RL회로 과도응답
RL회로 과도응답은 저항과 인덕턴스가 직렬로 연결된 회로에서 전류가 정상값에 이르기까지의 변화다. 스위치를 닫아도 전류는 순간에 최종값에 도달하지 못하고 천천히 늘어난다. 이 천천히 변하는 구간이 과도응답이다. 직류 전원 E를 가하면 키르히호프 전압법칙으로 E = R…
주요 장면
대본
정의
RL회로 과도응답은 저항과 인덕턴스가 직렬로 연결된 회로에서 전류가 정상값에 이르기까지의 변화다.
스위치를 닫아도 전류는 순간에 최종값에 도달하지 못하고 천천히 늘어난다.
이 천천히 변하는 구간이 과도응답이다.
구조와 원리
직류 전원 E를 가하면 키르히호프 전압법칙으로 E = Ri + L di/dt가 된다.
여기서 시정수는 τ = L/R [s]다. 전류가 정상값의 약 63.2%에 이르는 시간이다.
그 역수 R/L은 감쇠율이라 한다. 인덕터가 전류 변화를 막아 전류는 서서히 증가한다.
직류 인가 해
직류 인가 시 해는 정상해와 과도해의 합으로 구한다.
정상해는 인덕터를 단락으로 보고 얻은 E/R이다. 과도해는 특성근 p = -R/L에서 나온다.
초기조건 i(0)=0을 대입하면 A = -E/R이 된다.
그러므로 i(t) = E/R (1 - e^(-t/τ))가 된다.
직접 풀어 보자.
예제 계산
앞서 낸 문제의 답은 i(0)=0이다. 이 조건으로 A = -E/R이 정해진다.
예제로 확인한다. E는 100 V, R은 10 Ω, L은 0.5 H인 직렬 RL회로다.
시정수는 L/R = 0.05 s다.
t = 0.05 s에서 전류는 10(1 - e^(-1)) ≈ 6.32 A가 된다.
t = τ이므로 정상값 10 A의 약 63%에 해당한다.
교류 인가
교류를 인가하면 정상해는 정현파 전류가 된다.
정상해 크기는 임피던스 Z로, 위상은 φ = tan^-1(ωL/R)로 정해진다.
과도해는 같은 지수 항이지만 크기가 투입 위상 θ에 따라 달라진다.
직류·교류 비교
직류와 정현파 인가를 표로 비교한다.
두 경우 과도해는 모두 같은 지수 항을 가져 시정수가 같다.
차이는 과도해 크기를 정하는 방식이다. 직류는 i(0)=0, 교류는 투입 위상 θ로 정해진다.
교류에서는 투입 위상에 따라 과도 전류가 정상 최대치의 약 2배에 가까워질 수 있다.
정리
정리하자. RL회로 과도응답은 시정수 τ = L/R 하나로 설명된다.
직류는 i(0)=0 조건으로 A를 정하고, 교류는 투입 위상 θ에 따라 과도해가 달라진다.
시험에서는 시정수를 R/L로 바꿔 쓰는 실수를 조심한다.