임피던스

개요

Impedance의 사전적 의미는 방해. 또는 저지 저항이라는 의미의 단어입니다. 즉 전기 회로의 저항(resistance)이라는 개념과 매우 유사하다고 할 수 있습니다. 따라서 임피던스를 저항의 개념으로 착각할 수도 있습니다. 그리고 원래 저항소자 (resistor)가 전력소모(dissipation)의 개념보다 함께 부하(load)의 개념이 더 널리 사용된 듯이, 임피던스 역시 부하와 관련된 개념으로 더욱 활용됩니다. 한 가지 중요한 차이점은. 임피던스는 철저히 주파수를 가진 AC 회로에서 응용되는 개념이라는 점입니다 , 즉 임피던스는 주파수와 무관한 저항 R에, 주파수 개념이 포함된 저항소자인 L과 C에 대한 개념이 포함된 보다 큰 AC개념의 저항입니다. 저항과 임피던스의 차이점을 쉽게 생각하면 저항은 전압이 DC전압이나 AC전압에서 전류의 흐름에 반대되는 특성이 있으며 임피던스는 DC 회로에서는 중요하지 않습니다. 임피던스는 AC 회로에서 전류에 반대되는 것이라고 생각할 수 있습니다.

역할

IMPEDANCE의 역할 크게 보면 저항과 마찬가지로 소모와 저장, 부하의 3가지 역할로 나눌 수 있습니다. 도선을 따라 전류가 흐를 때, 주파수와 구조에 따라 자기장으로 에너지가 축적되는 인덕턴스(L)나 전기장으로 에너지가 축적되는 캐패시턴스(C)로 에너지가 축적되면 외부에서 보기에 에너지가 사라져서 마치 소모된 것처럼 보입니다. 물론 실제 소모되는 경우도 있지만, 대체로 축적 후에 교류상황에 맞게 에너지가 재활용되게 됩니다. 바로 이렇게 교류 저항성 소자들로 인해 주파수에 따라 임피던스가 다르게 됩니다. 이러한 것을 이용하여 부하(load)를 걸 수 있습니다. 소모나 축적이라는 기능은 단어만으로도 어느 정도 이해가 가능한 부분이지만, 부하라는 부분은 좀 더 설명이 필요합니다.

 

예를 들면 한줄기 큰 강이 흐르다가 계곡에 바위등을 만나게 되면 한줄기 강물은 같은 크기의 두 줄기로 나뉘어서 흐를 수밖에 없는 강물이 있다고 할 때 어느 한쪽의 강폭을 20% 넓혀준다면 강물은 자연스럽게 20% 넓혀진 부분으로 더 많은 강물이 흘러갈 것입니다. 강물의 한줄기가 두 줄기로 나눠지는 것은 부하의 원리라고 할 수 있고 여기서 강물의 강폭은 바로 임피던스라고 할 수 있습니다. 임피던스의 정의는 바로 전압과 전류의 비라고 할 수 있습니다. 전자회로 설계를 잘 들여다보면. 결국 여러 부위에 원하는 전압이나 전류를 분산하여 인가함으로써 특정한 목적을 가진 회로로서 동작하게 만드는 것입니다. 그러려면 특정 부위 특정 지점에 일정한 전압 또는 전류가 흐르도록 제어해야 하게 되는데 대부분 전압이나 전류 중 한 가지는 고정돼 있기 때문에 임피던스를 조절하면 나머지 한 가지 요소를 조절할 수 있게 되는 것입니다.

임피던스

기타 사항

음향기기 에서의 임피던스 임피던스는 음향 신호에 대한 저항치를 말합니다. 전기기기 회로에는 콘덴서나 트랜지스터저항다이오드 등이 있습니다. 신호는 교류이기 때문에 이러한 부품에 신호를 흘려보내면 저항이 생기는데 이 각각의 저항을 합친 것즉 신호가 회로나 소자 등을 통과할 때 받는 모든 저항의 합성 치입니다. 예를 들어  음향기기가 서로 신호를 주고받는 것은 전력(전압과 전류)입니다. 전력=전압+전류의 공식이 성립되는데 예를 들어 10W의 전력을 보낼 때에 전압이 1V에서 전류를 10A(암페어)로 하였다고 하면, 옴의 법칙을 적용합니다. 1V 때에 10A 흐르는 경우 저항치는 0.1이 됩니다.(저항치= 전압/전류). 여기서 저항치를  임피던스라고 할 수 있습니다. 10W의 전력을 보내었을 때 이번에는 10V· 1A의 형으로 보내었다고 하면 저항치는 10이 됩니다. 1V 10A의 형으로 보내었을 때에 1이니까 그것에 비교하면 100배의 저항치 즉, 100배의 임피던스가 되는 것입니다. 이와 같이 신호를 보내는 경우도 높은 임피던스 형(10)으로 보낼 것인지 아니면 낮은 임피던스의 형(0.1Ω)으로 보낼 것인지 어느 쪽이든 선택이 필요하게 됩니다.

