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임피던스 히스토리
전신선에서 균일하게 분포된 인덕턴스가감쇠와 왜곡을 모두 감소시킬 것이며 , 인덕턴스가 충분히 크고 절연 저항이 너무 높지 않다면 모든 주파수의 전류가 동일한 속도를 가지므로 회로가 왜곡되지 않는다는 것을 수학적으로 보여준 위상(Phasor)의 창시자인 과학자 올리버 헤비 사이드(Oliver Heaviside)가 최초로 임피던스를 제시하였다. [5]
1880년에 Heaviside는 전신 전송선의 피부 효과를 연구했다. 같은 해 그는 영국에서 동축 케이블에 대한 특허도 받았다. [5]
직류(DC, Direct Current) 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 성질을 저항(옴, Ω, Resistance)이라 하고,
교류(AC, Alternating Current) 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 성질을 임피던스(Impedance)라 한다. [1]
오디오 시스템에서 임피던스는 교류 전류의 흐름을 방해하는 정도의 전압(Volt)을 저항값으로 나는 것을 말한다.
임피던스의 단위는 저항과 같이 Ω을 사용한다.
저항 관계에 따라 주파수별로 저항값이 달라 필터(Filter)와 같은 역할도 하므로 출력 임피던스와 입력 임피던스 상호 관계에서 그 임피던스가 서로 다른 경우 깨끗한 신호 전송이 어렵다. 그러므로 기기간 임피던스 매칭(궁합)은 사운드 품질의 주요 변수가 된다.
저항(Resistance)은 전류의 흐름을 방해하는 물리량이다. 전압은 전류와 이런 저항의 곱이다.
V(전압) = I(전류, A) × R(저항)
저항이 생기면 전압과 전류의 전위차가 발생한다.
저항에 의한 전위차 발생 / 출처 : http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=applepop&logNo=220733037385
직류와 달리 교류에서는 전압과 전류를 표시하기 위해 음량(Amplitude)과 위상(Phase)을 사용한다. 임피던스와 저항은 같이 단위를 옴(Ω)으로 사용하지만 임피던스가 저항보다 더 큰 개념이다. 관련 전자부품인 저항, 코일(인덕턴스), 캐패시터(RLC) 중 교류에서는 코일과 캐패시터도 저항값을 갖는다.
캐패시터
콘덴서라고도 하며 전하를 저장하는 역할을 한다.
여기서 코일의 임피던스는 자기 유도를 하므로 유도성 리액턴스라 하고, 캐패시터의 임피던스는 전하를 저장하므로 용량성 리액턴스라고 한다.
리액턴스(Reactance), X
교류의 저항성 / 교류 흐름을 방해하는 정도 / 전압, 전류 간 위상차를 일으키지만 전력은 소모하지 않는 무손실 성분
리액턴스 소자로는 인덕터(코일)와 캐패시터가 있다.
단위는 옴(Ω)
RLC회로에서 저항(R)을 통과한 전류는 전압과 위상이 같다. 그러나 코일(L, 인덕터)을 통과한 경우 전류보다 전압이 90도 빠르고, 캐패시터(C)를 통과한 경우 전류보다 전압이 90도 느리다. 이렇게 전류와 전압이 코일과 캐패시터를 통과하면서 위상차가 발생하는데 이때 코일과 캐패시터에 나타나는 저항효과를 리액턴스(Reactance)라고 한다.
유도리액턴스는 코일의 저항 효과를 나타내는 값이고, 용량리액턴스는 캐패시터(축전기)의 저항 효과를 나타내는 값이다.
유도성 리액턴스는 주파수의 크기를 바꾼다. 주파수가 올라가면 유도성 리액턴스가 커지게 된다. 코일의 인덕턴스(코일)가 변하지 않아도 주파수가 커지면 유도성 리액턴스가 커지므로 전류는 작아진다.
유도성 리액턴스와 반대로 용량성 리액턴스가 커지면 전류는 작아지고, 용량성 리액턴스가 작아지면 전류는 커진다.
