[PCB EMI] RLC의 기본 (21)

전자 회로의 기본 소자, RLC의 모든 것: 저항, 인덕터, 커패시터 심층 분석

전자 회로를 설계하고 분석할 때 가장 먼저 이해해야 할 구성 요소가 바로 저항(Resistor), 인덕터(Inductor), 커패시터(Capacitor)입니다. 이들 RLC 소자는 수동 소자로 분류되며, 에너지를 생성하지 않고 제어하거나 저장하는 역할을 합니다. 각각의 특성과 동작 원리를 정확히 이해하면, 보다 안정적이고 효율적인 회로 설계가 가능해집니다.

 

저항(Resistor): 전류의 흐름을 제한하는 소자

저항은 전류의 흐름에 대한 물리적 저항을 제공하여 전류량을 조절하는 기능을 합니다. 간단히 말해, 도체 내의 마찰처럼 전자 흐름을 방해하여 전압 강하를 발생시킵니다. 저항값은 옴(Ω)으로 표시되며, 전압(V), 전류(I), 저항(R) 사이의 관계는 옴의 법칙(V = IR)으로 표현됩니다.

실제 회로에서는 전류 제한, 전압 분배, 열 발생 등의 용도로 널리 활용됩니다. 저항이 없다면 회로는 과도한 전류로 인해 손상될 수 있으므로 보호 소자로서의 역할도 중요합니다.

 

인덕터(Inductor): 전류 변화에 저항하는 소자

인덕터는 주로 코일 형태로 구성되며, 전류가 흐를 때 자기장을 형성하고 이를 통해 에너지를 저장합니다. 전류의 변화가 발생하면, 기존 자기장을 유지하려는 성질 때문에 반대 방향의 유도 전압이 생성되어 변화에 저항합니다. 이 특성은 전자기 유도 법칙에 기반하며, 인덕턴스는 헨리(H) 단위로 표시됩니다.

인덕터는 주파수 필터, 전력 변환, 노이즈 억제 등 다양한 응용에서 사용됩니다. 특히 고주파 회로나 DC-DC 컨버터에서 핵심적인 역할을 수행합니다.

 

커패시터(Capacitor): 전압 변화에 저항하는 소자

커패시터는 두 도체 사이에 절연체를 둔 구조로, 전하를 저장하는 능력을 가집니다. 전압이 급격히 변하려 할 때 충전 또는 방전 동작을 통해 전압 변화에 저항하게 됩니다. 이로 인해 커패시터는 에너지를 전기장의 형태로 저장하며, 단위는 패럿(F)으로 표현됩니다.

주요 용도는 전원 안정화, 필터 회로 구성, 시간 지연 회로, AC/DC 신호 분리 등이며, 주파수 특성에 따라 선택적으로 신호를 통과시키거나 차단할 수 있습니다.

 

임피던스(Impedance): AC 회로에서의 저항 개념 확장

DC 회로에서는 단순히 저항만 고려하면 되지만, AC 회로에서는 주파수 성분에 따라 인덕터와 커패시터의 반응이 달라지므로 전체적인 저항 특성을 '임피던스'로 표현합니다. 임피던스(Z)는 실수(저항)와 허수(리액턴스) 성분을 포함하는 복소수 형태로 나타납니다.

• 저항: Z = R (위상 변화 없음)
• 인덕터: Z = jωL = j2πfL (주파수에 비례)
• 커패시터: Z = 1 / jωC = -j / (2πfC) (주파수에 반비례)

여기서 f는 주파수(Hz), ω는 각주파수(2πf), j는 허수 단위를 나타냅니다.

 

주파수에 따른 특성 변화

RLC 소자의 임피던스는 주파수에 따라 크게 달라지며, 이 특성은 회로 설계에서 필수적으로 고려됩니다.

• 저주파 영역: 인덕터는 거의 단락에 가까운 특성을, 커패시터는 개방 회로에 가까운 특성을 보입니다.
• 고주파 영역: 인덕터는 큰 저항처럼, 커패시터는 낮은 저항처럼 동작하여 각각 필터나 바이패스 용도로 사용됩니다.

이러한 주파수 의존성은 저역통과(로우패스), 고역통과(하이패스) 필터 설계의 핵심 이론이 됩니다.

 

마무리하며

저항, 인덕터, 커패시터는 단순한 부품 같지만, 회로의 성능과 동작 안정성에 직접적인 영향을 미치는 핵심 소자입니다. 이들 소자의 동작 원리와 임피던스 특성을 충분히 이해하고 회로에 맞게 적절히 적용하는 것이 고급 전자 설계의 시작점입니다. 기초 개념을 정확히 다지는 것이 전자기기의 품질과 신뢰성을 높이는 데 중요한 밑거름이 됩니다.