교류 이론 제8편 – 공진 현상의 원리와 주파수 특성

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교류 회로에서 공진이라는 현상은 단순한 이론을 넘어 실제 전기 설비와 통신, 전력 시스템 전반에 깊이 연결되어 있는 중요한 개념이다. 전기기사 시험에서도 공진은 거의 빠지지 않고 등장하며, 개념 문제와 계산 문제가 함께 출제되는 대표적인 단원이다. 공진을 이해하면 RLC 회로의 동작 원리가 하나의 흐름으로 정리된다.

 

공진이란 RLC 회로에서 코일과 콘덴서의 성질이 서로 균형을 이루는 상태를 말한다. 앞서 배운 것처럼 코일은 전류의 변화를 방해하며, 콘덴서는 전류를 앞당기는 역할을 한다. 이 두 성질은 서로 반대 방향이기 때문에, 특정한 주파수에서 그 효과가 정확히 같아지는 순간이 발생한다. 이때 유도 리액턴스와 용량 리액턴스가 같아지며, 회로는 특별한 성질을 띠게 된다.

 

직렬 RLC 회로에서 공진이 발생하면, 코일과 콘덴서의 리액턴스가 서로 상쇄되어 전체 임피던스는 저항 성분만 남게 된다. 이로 인해 회로의 임피던스가 최소가 되고, 전류는 최대가 된다. 전압과 전류의 위상차도 사라지면서, 회로는 저항 회로처럼 동작한다. 이러한 이유로 직렬 공진은 전류 공진이라고도 불린다.

 

반대로 병렬 RLC 회로에서는 공진 시에 회로의 임피던스가 최대가 된다. 각 분기 회로에서는 큰 전류가 흐르지만, 전체 전원에서 공급되는 전류는 최소가 되는 특성이 나타난다. 이 경우 회로는 외부에서 보면 전류가 거의 흐르지 않는 상태처럼 보이며, 이를 전류 최소 상태라고 부르기도 한다.

 

공진이 발생하는 주파수를 공진 주파수라고 하며, 이 값은 코일의 인덕턴스와 콘덴서의 정전용량에 의해 결정된다. 즉, 회로에 사용된 소자의 값이 정해지면 공진 주파수도 자연스럽게 결정된다. 이 성질은 특정 주파수만 선택적으로 통과시키거나 차단하는 회로 설계에 활용된다.

공진 회로의 또 다른 중요한 특징은 주파수 선택성이다. 공진 주파수 근처에서는 회로의 반응이 급격하게 변하며, 주파수가 조금만 달라져도 전류나 전압의 크기가 크게 달라진다. 이러한 특성은 무선 통신, 필터 회로, 튜너 회로 등에 적극적으로 활용된다.

 

전기기사 시험에서는 공진의 정의뿐만 아니라, 직렬 공진과 병렬 공진의 차이, 공진 시 전류와 임피던스의 변화, 위상 관계 등을 종합적으로 묻는 문제가 자주 출제된다. 따라서 공진을 단순히 공식으로 외우기보다는, 왜 그런 현상이 발생하는지를 흐름으로 이해하는 것이 중요하다.

정리하면, 공진은 코일과 콘덴서의 성질이 완벽하게 균형을 이루는 상태이며, 이때 회로는 평소와 전혀 다른 특성을 보인다. 공진 현상을 이해하면 교류 회로의 복잡한 계산과 개념들이 하나의 구조로 연결되며, 전기기사 공부의 큰 고비를 넘었다고 볼 수 있다.