이 게시글 에서는 임피던스(impedance)의 개념을 일반적 관점에서 다룰 것입니다. 하이퍼링크의 정의에서 볼 수 있듯이, 임피던스는 저항(resistance)과 리액턴스(reactance)의 조합입니다. 간단히 말하자면, 임피던스는 교류 회로에서 얼마나 많은 수동 소자가 전류를 감소시키거나 방해하는 지로 생각할 수 있습니다. 고주파 무선 애플리케이션이나 고주파 디지털 애플리케이션에 대해 이야기 할 때에도 동일한 용어가 사용될 수 있으며, 이는 이러한 애플리케이션에 공통점이 있기 때문입니다. 이들 모두는 모든 주기적 파형에서 어떤 형태로든 전압이 변화합니다(참고: 이는 사인파에만 국한되지 않습니다). 일부 DC 파형은 안정적인 DC 입력으로부터 가공됩니다. 여기에는 구형파, 톱니파, 삼각파 및 기타 펄스 모드가 포함됩니다.
임피던스와 저항의 주요 차이점은 회로가 동작하는 주파수입니다. 직류를 사용하는 제품에는 입력 및/또는 출력에 주파수 성분이 없습니다(여기서는 클럭 생성이나 기타 발진 설계는 무시함). 회로를 경험 한 사용자라면 저항, 커패시터 및 인덕터를 거치는 전압, 전류 및 전력에 대한 일반 방정식을 알고 있습니다. DC 회로에서 이러한 미적분 공식으로 방정식을 푼다는 것은 이미 매우 어렵습니다.
다음은 커패시터를 거치는 전압 및 전류 방정식입니다.
다음은 인덕터를 거치는 전압 및 전류 방정식입니다:
입력 전압(전류도 마찬가지로)이 이제는 시간이 지남에 따라 변화하기 때문에 교류 회로에서 동일한 방정식을 사용해서 푸는 것은 더 어려워집니다.
다행히도 푸리에 변환(Fourier Transform)이 개발된 후로는 시간을 절약하는 지름길이 발견되었습니다[Khan Academy는 일반적으로 복잡한 수학적 주제에 관한 한 매우 유용한 자료원으로, 관심이 있다면 재생 목록을 시청해 볼 것을 권하는 바입니다]. 이 방법은 인덕터 및 커패시터의 복잡한 방정식을 허수(복소수)로 변환함으로써 기본 DC 분석(옴의 법칙 및 기타 방법)과 동일한 기법을 사용하여 회로를 해석할 수 있습니다. 다음은 주파수 영역으로 변환함으로써 얻어지는 적용 가능한 방정식입니다:
1. 저항
여기에서, Rn은 하나의 저항 N의 저항값(옴)과 같습니다.
참고: 최신 장치들은 MLCC를 이용한 설계로 동작 주파수가 높아지고 있지만, 여전히 1~3MHz 범위 미만에서 동작하는 부품들이 많습니다. 일반적으로 1~3MHz 미만의 주파수가 저주파로 간주되며, 저주파에서 저항의 임피던스 Zr은 그냥 저항값과 동일합니다. 정전용량과 인덕턴스가 변하지 않는 저주파에서는 아래의 부품들도 마찬가지입니다.
2. 커패시터
여기서,
Cn은 하나의 커패시터 N의 정전 용량(패럿)입니다.
일반적으로 전류를 문자 "i"로 표기하기 때문에 전기적 분석에서는 혼동을 피하기 위해 문자 "j"를 관례적으로 사용하고 있습니다. 또한 분석에 있어 또 다른 관례로 선형 주파수와 각도 대신 라디안과 각 주파수를 사용합니다.
3. 인덕터
여기서,
Ln은 하나의 인덕터 N의 인덕턴스(헨리)입니다.
분석을 수행하기 전에 AC 회로의 각 항목들을 변환해야 합니다. 임피던스도 옴 단위로 측정하며 측정을 목적으로 값을 이야기하거나 쓸 경우에는 복소부 "j"를 일반적으로 생략합니다. 다음은 임피던스 계산의 예입니다.
전압/전류원의 주파수가 1000헤르츠(1kHz)인 경우, 50마이크로헨리(50uH)인 인덕터의 임피던스는 다음과 같이 계산됩니다:
옴 측정값은 일반적으로 “j” 뒤에 쓰여집니다. 그래서 혼동을 줄이기 위해 이야기하거나 보고서에 쓸 때에는 "j"를 종종 빼 버립니다. 따라서 이 특정 인덕터의 1KHz에서의 임피던스는 314밀리옴입니다. "j"는 주기적 파형의 위상 변화를 결정하는 허수부로써 회로 분석에 사용되는 경우에만 중요합니다. 분석에 관한 주제는 요청 시 추후에 논의하도록 하겠습니다.
임피던스가 기재되어 있는 대부분의 규격서는 회로 또는 설계 상의 모든 임피던스 값이 아닌 전체 입/출력 임피던스에 대해 말하고 있다는 점에 유의하시기 바랍니다. 임피던스라는 용어를 제외하면, 이는 DC 회로의 전체 또는 실효 저항과 동일한 개념입니다.
DC 펄스 신호와 같은 특수 애플리케이션에서의 임피던스 결정은 저자의 지식 범위를 넘어 더욱 복잡하지만, 일반적으로 동일한 개념이 적용됩니다. 최신 장치들은 수 메가헤르츠에서 수 기가헤르츠에 이르는 이러한 유형의 신호들로 동작합니다. 이러한 수준의 주파수는 여러 다른 부품들이 섞여 있는 설계에서 중대한 문제를 일으킬 수 있기 때문에 임피던스에 대한 고려가 여전히 필요합니다. 설계는 올바른 케이블의 선택, PCB 신호선들이 서로 너무 붙지 않도록 하기, 동작 주파수와 함께 적절한 커패시터, 인덕터 그리고 저항값의 고려, 접지면의 특별한 설계, EMI 방사를 줄이기 위해 특정 재료를 사용한 차폐의 적용과 같이 구체적이 되고 있습니다. 그리고 이 외에도 더 많은 요구 사항들이 있습니다.