임피던스에 대한 이해..2

블로그의 유입 검색어 통계를 보면 임피던스가 한동안 계속해서 매일매일의 검색어 1위를 하고 있다(방문자는 별로 없지만). 이것을 보면 사람들이 임피던스의 의미와 개념에 대해서 어려워하고 있음을 이해할 수 있다. 이미 지난 포스트에서 대략적으로 임피던스에 대해서 이야기한 바가 있으니 거기에 더 하여 몇 가지 짧게 얘기해 보도록 한다. 1) ‘임피던스’라는 용어의 뜻 임피던스 (Impedance)는 말 그대로 교류의 흐름을 방해하는 성질의 정도, 즉 어느 정도로 교류의 흐름을 방해하는지를 나타낸다. 따라서, 큰 값이면 교류의 흐름을 크게 방해하고 작은 값이면 덜 방해하는 것으로 이해할 수 있다. 기본적으로 임피던스는 복소수 (실수 + j허수)로 표현한다. 복소수의 개념을 잘 이해하고 있는 사람이라면 상관없지만, 그렇지 않은 사람들은 이렇게 이해하면 될 것 같다. 임피던스는 단순히 교류의 흐름을 방해하는 정도만을 나타내는 것이 아니라, 2차원 적인 방향까지 포함하고 있는 의미라고 보면 된다. 즉, 그 자체가 하나의 2차원 벡터가 된다. 교류는 그 개념상 모든 전류 흐름을 다 포함하고 있어서, 흐름이 일정한 성분(=직류)과 시간에 따라 변화하는 성분(=순수한 교류)을 모두 포함한다. 임피던스는 또한그러한 교류의 흐름을 방해하는 모든 성질을 포함한다. 이것을 나누면 순수하게 직류 흐름 그 자체를 방해하는 성질 (=저항(resistance))과 순수한 교류 흐름을 방해하는 성질 (=리엑턴스(reactance))로 나뉘어진다. 즉, 임피던스의 실수 부분은 순수한 저항성분이라고 이해 하면 되고, 허수 부분은 순수한 교류에 대한 저항 성분이라 이해하면 된다. 이것을 좀 더 살에 와닿게 표현해보자면, 저항 성분은 전류 흐름이 어떻게 되든간에 무조건 흐름을 방해하는 성분이라고 이해하면 되고, 리엑턴스라는 성분은 전류의 흐름의 변화에 저항(반대)하는 성분이라고 보면 된다. 그런데, 이러한 복소수 성분이 주파수에 따라서 변화한다. 그래서 결국, 임피던스라는 것은 주파수에 대한 복소수 함수로 볼 수 있다. 우리가 흔히 통칭하는 임피던스의 값은 특정 주파수에 대한 값이라거나 아니면 평균값을 의미한다. 이를테면 임피던스가 8 ohm이라고 하는 스피커의 직류 저항은 대략 6 ohm정도인데 스피커의 공진 주파수 혹은 주파수가 높아져감에 따라 임피던스는 6ohm 보다 큰 값을 갖는다. 우리가 잘 아는 수동 회로 소자 (여기서 수동이라함은 증폭능력이 없는 소자를 말한다), R(저항), L(코일), C(컨덴서)가 있는데 R이 무조건 적으로 전류 흐름에 반대하는 소자라고 하면, L, C는 교류 전류 흐름에 영향을 미치는 소자라 할 수 있다. 케이블이 되었든 어떤 부품이 되었든 그것은 자연상태에서는 순수한 R도 아니고 L도 아니고 C도 아닌 상태로 있다. 전류 또한 완벽한 직류 혹은 완벽한 교류도 있을 수가 없다. 따라서, 임피던스라는 말의 뜻은 전류 흐름을 방해하는 성질을 총칭하는 것으로 이해하면 된다. 2) 오디오 장치에서의 임피던스의 의미 해석 오디오 신호는 시간에 따라 전압이 변화하는 명백한 교류 신호이기 때문에 그것에 대해 저항하는 의미를 ‘저항’보다는 ‘임피던스’라는 용어를 써서 표현한다. 실제로 임피던스는 온전히 어떤 하나의 값이 아니라 주파수에 따라 다른 값을 갖는다. 즉, 주파수에 대한 함수값이다. 단, 저항 성분이 리엑턴스에 비해 크다면 저항성분이 사실상 거의 임피던스와 같은 값이 된다고 볼 수 있다. 오디오 장치는 그 자체가 어떤 전기 회로이고, 또 그것이 다른 장치와 연결되면 또 다른 전기회로를 구성하는 부분품이 되기 때문에 단자와 단자가 결합될 때, 이들 간의 임피던스 결합이 어떻게 이루어지는지가 중요한 문제가 될 수 있다. 이를테면 MP3플레이어(엄밀히 말해서 마이크로 컴퓨터 + DAC + 프리앰프의 조합)가 어떠한 스피커 장치(엄밀히 말해서 프리앰프 + 파워앰프 + 스피커의 조합)와 결합한다고 보면, 우리는 MP3 플레이어의 출력 임피던스와 스피커 장치의 입력 임피던스가 어떠한지 따지게 된다.

