미지 2장은 Wire/Resistor/Inductor/Capacitor의 고주파 등가모델과 실제 Inductor의 SRF 전후 특성을 보여준다. Metal 접근에 따른 L 증가/감소의 정확한 방향, Resonant Frequency Shift의 정량식, Q-Factor, Amplitude-to-Digital Converter, PSoC MagSense 등의 내용은 제외한 외부 Application Note에 있는 내용이므로 이 HTML에는 추가하지 않았다.
Inductive Sensing, Inductive Sensor, Eddy Current, LC Tank, Resonance, Series Resonance, Parallel Resonance, Self Resonant Frequency, SRF, Parasitic Capacitance, ESR, ESL, Band-Pass Filter, Metal Detection, Proximity Sensing
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