시리즈:공돌이 양성 프로젝트/전자공학/회로이론 편집하기

어떤 전자/전기회로에 대한 것을 해석하는 것에 관한 기초 내용이다.

==개요==
[[파일:RLC circuit.JPG|섬네일|왼쪽|[[TINA TI]]로 설계한 회로도]]

{{인용문|저기 적힌건 뭔가요?|[[지나가던]] 문과생}}

전자공학을 배운 사람이면 이런 RLC 회로를 쉽게 알 수 있지만, 그렇지 않은 사람들은 이 회로가 어떻게 작동하는지도 모르고, 이게 무엇인지도 알수 없다. 회로이론은 어떤 회로가 동작하는 원리에 대해서 배우는 학문이다.

{{-}}

== 기본==
===단위 ===
*전자기학에서는 [[SI 단위]]를 사용한다.
*'''전류는 +극에서 -극으로 이동하지만, 전자는 -극에서 +극으로 이동한다. '''이것은 [[벤저민 프랭클린]]이 18세기에 전류를 먼저 정의한 다음<ref>[http://scienceworld.wolfram.com/biography/FranklinBenjamin.html]</ref>, [[조지프 존 톰슨|톰슨]]이 19세기에 [[전자]]를 발견해서 그런것이다. <s>잘못된 첫 출발</s> 이제와서 바꾸자니 대혼란이 일어날거 같아서 어쩔 수 없이 그냥 쓰고 있다.

=== 관련 학문 ===
단순한 전원-저항 회로면 사칙연산으로도 가능하지만, 캐패시터, 인덕터(코일)이 들어가면 '''미적분은 필수요소'''가 된다. 더 복잡한 회로는 라플라스 변환, 푸리에 변환도 필요하다 <s>수포자에게 힘들다.</s>

아래의 문서들을 참고하면 좋습니다.
* [[사칙연산]]
* [[삼각함수]]
* [[수포자도 쉽게 알 수 있는 수학/미분과 적분]]

=== 기본이론 ===
* [[전류]](Electric Current)는 단위시간당 흐른 전하량을 의미한다.
**수식으로 표현하자면 <math>i = dq/dt</math> 이다. 단위는 A ([[암페어]])
** 전류는 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다.
* [[전압]](Voltage)은 두 지점간의 전위차 (Electric potential difference)를 의미한다. 단위는 V ([[볼트]])
** <math>v_{ab} = \frac{dw}{dq}</math>
** 전압은 한점 만으로는 정의할 수 없다. 어떤 점에서 5V라고 하는 것은 다른 한 기준을 0V 지점에 잡았을때이다.
* [[전력]](Electric Power)은 단위시간당 에너지를 흡수/사용하는 양을 의미한다. 단위는 W([[와트]])
** 전력 <math>p = \frac{dw}{dt}</math>로 표현가능한다 (w는 에너지(J, 줄), t는 시간(초)을 의미한다)
** <math>p = \frac{dw}{dt} = \frac{dw}{dq} \centerdot \frac{dq}{dt} = vi </math>
** 위 식으로부터, 전력 = 전압*전류가 성립한다.
** 어떤 소자에서 소비하는 전력값이 음수 값인경우, 그 소자는 에너지를 공급해준다고 생각하시면 된다.
==== 옴의 법칙 ====

저항이 있는 회로에서, 저항 양단에 걸리는 전압 v 는 전류 i와 선형적인 비례관계가 있다. <math>v \propto i </math>로 표현가능한다. 그리고. 이 비례관계를 어떤 상수 R로 표현하게 된다. 이것을 저항 R 이라고 표현한다. <math>v =iR </math>로 표현한다. R 값을 정하는 방법은 밑 문단을 참고하기 바람.

==== 노드, 루프 ====
[[파일:Circuit node loop.JPG|400px|섬네일|가운데|노드와 루프 설명]]

* 노드 (색깔이 있는 원으로 그려진 부분) 는 2개 이상의 소자<ref>건전지 저항, 커패시터 등등의 어떤 부품</ref>가 연결되어 있는 연결점이라고 볼 수 있다.
** 회로이론에서는 "동일한 노드면, 그 노드에 걸리는 전압은 동일하게 취급"한다. ('''전자기학에서는 아닌 경우도 있다.''')
* 루프 (화살표) 는 한 노드에서 시작해서 다른노드를 한번만 거치고 돌아오는 닫힌 경로를 의미한다.

==== 키르히호프 법칙 ====
윗문단 "노드, 루프"의 그림을 참고 하기 바람.

* 키르히호프의 전류법칙
** 한 노드에서 들어오고 나가는 전류의 총 합은 0이다. 위 그림에서 주황색 노드에 들어오는 전류는 357.14mA이고, 나가는 전류는 20Ω방향으로 71.43mA, 5Ω방향으로 285.74mA 이다. 들어오는 값을 +라고 하고, 나가는 값을 -라고 하면 총합이 0이 됨을 알 수 있다.
* 키르히호프의 전압법칙
** 한 루프에서의 전압을 모두 더하면 0이다. 위 그림에서 주황색 노드부터 시계방향으로 전압을 더하면 20Ω에 1.43V, 5Ω에 -1.43V (주황색 → 노란색 노드 방향으로 1.43V니까, 그 반대 방향이면 부호가 -이다) 의 전압이 걸리므로 합이 0이 됨을 알 수 있다.