위 그림은 이러한 연결을 회로 기호로 간단하게 나타낸 것이다. MP3의 출력임피던스라는 것은 그림과 같이 실제의 전압원에 직렬로 매달려 있는 저항 (임피던스도 저항 기호로 뭉뚱그려 나타낸다) 성분이라고 보면 되고, 스피커 장치의 입력 임피던스는 그 자체가 자신의 입력단자에 공급되는 전원의 전압을 측정하는 용도로 사용되고 있음을 알 수 있다. 즉, 입력 임피던스가 무한대인 어떤 증폭기가 입력 전압 값을 알기 위해 넣어둔 저항처럼 생각된다는 말이다. 이것은 개념만 일치한다면 어떻게 해석해도 좋다. 최대전력이 전달되는 조건은 출력임피던스와 입력임피던스가 정확히 같을 때이다. 전력은 전압x전류의 개념이므로, 전압과 전류가 최대한 많이 전달되는 조건을 두 임피던스가 같을 경우라는 것이다. 그러나, 오디오 기기에서는 오디오 신호가 전압을 통해 전달되는 것이라 두 임피던스 값이 같다면 MP3플레이어에서 내보내는 전압의 1/2이 스피커 장치에 전달되게 되는 경우는 아마도 우리 모두가 의도하는 바가 아닐 것이다. 다시 말해 스피커 장치는 MP3플레이어에서 내보내는 전압의 100%를 모두 전달받았으면 할 것이다. 즉, 옴의 법칙으로 살짝 계산해 보면, MP3 플레이어에서 스피커 장치에 전달되는 전압은- MP3 플레이어의 출력 임피던스가 작을 수록 커지고- 스피커 장치의 입력 임피던스가 클수록 커진다. 다르게 해석하면, 되도록 MP3 플레이어에서 스피커 장치로 전류는 거의 흐르지 않되, 전압값은 최대한 잘 전달이 되었으면 하는 것이다.이렇게 오디오 장치와 오디오 장치간의 결합에 있어서는 대부분 출력 전압 그대로를 입력 단자에서 받고 싶어하기 때문에 되도록이면

• 출력 임피던스면 작으면 작을 수록 좋고- 입력 임피던스는 크면 큰 수록 좋다. 라고 생각한다. 이것은 다르게 해석하면, 출력을 하는 장치의 전류 드라이빙 능력이 뛰어나야 하고 (출력 임피던스가 매우 작아서 스피커 처럼 임피던스가 낮은 장치도 잘 드라이브를 할 수 있고), 입력을 받는 장치는 민감하게 반응 해야 (입력 임피던스가 매우 커서 전류는 거의 전달받지 않고도 전압의 미묘한 변화를 잘 잡아낼 수 있는) 한다는 말도 된다. 일반적으로 최대 전력 전달을 필요로 하는 부분은 파워앰프에서 스피커로 가는 연결부분이 될 것이다. 그래서 파워앰프와 스피커의 결합에 있어서는 별나게 임피던스 매칭을 중요하게 생각하는 것일 수 있다. 3) 좀 더 다르게 바라보기 위 그림을 가지고 좀 더 다르게 바라보자면, 출력 임피던스의 크고 작음은 그 장치가 전류를 흘릴 수 있는 능력과 연관된다. 출력 임피던스가 크다고 함은 사실상 그 임피던스 때문에 많은 전류를 흘릴 수가 없다는 말이 된다. 반대로 출력 임피던스가 작다고 하면 많은 전류를 흘릴 수 있다는 얘기가 된다. 이것은 어디까지나 회로도 상에서 뭉뚱그려 쉽게 해놓은 것일 뿐이지 (모델링), 실제로는 증폭장치가 어떤 능력을 가지고 있느냐를 의미한다고 볼 수 있다. 알다시피 출력 임피던스가 비교적 큰 프리앰프에 들어가는 OPAMP들은 전류를 드라이빙 할 수 있는 능력이 그리 크지 않아서 크기가 매우 작다. 반대로 스피커나 모터를 달 수 있는 OPAMP(드라이버라고도 함) 보면 왠만하면 다 방열판이 달려있는 것을 알 수 있다. 