임피던스(Impedance)란 무엇인가?

[管韻]

임피던스(Impedance)란 무엇인가?

Electronics DIY를 이야기하면서 가장 많이 언급되는 용어가 ‘전압’, ‘전류’, ‘전력’과 함께 아마 ‘임피던스’가 아닌가 한다. 하지만 다른 용어들과는 달리 ‘임피던스’의 개념을 이해하기는 그리 쉽지가 않다. 특히 전기 전자공학을 배우지 않고 Electronics DIY를 시작한 사람들에게는 더욱 더 그럴 것 같다. ‘수학’이 등장하고 ‘위상’의 개념까지 나오고 ‘복소수’까지 등장하니 수학과 친하지 않은 사람들에게 이 개념을 이해한다는 것은 그리 쉽지 않은 일이 된다.

그러나 ‘임피던스’라는 말의 뜻을 이해하지 못하면 기본적인 전자회로나 시스템의 동작을 이해하기는 점점 어려워진다. 왜냐하면 이 용어는 전자회로나 시스템을 설명하고 해석하는 기본 언어와 같기에 언어를 모르고 대화를 할 수는 없으니까.

1. ‘임피던스’란 말의 정의 와 그 의미

‘옴’의 법칙(Ohm’s Law)은 DC AC 모두에 적용된다. 이때 AC전압과 전류의 ‘위상차’는 ‘임피던스’의 ‘위상’이 된다.

먼저 정의를 살펴보면 ‘임피던스’는 다음과 같이 정의한다.

“전압을 인가했을 때 전류가 흐르는 것에 반항하는 정도” 를 나타내며 ‘전기 임피던스’(electrical impedance) 혹은 ‘복소수 임피던스’ (complex impedance)라고도 부르지만 통상은 간단하게 그냥 ‘임피던스’라고 말한다. 이 용어의 어원은 영어동사 impede (‘지연시키다, 방해하다’ 라는 뜻)에서 온 것이다. 그럼 ‘저항’(resistance)하고 같은 말 아냐? 하고 생각한 사람 있을 것이다.

맞다. ‘저항’도 정의를 그렇게 한다. 그런데 ‘저항’과 ‘임피던스’의 차이점은 ‘저항’은 DC전압이 인가되었을 때, ‘임피던스’는 AC전압이 인가되었을 경우에 지칭하는 이름이다. 이렇게 구분해 부르는 이유는 AC전압이 관여를 하면 DC에서는 보지 못하는 ‘위상’(phase)지연 이나 ‘커패시터’나 ‘인덕터’같은 소자에서 신호 ‘주파수’(frequency)에 따라 전압, 전류의 크기가 변하는 것과 같은 현상들이 나타나기 때문인데, 그래서 보통 ‘임피던스’와 ‘저항’을 같은 것으로 취급하는 사람들도 있지만 엄격하게 말하자면 같은 것은 아니다.

AC신호가 ‘임피던스’를 갖는 회로를 통과할 때 겪는 위상변화(시간지연)의 예

예를 들어 ‘인간은 동물의 일종이지만 동물이 반드시 인간이지는 않듯’이.

‘전압’이나 ‘전류’를 DC와 AC로 구분할 때 (‘전력’도 마찬가지) DC는 AC의 특수한 경우에 해당한다고 볼 수 있는데, 왜냐하면 AC에서는 주파수가 관여를 하고 주파수=0인 특수한 경우가 DC에 해당하니까. 그래서 AC전압, 전류를 전제로 한 ‘임피던스’란 말을 DC에서 말하는 ‘저항’대신 혼용해 사용하기도 한다. 예를 들어 예전에 포스팅한 ‘충전 배터리’에 관한 글에서 배터리는 AC하고는 전혀 상관없는데도 “배터리 종류마다 내부 임피던스가 다르기 때문에…”라거나, “트랜지스터 회로의 입력 ‘임피던스’가 높기 때문에…” 라고 표현하듯이.

어쨌던 ‘임피던스’는 수학적으로는 ‘옴의 법칙’ (Ohm’s Law)에서 말하듯 전압과 전류의 비로 정의된다. 단 이때 전압과 전류는 AC전압과 AC전류라는 점과 ‘위상’과 ‘주파수’라는 개념이 추가로 관여를 한다는 점을 기억한다.

