[전자회로 기초 6-1] 임피던스 기초

안녕하세요.

Edward입니다.

 

인덕터의 대략적인 기초가 끝이 나고 이제부터는 본격적으로 임피던스에 대해서 시작해보려고 합니다.

 

임피던스의 정의

impedance 임피던스는 회로에서 전압이 가해졌을 때 전류의 흐름을 방해하는 값이다. 임피던스의 값은 교류 회로의 전압과 전류의 비로 나타낼 수 있으며, 일반적으로 교류 전압의 진동수에 의존한다. 교류 회로에서 임피던스는 저항 개념의 확장인데, 크기 값만 갖는 저항과 달리 크기와 위상의 값을 갖는다. 직류 회로에서는 임피던스와 저항이 같은데, 이는 임피던스의 위상각이 0이라 생각하면 된다. 전기 회로망에서 교류 회로를 분석할 때 임피던스가 자주 사용되는데, 임피던스를 이용하면 삼각함수의 형태를 갖는 전압과 전류의 관계를 직선으로 나타낼 수 있기 때문이다.

임피던스는 복소수로 표시되며, 국제단위계에서 단위는 옴(Ω)이다. 임피던스의 기호는 보통 Z로 나타내며, 보통 복소평면에 나타내는 방법이 회로를 분석할 때 가장 많이 쓰인다. 직류 회로의 전기저항과는 달리 온저항이 큰 것이 꼭 온저항이 작은 것보다 저항이 크다고 단정 지을 수는 없다. 서로 다른 두 회로를 연결할 때는 각 회로의 온저항을 같게 해주는 것이 원칙이다.

임피던스의 역수는 어드미턴스로, 국제단위계에서 단위는 지멘스(S)이다.

출처 - 위키백과

 

 

다들 아시다시피 대부분의 사람들이 임피던스를 "교류 저항"이라고 알고 있어요~

하지만 이 설명만으로는 사실상 임피던스의 모든 것을 이해하기 어렵습니다.

그래서 임피던스의 기본적인 정의를 내리자면,

임피던스란 "어떠한 신호가 회로 혹은 소자를 통과할 때 받는 여러 가지 저항들의 합성치"라고 할게요.

사실 DC 직류에 대해서 1kΩ 저항에 어떤 임의의 전류를 흘렸을 때, 이 전류가 받는 저항은 당연히 1kΩ입니다.

하지만 AC 교류에 대해서는 주파수에 따라서 저항치가 조금씩 거짓이 되어버려요.

이 말의 의미는 무엇이냐면, 저항기를 등가 회로 성분으로 분석하면 아래의 그림과 같이 됩니다.

저항의 등가회로

사실 우리가 보통 사용하는 저항기는 순수하게 저항만 들어간 것이 아닙니다. 여러 불순물들이 함께 포함되어 있는데요,

그래서 저항기에는 저항 성분 이외에 인덕터나 콘덴서의 성질도 섞여있습니다.

r은 순수한 저항이며, L은 인덕터, C는 콘덴서입니다.

 

여기서 저 저항기를 예로 든 것은 임피던스의 기초적인 예를 들기 위해서 한 것입니다.

본래 임피던스는 복소수(허수) 개념이 들어가기 때문에 DC 저항과는 크게 관련이 없을 수도 있지만,

임피던스의 본질을 이해하기 위해서는 위 설명이 반드시 필요하다고 저는 생각합니다.

 

또 한가지는 이런 저항의 등가 회로는 통신선로 라인에도 동일하게 적용됩니다.

일반 통신선로 라인도 저항이 있고 인덕터가 있고 콘덴서가 있습니다.

좀 더 깊게 들어가면 갈수록 어려워지는 전자의 세계인데요.

대략적으로 설명하자면 모든 전송선로에 신호가 인가되면 전류가 흐르는데 그러면 전류가 흐르는 방향에 따라 자기장이 형성이 됩니다. 그 자기장으로 인해 실제 전송선로가 매우 근접하다면 자기 유도 혹은 커플링이 발생해서 신호 간섭이 일어나게 되죠...

그냥 이런게 있다는 정도만 아시면 될 것 같네요 ^^

 

 

만약 여기에 DC 직류가 흐른다면, 영향을 받는 것은 r 뿐입니다. 직류에 대해서는 C는 무한대 저항을 가집니다.

L은 저항이 '0'입니다. DC 직류이니깐요^^

하지만 교류라면 얘기가 달라집니다. C와 L 둘 다 저항으로 변하기 때문입니다.

C는 용량성 리액턴스라 불리며, L은 유도성 리액턴스라 불립니다.

유도성 리액턴스에 대해서 알고 싶다면 아래 링크 참고해주세요 ^^

[전자회로 심화 4-1] 콘덴서 저항과 용량성 리액턴스

[전자회로 심화 5-3] 유도성 리액턴스란

 

C와 L이 저항으로 변하게 되면, 이제 저항이 직병렬로 연결된 것과 마찬가지인 것 처럼되기 때문에 저항 값이 달라지겠죠?? 그래서 거짓이 되어버립니다.

 

정리하자면, 단순 1kΩ의 저항 1개에도 주파수의 변화에 따라서 저항치가 변하게 됩니다. 다만 DC 직류에 대해서는 그대로 1kΩ이 되지만, 교류에 대해서는 다른 수치가 되는데, 이를 "교류에 대한 저항"이라고 하는 것입니다.

앞으로 임피던스의 길로 나가는 길은 험하기 때문에 오늘은 여기까지만 진행하겠습니다.