쉽고 빠르게 필터회로 (RC, LC) 알아보자
필터 회로는 뭐고, 왜 필요할까?
Q .라디오에서 잡음(지지직) 소리를 들은 적있는가?
또는 어떤 소리만 크게 들리고 어떤 건 작게 들리는 걸 느낀 적 있나요?
= 이런 걸 **도와주는 회로가 바로 "필터(Filter) 회로!!
즉 필터 회로는 전기 신호 중에서 필요한 것만 통과시키고, 불필요한 신호는 막아주는 역할!
( 노이즈 제거,파형정형화, 전원 안정화 )
커피 필터처럼, 커피 알갱이는 걸러내고 액체만 통과시키는 것과 같다!
개념 설명 (RC,LC)
- RC 필터 = 저항(Resistor) + 캐패시터 (Capacitor)
저항: 전기의 흐름 줄이거나 막음 (수도관의 크기)
캐패시터: 전기를 잠시 저장 ( 물탱크)
= 단순한 아날고트 회로 필수적인 저역/고역 필터
- LC 필터 = 인덕터 (Inductor) + 캐패시터 (Capacitor)
인덕: 전기가 빠르게 변하려고 하면 "천천히~" 하고 막음.(가속폐달)
캐패시터: 전기를 잠시 저장 ( 연료통)
= 고전류, 고주파 환경에서 필터링 성능 극대화
참고 캐패시터의 특성
[ 전자 ] 캐패시터 회로 특성 ( 병렬-LPF/HPF, 직렬-AC커플링 )
캐패시터 회로 특성 대해서 알아보자.캐패시터의 연결구도에 따라서 성능이 달라진다.기본 원리 - 전하를 저장하는 소자 ( 교류 신호(AC)와 직류 신호(DC) 다름)직류(DC): 캐패시터는 충전 후 더 이
donggreen.tistory.com
RC 필터 회로 ( ex : LFP 로우패스 필터 )
- RC 필터는 1차 저역통과 필터
- 감쇠 시작 20 dB/dec 감쇠율을 가짐
- R : 저주파를 그대로 통과 / C : 높은 주파수는 GND로 빠짐.
* 참고: R 은 DC,저주파에서 무관, AC에서는 리액턴스의 합으로 주파수에 따라 달라
- 적용 범위
| 상황 | 설명 |
| 낮은 주파수 대역 필터링 | 예: 수십 Hz ~ 수십 kHz 대역에서 간단히 잡음 제거 |
| 저전력 회로 | 전력 소모가 크지 않고, 효율보단 간단함이 중요할 때 |
| 고임피던스 입력 (ADC 등) | 다음 회로가 고입력 임피던스면 RC 필터 효과 그대로 적용됨 |
| 마이컴 전처리 회로 | 버튼, 센서, 인터럽트 라인 등에 RC 필터로 글리치/노이즈 제거 |
| 비용과 크기 제약이 클 때 | 인덕터보다 저렴하고 PCB 공간 적게 차지 |
- ADC 입력단의 Anti-aliasing 필터
- 버튼 디바운스용 RC 로우패스
- 오디오 신호에서 고역 컷
- 센서 출력 신호 안정화
- 주의 할점
- 부하 효과(load effect): 다음단 입력 임피던스가 낮으면 컷오프 주파수 달라짐
- 파워 로스 존재: 저항에 전력 소모 → 고전류 필터엔 부적합
- 간단하지만 감쇠 특성은 완만함 (1차 필터)
예시 RC 필터 회로 ( ex : LFP 로우패스 필터 )
목표: 센서 신호의 고주파 노이즈 제거
조건: ADC 샘플링 주파수 = 1kHz → Nyquist 기준 500Hz 이하 필터링
설계: R = 3.3kΩ, C = 100nF → fc ≈ 480Hz
- 부품 오차 감안해 ±10% 범위 고려
- PCB 배치 시 GND 루프 최소화
LC 필터 회로 ( ex : LFP 로우패스 필터 )
- LC 필터는 2차이상 저역통과 필터
- 감쇠시작 40 dB/dec 감쇠율을 가짐
- 위상의 왜곡이 적음 ( 단 공진점 근처에서 급격한 위상 변화, 최대 -180도까지)
- L: 높은 주파수를 막음 / C : 높은 주파수는 GND로 빠짐
- 적용 범위
| 상황 | 설명 |
| 고주파 노이즈 제거 | 수백 kHz ~ MHz 영역에서 RC 필터로는 감쇠 한계가 있음 |
| 고전류 회로 필터링 | SMPS 출력 등에서는 RC 필터 사용 시 발열 문제 생김 |
| 낮은 손실이 중요한 경우 | RC 필터는 전력 소모 있음, LC 필터는 손실 적음 |
| 급격한 감쇠가 필요한 경우 | RC는 20dB/dec, LC는 40dB/dec까지 가능 (2차 필터) |
| EMI/EMC 문제 해결 | 고속 디지털 회로나 전원 라인에 삽입해서 전자파 억제 가능 |