=== 기본 부품 ===
아래의 저항, 축전기, 인덕터는 기본적인 수동소자들(에너지를 소모, 저장, 방출하는 기관)이다. 이것과는 다른, 능동소자는 신호를 입력받아서 다른 출력신호로 변화가 가능한 소자 이다.([[트랜지스터]], Op Amp, [[다이오드]], [[진공관]])

* 기본적으로 수동소자는 선형해석(Linear analysis)이 가능한다. <s>온도가 급격히 변화한다던지 하면 선형이 아니긴 한다만.</s>
==== 저항 ====
[[저항]]은 전하의 흐름 (전류) 를 방해하는 성질을 가지고 있다. R ('''R'''esistance)로 표시하며 단위는 Ω(ohm, 옴)으로 표시한다.
* 이 저항값은 단면적(m<sup>2</sup>), 길이(m), 비저항, 온도에 관계되어 있다.
* <math>R = \rho\frac{l}{A}</math>로 표현된다. <math>\rho</math>값은 [[전기 저항]] 문서를 참고 하기 바람.
** 일반적인 [[전도체]](conductor)는 온도가 증가할수록 저항이 증가한다. 이와 반대로 [[반도체]](semiconductor)는 온도가 증가할수록 저항이 감소한다.
==== [[축전기|커패시터]] ====
{{참고|축전기}}
축전기는 전기를 전기장으로 에너지를 저장하는 소자이다. (일반적인 배터리는 화학적으로 전기를 저장한다.)
==== 인덕터 ====
인덕터는 전기를 자기장으로 에너지를 저장하는 소자이다.

== [[DC]] 회로 ==
공급되는 전류가 일정한 경우를 다루는 내용이다. 
* 건전지(1.5V, 9V), USB 전원 (5V) 등등이 해당된다.

== [[AC]] 회로 ==
공급되는 전류가 일정한 주기로 변화할 때를 다루는 내용이다.
* 가정용 전기 (220V 60Hz) , 산업용 전기 (3상 380V) 등이 해당된다.
=== 순시전력 ===
순시전력 (Instantaneous power) 은 어떤 순간적인 임의의 시점에서의 전력으로, 순시전압 (Instantaneous voltage)와 순시전류(
Instantaneous current)의 곱으로 나타낼 수 있다.
 순시전력 = 순시전압*순시전류

이렇게 표현한다. 이걸 시간에 따른 식으로 나타내면, <math>p(t) = v(t)i(t)</math>로 표현할 수 있다.

그런데 이건 측정하기 어려우니까 ([[오실로스코프]] 같은 장비가 있어야 제대로 관찰이 가능한다) ''평균전력(Average Power)''을 측정하게 된다. 1주기 동안의 순시전력의 평균은 다음 식으로 표시된다.

<math>P_{average} = \frac{1}{T} \int_{0}^{T} p(t) dt</math>, (T는 주기 (초))

=== RMS ===
{{참고|실효값}}

== 연산 증폭기 ==
=== 반전 증폭기 ===
이 증폭기는 증폭이 되긴 하는데, 출력이 입력의 반전이 된다. 그러니까 +5V 신호를 입력했는데, 증폭은 -15V로 나오는 이런 방식.

{|
|[[파일:Ideal op amp example.png]]
|-
|반전 증폭기 예시
|}

이상적인 반전 증폭기는 1.에서 증폭기의 - 쪽으로 들어가는 전류가 0A이고, -와 +의 전위차가 0V 이다. 그러므로

<math>\frac{v_{vs}-v_1}{R_1}=\frac{v_1-v_o}{R_2}</math>와, <math>v_{amp\ -}=v_{amp\ +} = 0[V]</math>가 성립하고, 
그러므로 <math>\frac{v_{vs}}{R_1}=\frac{-v_o}{R_2}</math> 이고, <math>v_o=- \frac{R_2}{R_1}v_{vs}</math>가 성립한다.

위 회로도에서는 V<sub>vs</sub>=5V, R1=10kΩ, R2=20kΩ 이므로 출력 전압은 <math>-\frac{20k}{10k}5 = -10[V]</math> 가 된다.

=== 비반전 증폭기 ===

== 고급 해석 ==
어떤 회로를 분석하기 위해서 [[라플라스 변환]]이나 [[푸리에 급수]], [[푸리에 변환]]이 필요한 경우가 있다. 해당 문서를 참고하기 바람.

== 실제로 해보기 ==
[[TINA TI]]를 이용해서 실제로 회로를 꾸며서 어떻게 작동하는지 테스트 할 수 있다. 이 문서는 이런 프로그램을 돌리는데 "왜 이렇게 되는가?" 에 대한 기본 원리 이해를 위한 문서이다.

== 참고 문헌 ==
* Fundamentals of Electric Circuits, 5th Edition, Alexander, Sadiku, {{ISBN|9788960558274}}

{{각주}}
[[분류:공돌이 양성 프로젝트]]