교류 회로에서 수동 소자들의 특성

교류 저항 회로

위 그림과 같이 크기가 R[Ω]인 저항에 크기가

인 교류 전압을 인가하면, 옴의 법칙에 따라

의 전류가 흐르게 됩니다. 다시 말해, 매순간 인가되는 전압의 크기와 방향이 달라지면서 전류의 크기나 방향 또한 같이 바뀌게 되겠지만, 저항에 의해 교류 전압에 대한 전류의 진폭만 달라질 뿐이고 주기나 주파수 성분에는 변화가 없다는 말이지요.

실제로 멀티심에서 크기가 5[Ω]인 저항에 최대값이 10[V], 주기가 200[ms]인 교류 전압원을 연결하고,

회로에 흐르는 전류를 프로브로 찍어 보면, 위 그림과 같은 결과를 확인할 수 있습니다. 즉, 앞에서 이야기한 내용처럼 진폭에 대한 부분만 영향이 있을 뿐이지, 교류 전압과 전류 모두 동상임을 확인할 수 있다는 말이지요.

---

교류 인덕터 회로

그렇다면, 인덕터 소자에 대해서는 어떤 영향을 끼치는지도 알아보겠습니다.

위 그림과 같이, 크기가 L[H]인 인덕터에 크기가

인 전류원을 연결하였면, 인덕터에는

의 전압이 유도됩니다.

즉, 회로에 연결한 전류원의 파형과 인덕터에 유도되는 전압의 순시값을 하나의 그래프로 겹쳐보면, 주기나 주파수 성분은 같더라도 전압의 파형이 전류의 파형에 비해 왼쪽으로 90도만큼 쉬프트 되었다는 것을 알 수 있는데요. 사인 파형의 시작점을 기준으로 본다면, 왼쪽으로 쉬프트 된 전압의 파형이 전류의 파형에 비해 90도 만큼 앞섰다고 볼 수 있으므로, 전압 파형이 전류 파형 대비 진상, 전류 파형이 전압 파형 대비 지상이라 부르고, 90도만큼의 위상차를 갖게 됩니다.

교류 인덕터 회로에서 90도 만큼의 위상차가 발생한다는 것도 중요한 부분이지만, 전압과 전류의 최대치를 결정하는 과정에서도 인덕턴스의 크기와 주파수 성분이 함께 반영된다는 것을 주목해야 합니다.

멀티심에서 크기가 100[mH]인 인덕터에 최대값이 1[A], 주기가 200[ms]인 교류 전류원을 연결하고,

프로브를 이용해서 인덕터의 양단에 걸리는 전압을 측정하면, 위 그림과 같은 결과를 확인할 수 있습니다. 앞에서 말씀드린 내용처럼, 전류의 파형보다 전압의 파형이 90도 만큼 앞서고 있다는 것과

전압 파형의 진폭에 주파수 성분이 반영되었음을 확인할 수 있습니다.

---

교류 커패시터 회로

위 그림과 같이 크기가 C[F]인 커패시터에 크기가

인 전압원을 연결하였다면, 회로에는

의 전류가 흐르게 됩니다.

마찬가지로, 회로에 인가된 교류 전압원의 파형과 회로에 흐르는 전류의 파형을 하나의 그래프에 겹쳐 보면, 주기나 주파수 성분은 같더라도 전류의 파형이 전압의 파형에 비해 왼쪽으로 90도만큼 쉬프트 되었다는 것을 알 수 있는데요. 다시 말해, 인덕터 회로에서의 결과와 반대로 전류 파형이 전압 파형 대비 진상, 전압 파형은 전류 파형 대비 지상인 관계이면서 90도의 위상차를 갖는다는 것을 알 수 있습니다.

그리고, 커패시터 역시 전압과 전류의 최대치를 결정하는 과정에서 커패시턴스의 크기와 주파수 성분이 함께 적용됩니다.

멀티심에서 크기가 10[mF]인 커패시터에 최대값이 10[V], 주기가 200[ms]인 교류 전압원을 연결하고,

프로브를 이용해서 회로에 흐르는 전류를 측정하면, 위 그림과 같은 결과를 확인할 수 있습니다. 앞에서 말씀드린 것처럼, 전류의 파형이 전압의 파형보다 90도 만큼 앞선다는 것과

전류 파형의 진폭에 주파수 성분이 반영되었음을 확인할 수 있습니다.