2.‘임피던스’ 와 ‘위상’ 그리고 ‘주파수’의 관계

위에서 ‘임피던스’를 “전압을 인가했을 때 전류가 흐르는 것에 반항하는 정도”로 정의했었다. 그리고 이 ‘반항하는 정도’를 나타내는 단위로 저항과 같은 ‘옴’(ohm)을 사용한다.

‘정현파’ 형태의 AC전압에서 각 ‘패러미터’의 정의

‘위상’(phase)을 정의하기 위해서는 먼저 ‘정현파’(sinewave ‘싸인웨이브’)에 대해 알아야 하는데, 이는 ‘전기’의 발생과 연관이 있다. 발전소에서 만들어 지는 전기는 발전기를 회전시키며 만드는데, 일정한 회전운동을 통해(이를 ‘주파수’가 일정하다고 표현) 만들어 지는 전기는 시간에 따라 ‘정현파’ 형태를 가지게 된다. 수학적으로는 v(t)= Vm sin(wt + θ) 와 같이 ‘삼각함수’로 표현되는데 이때 θ가 바로 ‘위상’(phase 페이즈) 으로 신호가 처음 시작하는 각도를 나타내나, 실제로는 신호의 출발 각도가 중요한 것보다 신호가 특정 회로를 통과하며 이 위상에 변화를 겪게 되고, 그 차이를 해석함으로 회로의 성질을 분석하는데 이용된다.

[管韻]

오디오에서 가장 중요한 부품중에 하나가 출력트랜스입니다. 종로구 장사동에 트랜스를 만드는 분에게 임피던스가 뭐냐고 물으면 자신도 잘 모른다고 합니다. LCR 메타를 2개씩이나 사용하면서 모른다니.... 보빙에 코일을 일정량 감게 되면(예를 들어 220V 입력을 기준으로 이보다 적게 감으면 다운 트랜스, 이보다 더 많이 감으면 승압 트랜스가 된다고 합니다.) 여기서 일정량에 임피던스 값을 가지게 되는데 제가 전기전자 전공이 아니라서 모르는 부분이 너무 많습니다.

[管韻]

여기서 트랜스에 용량도 나오는데 mA 수준이면 작일 코일을 사용해도 문제가 없으나 높은 용량에 암페어가 필요하면 코일의 굵기도 달라지게 됩니다. 코아를 끼우는 이유는 일정한 정류신호, 또는 평활신호에 교류전류, 또는 직류전류를 얻기 위함이라고 알고 있습니다. 출력트랜스는 진공관을 통해서 얻어진 증폭된 직류화된 고주파 신호를 출력트랜스를 지나면서 가청주파수 범위로 신호를 바꾸어서 스피커를 울려주면서 소리가 나게 됩니다.

[管韻]

25년전 아날로그 모뎀을 사용해서 데이터를 전송하던 시절, 모뎀은 변조와 복조를 하는 장비로 변복조 장치라고도 합니다. 데이타 신호를 변복조 하는 방식에는 주파수 변조와 시분할 변조가 있고 주파수 변조에는 증폭변조와 위상변조가 있는데 여기서도 다양한 위상변조가 있습니다. 예나 지금이나 마찬가지이지만 송신(Tx), 수신(Rx) 개념을 알아야 하며 데이터가 Bus 단위로 전송되며 데이터가 손실될 경우 같은 신호를 반복해서 보내게 되고 그래도 실패하면 통신 장애인지, 기기장애인지 전송장치에 표시됩니다.

[管韻]

데이터를 전송했을때 가끔씩 전송실패가 나오는 겨우가 있는데 이때는 속도가 현저하게 떨어지게 됩니다. 이럴 경우는 선로에서 오류가 나는 것인지 전송장비에서 오류가 나는 것인지 판단해야 하는데 Loop 테스터를 통해서 판별하게 됩니다. 쉽게 말해서 로컬 송신 데이타를 리모트 수신단으로 연결되는데 이곳을 물리적으로 끊고 송신단으로 연결해 주면 데이타가 돌아오게 됩니다. 이상없이 잘 돌아오면 선로는 문제 없는 것이고 신호는 돌아오는데 오류가 생긴다면 선로에 전구간을 점검해야 하니다. 지금까지 데이터통신에 대해서 말씀드렸습니다.