RLC 직렬회로에서 공진이 발생하면 왜 전류가 최대가 되나요?

Question

RLC 직렬회로에서는 특정 주파수에서 공진이 발생하고, 이때 임피던스가 최소가 되어 전류가 최대가 된다고 배웠습니다. 그런데 인덕터와 커패시터가 모두 들어 있는데 왜 서로의 영향이 사라지는지 궁금합니다. 또한 공진 상태에서 전체 회로 전압은 크지 않아도 코일이나 콘덴서 양단 전압은 크게 나타날 수 있다고 하는데, 이 현상이 왜 생기는지도 알고 싶습니다. 공진 조건과 전류, 임피던스, 전압의 변화를 실제 회로 관점에서 자세히 설명해주세요.

Answer 1

안녕하세요. 최광민 전기기사입니다.

결론부터 말씀드리면 RLC 직렬회로에서 공진은 인덕터의 유도성 리액턴스와 커패시터의 용량성 리액턴스가 크기는 같고 방향은 반대가 되어 서로 상쇄될 때 발생하며, 이때 회로에는 저항 성분만 남아 전류가 최대가 됩니다. 인덕터는 전류가 전압보다 늦어지는 성질을 만들고, 커패시터는 전류가 전압보다 앞서는 성질을 만듭니다. 두 리액턴스가 같아지는 주파수에서는 이 두 효과가 서로 반대 방향으로 작용해 전체 리액턴스가 0이 됩니다. 그러면 전체 임피던스는 저항 R만 남게 되고, 직렬회로에서 전류는 전압을 임피던스로 나눈 값이므로 가장 크게 흐릅니다. 다만 공진 시 인덕터와 커패시터 내부에서는 에너지가 자기장과 전기장 사이에서 계속 교환됩니다. 그래서 전체 전원에서 보기에는 리액턴스가 사라진 것처럼 보이지만, 각 소자 양단에는 큰 전압이 나타날 수 있습니다. 이를 전압 확대 현상이라고 볼 수 있으며, 품질계수 Q가 클수록 더 뚜렷해집니다. 공진은 라디오 주파수 선택, 필터 회로, 무선통신 회로 등에 활용되지만, 전력설비에서는 과전압을 일으킬 수 있어 주의해야 하는 현상이기도 합니다.

Answer 2

안녕하세요. 최정훈 전기기사입니다.

RLC 직렬회로에서 유도 리액턴스와 용량 리액턴스의 크기가 같아지면 서로의 효과를 상쇄해 저항만 남습니다. 그래서 임피던스가 최소가 되고 전류는 최대가 돼요. 이때 코일과 콘덴서에 흐르는 전류는 같지만 전압의 방향이 정반대입니다. 그래서 전체 전압은 낮아도 각 부품에는 강한 전압이 걸리게 됩니다. 공진은 에너지가 서로 주거니 받거니 하며 증폭되는 현상이에요. 그래서 전류가 잘 흐를 수박에 없는 구조이죠.