내부적으로 전류를 많이 흘려야 그 전류를 연결되는 장치에 내보낼 수 있기 때문에 열을 많이 내게 된다. 반대로 입력 임피던스가 크다는 것은 전원과 증폭기가 달라붙는 것으로 이해할 수 있다. 출력 임피던스가 큰 마이크라든가 픽업등과 연결되는 장치는 입력 임피던스가 커야 본래 신호의 왜곡을 최소화할 수 있기 때문에, 반드시 프리앰프 (증폭기+전원) 혹은 임피던스 매칭 트랜스포머 (높은 임피던스를 낮은 임피던스로 바꿔주는, 그러나 전압값은 그만큼이나 작아지는, 따라서 다음단에 높은 전압 증폭기가 필요한)가 요구된다. 즉 반대로 스피커 유닛(단품의 스피커)과 같이 외부에서 어떤 전력을 받아야만 동작하는 수동적인 것들은 전원을 필요로 하지 않으며 임피던스 (입력 임피던스)가 수 ohm에서 수십ohm 수준으로 매우 낮다. 즉 출력 임피던스가 낮은 파워앰프에 의해 구동되어야 하는 장치라는 말이다. 4) 오디오 장치의 또 다른 예들 오디오 장치 중에서 외부의 입력에 민감한 센서 장치들은 출력 임피던스가 매우 크다. 압전소자(Piezo-Electric sensor)라든가 컨덴서 마이크와 같은 것이 좋은 예가 될텐데, 출력 임피던스가 수 Mega ohm에 이른다. 입력 장치 그 자체로는 전류를 거의 흘리지 못하고 전압 변화만을 내보내기 때문에, High impedance (Hi-Z) 단자에 연결한다. 이 때의 Hi-Z는 입력 임피던스(Z)가 매우 크다는 뜻이다. 특히나 컨덴서 마이크는 마이크를 구성하는 소자인 컨덴서의 양단에 전압을 걸어줘야 음향 신호의 변화를 전압의 변화로 바꿔 줄 수 있으므로, 48V DC의 phantom power (전원이긴 하지만 실제로 전류는 거의 흘리지 못하고 전압만 제공하기 때문에 허께비 전원이란 의미임)가 필요하다. 이런 장치는 입력 임피던스가 수 Mega ohm이 되는 프리앰프에 붙여 전압/전류를 증폭시켜서 전압 자체도 키우고 출력 임피던스를 충분히 낮춰 다른 기기와 연결하여 사용하게 된다 (이것이 마이크 프리앰프의 가장 기본적인 용도 되겠다). 5) 결론 대부분 임피던스라는 용어를 오디오 장치를 다룰 때 마주하게 될텐데, 이것은 교류/직류 모든 전류 흐름에 대해 저항하는 정도를 총체적으로 의미하는 말이다. 전류 흐름은 시간에 대해서 일정한 값을 갖는 성분과 시간에 따라 변화하는 성분으로 구성되고, 임피던스는 이 각각의 흐름에 저항하는 성분을 ‘저항’과 ‘리엑턴스’로 포함하는 개념이다. 오디오 장치에서 임피던스라 함은 특별히 가청 주파수의 교류신호에 대한 임피던스를 의미하고, 가청 주파수 대역(20~20kHz)의 교류신호라는 것은 주파수가 매우 낮은 저주파에 해당하므로 사실상 임피던스라 함은 저항에 매우 가깝다 볼 수 있다. 오디오 기기에서 임피던스는 기기와 기기간의 결합의 문제에서 많이 얘기되는 개념인데, 입력 임피던스와 출력 임피던스가 그것이다. 전기 회로 책에 많이 등장하는 개념인 최대 전력전달의 개념 - 출력기기의 전력이 입력 기기로 최대한 많이 전달 되는 -에서는 입력과 출력 임피던스가 같아야 최적의 결합이 된다. 그러나, 파워앰프와 스피커처럼 전력이 최대로 전달되어야 하는 경우를 빼면, 대부분은 저전력의 소신호 결합으로서, 되도록이면 출력 전압이 입력단에 고스란히 전달되는 것이 가장 중요한 문제이기 때문에, 출력임피던스가 작으면 좋고, 입력 임피던스는 크면 좋다.