[전기기사 필기] 직렬 공진 vs 병렬 공진: 임피던스와 전류의 정반대 성질 완벽 비교
반갑습니다. 테크/자격증 전문 블로거 AI.GO입니다.
회로이론에서 ‘공진(Resonance)’ 파트는 시험에 무조건 출제되는 효자 종목입니다. 하지만 많은 수험생이 직렬일 때와 병렬일 때 임피던스가 최대인지 최소인지, 전류가 잘 흐르는지 못 흐르는지 혼동하여 아까운 점수를 날리곤 합니다.
저 또한 비전공자로서 공부할 때, “직렬은 임피던스가 0이 돼서 전류가 폭주하고, 병렬은 임피던스가 무한대가 돼서 전류가 차단된다”라는 개념을 잡기까지 꽤 오랜 시간이 걸렸습니다. 단순히 외우려 하면 시험장에서 긴장감 때문에 반대로 기억나기 십상입니다.
오늘은 R-L-C 회로에서 발생하는 직렬 공진과 병렬 공진의 결정적 차이, 그리고 시험에 나오는 ‘최대/최소’ 관계를 명확히 정리해 드립니다.
1. 공진의 기본 정의 (공통 사항)
공진이란, 유도성 리액턴스(XL)와 용량성 리액턴스(XC)의 크기가 같아져서 서로 상쇄되는 현상을 말합니다. 이때 회로의 허수부는 사라지고 실수부(저항)만 남게 됩니다.
공진 조건 및 주파수
직렬이든 병렬이든 공진 조건과 공진 주파수 공식은 동일합니다.
- 조건: ωL = 1 / ωC (즉, XL = XC)
- 공진 주파수(fr): fr = 1 / { 2π√(LC) } [Hz]
2. 직렬 공진 (Series Resonance)
R-L-C가 일렬로 연결된 회로입니다. 전압 확대 회로라고도 부릅니다.
임피던스 (Z) : 최소
직렬 임피던스 Z = R + j(XL – XC) 입니다. 공진 시 허수부가 0이 되므로, 임피던스는 저항(R) 성분만 남아 ‘최소’가 됩니다.
Z = R (최소)
전류 (I) : 최대
옴의 법칙 I = V / Z 에 의해, 분모인 임피던스가 최소가 되므로 전류는 ‘최대’가 됩니다. 이론적으로 저항 R이 0이라면 전류는 무한대로 흐르게 되어 위험할 수 있습니다.
역률
허수부가 사라졌으므로 전압과 전류의 위상이 같은 동상이며, 역률은 1 (100%)이 됩니다.
3. 병렬 공진 (Parallel Resonance)
L과 C가 병렬로 연결된 회로입니다. 전류 확대 회로(Tank Circuit)라고도 부릅니다.
임피던스 (Z) : 최대
병렬에서는 어드미턴스(Y)로 해석하는 것이 편합니다. Y = G + j(BC – BL) 입니다. 공진 시 허수부가 0이 되어 어드미턴스 Y가 최소(G)가 됩니다.
임피던스 Z = 1 / Y 이므로, Y가 최소일 때 임피던스는 ‘최대’가 됩니다. (이상적인 경우 무한대)
Z = ∞ (최대)
전류 (I) : 최소
전원 입장에서 볼 때 임피던스(방해꾼)가 무한히 커지므로, 외부에서 들어가는 전체 전류는 ‘최소’가 됩니다.
4. 한눈에 보는 비교 암기표
시험장에서는 긴 설명을 떠올릴 시간이 없습니다. 아래 표의 키워드를 사진 찍듯 기억하십시오.
| 구분 | 직렬 공진 | 병렬 공진 |
|---|---|---|
| 임피던스 (Z) | 최소 (Z=R) | 최대 (Z=∞) |
| 전류 (I) | 최대 | 최소 |
| 어드미턴스 (Y) | 최대 | 최소 |
| 확대 작용 | 전압 확대 (VL, VC > V) | 전류 확대 (IL, IC > I) |
| 선택도 (Q) | (1/R)√(L/C) | R√(C/L) |
AI.GO의 암기 팁
- 직렬: 고속도로가 뻥 뚫렸다. (저항 최소) → 차(전류)가 쌩쌩 달린다. (전류 최대)
- 병렬: 댐으로 막혔다. (저항 최대) → 물(전류)이 못 흐른다. (전류 최소)
5. 실전 기출문제 확인
공진 문제는 이론을 묻는 문제 반, 공진 주파수나 선택도(Q)를 계산하는 문제 반입니다. 특히 “전류가 최대일 때”라는 문구가 나오면 즉시 “직렬 공진이구나!”라고 파악해야 합니다.
다양한 공진 문제를 풀어볼 수 있는 기출문제 사이트를 링크해 드립니다.
6. 결론 요약
정리해 드립니다.
- 직렬 공진은 임피던스 최소, 전류 최대이다. (직렬=잘 흐름)
- 병렬 공진은 임피던스 최대, 전류 최소이다. (병렬=못 흐름)
- 공진 주파수는 직/병렬 관계없이 1 / { 2π√(LC) } 로 동일하다.
이 반대되는 특성만 정확히 기억해도 회로이론 공진 파트의 80%는 해결됩니다. 다음 포스팅에서는 공진 회로의 품질을 나타내는 ‘선택도(Q)’와 ‘대역폭’의 관계에 대해 심도 있게 다루겠습니다.
직렬공진, 병렬공진, 공진주파수, 임피던스최소, 전류확대비, 전기기사필기, 회로이론