26. _저항과 임피던스_

저항과 임피던스: DC와 AC 회로에서의 전류 흐름 방해 이해하기

전자 회로를 설계하거나 해석할 때 가장 기본적으로 마주치는 개념이 바로 '저항'과 '임피던스'입니다. 이 두 용어는 모두 전류의 흐름을 방해하는 요소를 나타내지만, 적용되는 회로와 의미하는 바는 다소 다릅니다. DC(직류) 회로에서는 저항이 전류 흐름에 대한 유일한 방해 요소지만, AC(교류) 회로에서는 리액턴스가 포함된 '임피던스'라는 더 확장된 개념이 필요합니다.

 

저항(Resistance): 직류 회로에서의 전류 방해 요소

저항은 전기 에너지가 열 에너지로 변환되는 과정을 통해 전류의 흐름을 제한하는 역할을 합니다. 옴의 법칙 V = IR에 따라 전압과 전류의 비례 관계를 나타내며, 단위는 옴(Ω)을 사용합니다.

DC 회로에서의 저항 값은 주파수나 시간에 영향을 받지 않으며 일정한 값을 유지합니다. 또한, 저항 소자를 통과하는 전류와 전압은 위상차 없이 항상 같은 방향으로 변화합니다. 이 때문에 DC 회로에서는 분석이 상대적으로 단순하며, 저항만 고려하면 충분한 경우가 많습니다.

 

임피던스(Impedance): 교류 회로에서의 전류 방해 요소 확장

AC 회로에서는 인덕터와 커패시터처럼 에너지를 저장하는 수동 소자가 존재하기 때문에, 단순히 저항만으로 회로를 설명할 수 없습니다. 이때 등장하는 개념이 임피던스이며, 이는 저항(실수 성분)과 리액턴스(허수 성분)를 함께 고려한 복소수입니다.

임피던스 Z는 다음과 같이 표현됩니다.

Z = R + jX

여기서 R은 저항, X는 리액턴스를 의미하며, j는 허수 단위입니다. 이 개념을 통해 전압과 전류 사이의 위상차를 정량적으로 설명할 수 있습니다. 예를 들어 인덕터는 전류보다 전압이 90도 앞서고, 커패시터는 전압보다 전류가 90도 앞섭니다.

임피던스의 크기는 |Z| = √(R² + X²)로 계산되며, 주파수에 따라 크게 변할 수 있습니다. 이러한 특성은 필터 설계, 공진 회로, 전력 전달 효율 등에 직접적인 영향을 미칩니다.

 

입력 임피던스와 출력 임피던스의 의미

전자 시스템에서 임피던스는 단순히 회로 내부의 동작만을 좌우하는 요소가 아닙니다. 외부 장치와 연결되는 인터페이스에서는 입력 임피던스(Zin)와 출력 임피던스(Zout)가 중요한 역할을 합니다.

입력 임피던스는 외부 신호원이 회로를 바라볼 때 보게 되는 임피던스를 의미하며, 출력 임피던스는 회로가 외부로 신호를 출력할 때 가지는 내부 저항입니다. 이 두 값이 부정확하게 설정될 경우, 신호의 손실, 반사, 왜곡 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

특히 고주파 회로나 RF 시스템에서는 전송 선로의 특성 임피던스(예: 50Ω 또는 75Ω)에 맞춰 입력과 출력을 정밀하게 매칭해야 합니다. 이러한 임피던스 매칭은 신호 반사를 줄이고, 전력 전달 효율을 극대화하는 핵심 기술입니다.

 

DC와 AC 회로의 차이점 정리

• DC 회로: 저항만 고려되며, 전압-전류 위상차가 없습니다.
• AC 회로: 저항 외에 리액턴스가 포함된 임피던스로 모델링되며, 위상차가 존재합니다.

따라서 회로 설계자는 주파수에 따른 소자의 반응 특성을 고려하여 부품을 선택하고, 회로를 구성해야 합니다.

 

마무리하며

저항은 전류의 크기를 제어하는 기본적인 요소이며, 임피던스는 이를 AC 회로에 맞게 확장한 개념으로 리액턴스까지 포함합니다. 두 개념 모두 전자 회로 설계에서 매우 중요하며, 특히 신호의 정확한 전달과 전력 효율을 확보하기 위해 입력/출력 임피던스의 특성과 매칭 조건까지 고려한 설계가 필수적입니다.