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스마트폰, PC 등 전자기기가 없는 삶을 상상할 수 있으신가요?

 

전자기기의 발전에는 첨단 아날로그 회로 기술, 즉 교류회로 기술과 고주파를 이용한 고주파 기술이 중요한 역할을 하고 있으며, 고주파 기술은 고주파에서 작동하는 전자기기의 개발에 필수적입니다.

그러나 고주파에 대해 자세히 알기 위해서는 전기 회로에 대한 기초 지식부터 고주파에 대한 지식까지 다양한 지식을 필요로 합니다. 오늘은 인덕터와 커패시터의 주파수에 따른 특성을 설명드리도록 하겠습니다.

 

1. 이상적인 소자에 연결된 직류회로와 교류회로의 전기적 거동

전자기기의 내부는 전기를 사용하여 동작하는 전기회로(*1)로 구성되어 있습니다. 고주파에서 회로의 기본 소자인 저항/인덕터/커패시터의 고주파 특성에 대해서 설명 드리겠습니다.

먼저 전기 회로에서의 전체적인 관계를 이해할 수 있도록 다음과 같은 기본 정보를 정리해 보겠습니다(표 1).

 

• 직류회로/교류회로 : 전원이 직류/교류인 회로
• 저항/인덕터/커패시터: 회로에 연결되는 기본 수동 소자
• 전압/전류/전력: 전기의 기본량
• 옴의 법칙: 전기 현상에 대한 중요한 관계식

표 1 : 수동 소자에 연결된 직류 회로와 교류 회로의 옴의 법칙과 소비 전력

저항은 전류가 직류인지 교류인지에 관계없이 전류의 흐름을 방해하는 성질입니다.

인덕터는 직류에 대해서는 단락이 되고, 저주파 교류는 쉽게 통과합니다. 그러나 주파수가 높아질수록 교류가 통과하기 어려워지는 특성이 있습니다.

커패시터는 직류에 대해 개방(절연체)되어 고주파 교류가 쉽게 통과합니다. 그러나 주파수가 낮아질수록 교류가 통과하기 어려워지는 특성이 있습니다.

 

특히 교류 회로에 초점을 맞추면 저항, 인덕터, 커패시터의 수동 소자는 각각 고유 한 기능과 동작을 가지고 있다고 할 수 있습니다. 이러한 수동 소자와 능동 소자를 결합하여 전기-전자 기기에 필요한 다양한 회로 특성을 만들어냅니다.

 

 

1.1 직류 전원에 연결된 저항, 인덕터, 커패시터의 전압과 전류

 

1.1.1 직류 회로의 이상적인 저항 특성

이번에는 직류 전원 공급 장치에 이상적인 저항을 연결하는 직류 회로의 동작에 대해 설명합니다.

 

직류 전원 전압 Vdc의 값을 V0(V), 회로에 흐르는 전류 Idc의 값을 I0(A), 저항 성분만 있는 이상 저항의 저항 값을 R(Ω)로 설정하면 다음과 같은 관계(옴의 법칙)를 구할 수 있습니다(그림 1-1).

 

V0 = I0 × R

직류 전원 공급 장치가 시간에 관계없이 일정한 전압 V0을 지속적으로 공급하는 이상적인 전원 공급 장치라고 가정하면 전류 I0도 항상 일정한 값이 됩니다(그림 1-2). 또한 I0 = V0/R이므로 저항 R의 값이 증가하면 전류 I0의 값은 감소하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

 

이번에는 전력을 통한 특성을 알아보겠습니다. 전력을 Pdc(W)로 설정하면 Pdc = V0 × I0의 형태로 전압과 전류의 곱으로 구할 수 있습니다. 또한 옴의 법칙을 적용하면 다음과 같은 관계를 도출할 수 있습니다.

 

Pdc = V02/R

 

Pdc = I02R

 

이 회로의 전력은 저항에 의해 소비(열로 변환)됩니다. 예를 들어 저항에 가해지는 전압이나 흐르는 전류를 3배 증가시키면 열이 되는 전력이 기하급수적으로 증가하기 때문에 전력은 9배(3 × 3)로 증가합니다.

추가로, 스마트폰 등의 고주파 회로에서는 고주파 특유의 현상으로 인해 전압과 전류를 정확하게 측정하기 어렵습니다. 따라서 이러한 고주파 회로에서는 안정적이고 정확한 측정을 보장하는 전력으로 측정하는 것이 일반적입니다.

그림 1-1 이상적인 저항에 연결된 직류 회로
그림 1-2 왼쪽의 직류회로에서 시간축으로 본 전압과 전류

1.1.2 직류 회로에서 이상적인 인덕터/커패시터 특성

그렇다면 인덕터와 커패시터를 직류 전원 공급 장치에 연결하면 어떻게 될까요?

먼저 이상적인 인덕터에 연결된 직류 회로에 대해 생각해 보겠습니다.

직류 회로 내의 인덕터는 단순한 도체가 됩니다. 또한 인덕턴스 이외의 구성 요소가 없기 때문에 저항 값은 0입니다. 따라서 회로는 단락 상태(Short)가 되고, 일정한 전압을 유지하려는 전원 공급 장치의 경우 회로에 흐르는 전류(IL)가 무한히 증가하게 됩니다.

 

다음으로 이상적인 커패시터에 연결된 직류 회로를 생각해 보겠습니다.

직류 회로 내의 커패시터는 내부 전극 사이에 절연체인 유전체가 끼어 있기 때문에 배선이 끊어져 절연된 상태입니다. 회로는 개방 회로 상태(Open)가 되며, 일정한 전류를 유지하려는 전원 공급 장치의 경우 흐르는 전류(IC)가 0이기 때문에 인가 전압이 무한히 증가합니다.

그림 1-3 이상적인 인덕터/커패시터에 연결된 직류 회로의 동작

 

 

오늘은 무라타가 세계 점유율 1위를 차지하고 있는 인덕터와 커패시터에 대해 설명 드렸습니다. 인덕터와 커패시터가 어떤 특성을 가지고 있는지 이해되셨나요?

 

무라타에서는 최첨단 분석 시스템을 활용하여 “제품 개발”, “안정적인 신뢰성 유지”, “우수한 제품의 신뢰성 향상”을 위해 힘쓰고 있습니다. 다음 시간에도 더욱 유익한 Product News를 가지고 돌아오겠습니다!

 출처  

- 한국무라타전자 매거진, https://koreamuratablog.tistory.com

- 무라타, https://murata.com

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