공식에서 저항의 임피던스는 R, 캐패시터나 인덕터(코일)의 임피던스는 X로 표시한다.
오디오 시그널은 시간에 따라 변하는 교류 신호이기 때문에 저항이라는 용어보다는 임피던스라는 용어를 사용하고 있다. 임피던스는 주파수별로 다른 값은 갖는다. 즉 개별 주파수의 함숫값이다. 단 저항력이 리엑턴스보다 크면 클수록 임피던스와 동일한 값이 되어간다고 볼 수 있다. 아날로그 전기회로로 구성된 오디오 시스템은 서로 연결하여 사용하게 될 때 입출력 간 임피던스는 매우 중요한 이슈가 된다. 최대전력이 전달되는 조건은 입출력 임피던스가 서로 같을 때 가능하다. 임피던스가 같다면 전압과 전류 조건이 서로 같을 것이다.
출력 임피던스가 클수록 많은 전류를 흘려보낼 수 없기 때문에 출력장치의 전압을 손실 없이 입력장치로 보내기 위해서는 출력 임피던스는 작을수록 좋고, 입력 임피던스는 클수록 좋다.
전력(W) = 전압(V) × 전류(A)
임피던스가 큰 마이크나 픽업등과 연결되는 입력장치의 임피던스가 커야 입력 시그널의 왜곡을 최소화할 수 있으므로 이런 기능을 하는 프리앰프나 임피던스 매칭 트랜스포머가 입력단에 사용된다. 이렇게 하면 다음단의 시그널에서도 프리앰프나 임피던스 매칭 트랜스포머를 또 사용할 수 있게 된다.
트랜스포머
높은 임피던스를 낮은 임피던스로 바꿔주며 전압값은 그 비율만큼 작아지게 하는 기능을 하는 장치 또는 그 반대의 기능을 하는 장치
압전소자(Piezo-Electric Sensor)나 일렉기타 등의 출력임피던스는 경우에 따리 MegaΩ에 이른다. 입력단에서는 전류를 거의 흘리지 못하고 전압 변화만을 출력하게 되므로 High Impedance(Hi-Z)에 연결하여 사용한다. 콘덴서 마이크의 경우도 출력임피던스가 높아서 입력 임피던스가 높은 프리앰프에 연결하며 48V 전압을 제공하여 전압과 전류를 증폭시켜 출력 임피던스를 낮춰 사용한다.
48V Phantom Power
전류는 거의 흐르지 않고 전압만 공급하는 파워
임피던스 구하는 공식
옴의 법칙 V = I(전류) × R(저항) 은 V(전압) = I(전류) × Z(임피던스)와 같다. 그러므로 Z(임피던스) = V(전압) ÷ I(전류)이다.
저항과 리액턴스의 구분법
저항 : 기기에서 발생하는 본래 위상을 갖는 저항
리액턴스 : 코일이나 캐피시터에서 발생한 위상차를 갖는 저항
임피던스는 본래의 저항과 리액턴스의 저항의 합이며 일반적으로 회로 전체의 저항값을 의미한다.
임피던스 = 저항값 + 리액턴스
RLC 직렬회로 / 녹색: 저항(R), 빨간색 : 코일(L), 파란색: 캐패시터(C)
RLC 직렬회로에서 VL=VC 일 때 서로 0에서 만나면 전류가 최대 값이 되고 리액턴스값은 0이 된다. 그러므로 저항에 걸리는 전압이 최대일 때 전류도 최대가 된다.
입력 임피던스
그래서 입력단은 특정 임피던스의 입력을 기준으로 입력단 하이패스 로우패스 등의 필터회로(콘덴서와 저항의 조합으로)를 설계한다.
예를 들어 일반적인 음향장비의 입력단은 10KΩ 20㎊ 로우패스 필터 구조(약 800㎑이상 컷)로 설계한다.
필터 주파수 공식
1 / 2π × (저항값 × 콘덴서값)
출력 임피던스
출력 임피던스는 전류의 양이 많을수록 상대적으로 노이즈의 유입이 적다.