- SMPS 출력단 LC 로우패스 (리플 제거)
- 모터 드라이브의 EMI 필터
- 고속 ADC 클록 라인의 LC 필터링
- RF 회로의 대역 통과/저지 필터
- π형 필터로 전원 라인의 고주파 필터링
-주의사항
- 인덕터의 **DC 저항(Rdc)**이 낮아야 손실 적음
- 콘덴서 ESR에 따라 품질지수(Q)가 결정됨
- 공진 주파수 근처에서 리플 반사(Ringing) 가능성 있음 → 댐핑 저항 고려 필요
- 실장 시 배선 인덕턴스나 그라운드 루프 문제 주의
예시 LC 필터 회로 ( ex : LFP 로우패스 필터 )
목표: 3.3V 출력에 리플 20mV 이하 유지
부하 전류: 1A
조건: SMPS 스위칭 주파수 = 500kHz
설계: L = 10µH, C = 47µF → fc ≈ 7.3kHz
- MLCC 사용 (ESR 낮음)
- 코어 포화 고려하여 인덕터 선택
- 고주파 EMI 차단을 위해 입력단에도 LC 필터 삽입
RC 필터 회로 VS LC 필터 회로
| 항목 | RC 필터 | LC 필터 |
| 필터 차수 | 1차 | 2차 이상 |
| 구현 난이도 | 낮음(저항 + 캐패시터) | 중간~높음 (캐패시터+인덕터는 부피와 비용 큼) |
| 주파수 응답 | 완만한 감쇠, 위상지연 발생 | 급격한 감쇠, 공진 현상 주의 |
| 주파수 식 | fc=1/2πRC | fc=1/2πLC |
| Q-factor | 없음 (비공진형) | Q 존재 (공진 여부 판단 가능) |
| 감쇠 특성 | 20 dB/dec | 최대 40 dB/dec |
| 에너지 효율 | 저항으로 인한 전력 손실 | 인덕터/커패시터는 비교적 손실 적음 (거의 없음) |
| 실용성 | 간단, 저가 회로에 적합,저전류, 신호 필터링 | 고전류, 고주파, 고성능,파워 필터링 필터에 적합 |
| 적용 분야 | 오디오, 센서신호 전처리, 간단한 필터 | SMPS, RF, EMI 필터, 고속 데이터 라인 등 |
참고:
감쇠(Attenuation /필요없는 신호를 작게)
- RC 필터는 천천히 (천천히 감쇠), LC 필터는 뚝 한번에 (빠르게 감쇠)
1차,2차,3차? 의미
- 차수(1차, 2차)는 필터링 소자의 개수랑 꼭 1:1로 연결되는 건 아님
정확히는 미분방정식의 차수, 또는 에너지 저장소자(C, L)의 개수가 기준!!
단 저항은 그냥 전류를 흘러보냄 ( L 과 C를 특성상 에너지를 저장 )
* 차수가 늘어날수록 복잡함
| 상황 | 차수(필터의 차수) |
| 커패시터(C) 1개만 있음 | 1차 필터 |
| 인덕터(L) 1개만 있음 | 1차 필터 |
| L과 C 둘 다 있음 | 2차 필터 |
| C 2개 또는 L 2개 | 2차 필터 (설계에 따라 더 높아질 수도 있음) |
| L-C-L or C-L-C 구조 | 3차 필터 이상 (고차 필터) |
마무리
필자는 생각 한다. RC와 LC 필터 회로는 단순한 구성에도 불구하고 회로 설계에서 매우 강력한 도구이다.
RC 필터는 구조가 간단하고 저렴해 저주파 노이즈 제거나 센서 전처리에 적합하며, LC 필터는 고주파 감쇠 능력이 뛰어나 고성능 전원 회로나 통신 회로에 널리 사용된다.
필터의 차수에 따라 감쇠 속도가 달라지고, 회로의 목적에 따라 적절한 필터를 선택하는 것이 중요! 기본을 이해하면 고차 필터 설계도 훨씬 쉬워질수 있을 것이다.
'전기전자 찌릿 > 전자' 카테고리의 다른 글
| [ 전자 ] 필수기초 ! 위상 Phase 이란? (0) | 2025.04.20 |
|---|---|
| [ 전자 ] ADC (analog to digital converter/아날로그-디지털 컨버터)의 기본 원리 (0) | 2025.04.05 |
| [ 전자 ] Single point Ground 와 Multi Point Ground (0) | 2025.03.24 |
| [ 전자 ] Discrete I/O 와 DIO, GPIO 란 (0) | 2025.03.23 |
| [ 케이블 ] Hook-up Wire ( 훅업케이블 /훅업와이어) (1) | 2025.03.10 |