저항과 임피던스

저항의 기호는 R인데 , 임피던스기호 Z로 표시합니다. 임피던스는 두 개의 독립적인 스칼라 현상으로 구성됩니다. 여기서 스칼라(SCALA WAVE)는 미세한 파동을 의미합니다. 그 각각은 저항과 리액턴스입니다. 이 두 가지 표현 단위는 오옴 Ω입니다. 저항은 기호 R로 표현하며 원자 속에서 전자의 운동에 반대되는 물질의 크기를 측정하는 개념이라고 할 수 있습니다. 원자가 전자를 쉽게 받아들이거나 방출하려면 낮은 저항 값을 가져야 합니다. 저항은 항상 양의 실수 값입니다. 저항은 직류 교류회로에서 같은 값을 유지합니다. 낮은 저항체의 예로서는 구리 은 금 등을 포함한 전기도체로 잘 알려져 있습니다. 높은 저항체의 물질을 절연체라고 부릅니다. 절연체는 폴리에틸렌 운모 유리와 같은 전기가 통하지 않는 물질입니다. 저항의 중간레벨을 차지하는 물질을 반도체로 분류합니다. 예로서 실리콘게르마늄 아 셰나이드 등이 있습니다. 리액턴스는 기호 X로 표시합니다. 전류의 흐름을 방해하는 성분으로 저항과 유사한 개념으로 교류회로 사이클에서 전압과 전류가 변화되는 것처럼 리액턴스는 전자소자회로시스템에서 에너지를 방출하거나 저장하여 한 크기의 측정단위입니다. 리액턴스라는 것은 교류회로에서 존재하나 직류회로에서는 존재하지 않습니다. 교류회로에서 리액턴스 소자를 통과할 때 전자유도 형태로 에너지가 저장되거나 방출될 수 있습니다. 에너지가 저장되는 경우에는 양의 혹은 유도성의 경우이며 에너지가 방출되는 경우는 리액턴스가 음의 혹은 용량성의 경우입니다. 일반적인 교류회로에서 저항 R과 리액턴스 X는 복합 임피던스 형태의 벡터구조로 표시합니다. 리액턴스는 전통적으로 양의 이중근 -1을 곱한다 j 연산자를 사용하며 임피턴스 Z를 복소수 형태로 R+jX로 표현합니다. 인덕터의 값이 커지면 유도성 리액턴스가 커지게 됩니다.(조건 주파수는 일정하다고 가정) 인덕턴스 값이 주어진 값에 대해 주파수가 증가함에 따라 유도성 리액턴스의 값도 증가합니다. 만약 L을 인덕턴스 단위 H라 하고 f를 주파수 단위㎐라고 하면 유도 리액턴스 XL이라는 것은 다음공식으로 계산합니다. XL=+6.2832 f·L 여기서 6.2832는 파이 값의 2배에 상당하는 근사치입니다. AC사이클에서 라디안 값을 대표하는 상수입니다. 위 공식은 마이크로헨리에 대해서도 메가헤르츠에 상당하는 주파수에도 적용합니다. 실제의 예에서는 10.000 마이크로헨리를 가진 인덕턴스 코일에 주파수는 2.000㎒인 경우를 고려합니다. 이 공식을 적용하면 XL 은 +125.66 오옴입니다.

 

주파수 증가

만약 주파수가 2배(4.00㎒)로 증가하면 XL 은 2배로 되어 +251.33Ω이 됩니다. 만약 주파수가 반감하여 1.000㎒로 되면 XL 은 반감되어+62.832Ω이 된다 캐패시터의 값이 증가하면 주파수가 고정상수로 가정할 때 용량성 리액턴스는 작아집니다. 주어진 캐패시턴스 값에 대해 주파수가 증가하면 용량 리액턴스는 0에 근접하도록 음으로 감소합니다. 만약 C를 단위 패럿(F)을 가진 캐패시턴스라 하고 f를 단위 ㎐인 주파수라 할 때 용량 리액턴스 XC는 다음과 같습니다. XC = -1/(6.2832f·C) 위 공식은 또한 캐패시턴스가 마이크로패럿(㎌)과 주파수가 메가헤르츠(㎒)인 영역에서도 적용됩니다.

실제 값

실제의 예에서 캐패시터가 0.0010000 ㎌이고 주파수가 2.000㎒인 경우를 고려합니다. 위 공식에 의하면 XC 값은-79.577Ω입니다. 만약 주파수가 2배로 증가하여 4.0000㎒로 되면 XC는 반감되어-39.789Ω으로 된다 만약 주파수가 반감되어 1.0000㎒로 되면 XC는 2배로 증가하여 -159.15Ω입니다. 직렬회로에서 저항과 리액턴스가 있으면 각각 독립적으로 더해집니다. 저항 100.00Ω과 직렬로 10.000μH의 임피던스가 연결되어 있을 때 주파수는 4.000㎒이면 복소임피던스는 ZRL = R + jXL = 100.00 + j251.33 이 됩니다. 만약 0.0010000㎌의 캐패시터가 인덕터 대신에 있는 직렬회로에 주파수를 4.0000㎒일 때 합성 임피던스는 ZRC = R + jXC = 100 - j39.789입니다. 만약 이 모든 3가지 소자가 직렬로 연결된 회로이면 리액턴스는 더해지고 합성 임피던스는 ZRLC = 100 + j251.33 - j39.789 = 100 + j211.5 이 됩니다. 이 회로는 211.5 오옴을 가진 인덕터와 100 오옴의 저항에 직렬로 등가 되는 회로와 같습니다. 4㎒에서 이 리액턴스는 8.415μH로 대표됩니다. 공식에 의해서 캐패시터와 인덕터의 임피던스가 내부 계산합니다. 병렬 RLC 회로는 직렬 RLC회로에 비해서 더 복잡 해지게 됩니다. 병렬회로에서 용량성 유도성 리액턴스의 영향을 계산하기 위해서는 각각의 값은 유도성 서셉턴스용량성 서셉턴스로 변환시켜야 합니다. 여기서는 임피던스의 내용에 대한 설명입니다.