옴의 법칙
I = V / R
출력 임피던스가 높을수록 오디오 시그널의 음량이 약해져 노이즈에 의한 시그널의 마스킹 현상이 발생한다. [2]
대부분의 오디오 시스템은 정전압 조건에서 작동한다. 이것은 입력 임피던스가 출력 임피던스보다 적어도 10배 이상 높아야 함을 의미한다.
오디오 시스템에 정전압 인터페이스(Constant Voltage Interface)를 사용할 수 있는 이유는 케이블의 길이가 신호의 전기 파장보다 짧기 때문이다.
매칭 인터페이스(Matching Interface)는 입출력 임피던스가 같은 경우를 말하며 오디오 시그널의 전기 파장이 연결 케이블보다 짧을 때 사용한다. 예를 들면 안테나, 디지털 인터페이스, 아날로그 전화선 등이다.
출력 임피던스는 가능한 1KΩ이하로 낮게 만들고 입력 임피던스는 10KΩ 이상으로 높게 만들어 두 시스템 간 시그널이 쉽게 흐르도록 제작하고 있다. [3]
직류에서의 저항은 V=IR
임피던스는 수학에서 복소수 표기 때 사용하는 Z(리액턴스)로 표시한다. 이렇게 사용하는 데는 이유가 있는데 임피던스 계산을 위해 위상(Phasor)을 도입해야 하기 때문이다. 그래서 교류에서의 저항인 임피던스는 V=IZ라는 공식으로 만들어진다.
임피던스 크기의 의미는 전류의 흐름을 방해하는 정도인 저항을 뜻한다.
여기서 봐야 할 임피던스에서의 위상의 의미는 전류위상과 전압위상과의 상대적 차이값에 있는데 이것은 전압과 전류의 위상이 임피던스 위상만큼 차이가 나기 때문이다.
임피던스와 주파수, 위상[4]
저항 소자는 주파수가 바뀌어도 임피던스의 변화가 없지만 인덕터와 캐패시터 소자는 주파수별로 임피던스 특성이 다르다. 그러므로 오디오의 임피던스는 주파수에 따라 변하므로 스피커와 앰프 간 임피던스 값을 구할 때는 주파수를 고려해야 한다.
저항 소자는 위상차이를 만들어내지 못하지만 인덕터 소자는 90˚, 캐패시터 소자는 90˚또는 270˚의 위상차가 생긴다. 예를 들어 전류의 위상이 0˚일 때 인덕터의 전압 위상은 90˚, 캐패시터의 전압위상은 -90˚가된다. [6]
Z=R(실수)+jX(허수)
임피던스는 복소수이기 때문에 실수부와 허수부로 나눌 수 있다.
실수
전류의 흐름을 방해하는 저항
허수(인덕터, 케패시터)
에너지 저장과 관련된 리엑턴스
인덕터나 케패시터는 에너지를 전기와 자기 형태로 저장하는 소자이다. 외부에서 전압이나 전류가 가해지면 에너지를 저장했다가 반드시 방출하는 반발성 소자이다. 그래서 임피던스의 허수부에는 리엑턴스라는 이름이 붙여졌다. [6]
일반적으로 파워앰프의 출력 임피던스는 주파수 대역 별로 표기하거나 간접적인 방법으로 댐핑펙터를 사용하기도 한다.
앰프와 시그널 프로세서의 관계에서는 그 정도가 심하지 않다 해도 주파수에 따라 변하기는 마찬가지이다.
예를 들면 5㎑ 이하에서는 15KΩ 정도의 임피던스가 5~20㎑ 에서는 최소 10KΩ으로 변하기도 한다.
참고 및 출처
[3] 장인석 저 ‘더 리코딩', 628p
[4] 장인석 저 ‘더 리코딩', 630p
[5] en.wikipedia.org/wiki/Oliver_Heaviside
[7] blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=applepop&logNo=220733037385
www.makeshare.org/bbs/board.php?bo_table=arduino&wr_id=105
m.blog.naver.com/jsrhim516/220871835296
www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=2442
참고 동영상
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