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시리즈:공돌이 양성 프로젝트/전자공학/회로이론

계산기 (토론 | 기여)님의 2015년 10월 28일 (수) 20:15 판 (→‎기본이론)

어떤 전자/전기회로에 대한것을 해석하는 것에 관한 기초 내용입니다.

개요

RLC circuit.JPG

이 회로는 어떻게 작동할까요? 전압계 V에는 어떤 값이 나올까요? 그전에 저기 적힌건 뭔가요?

전자공학을 배운 사람이면 이런 RLC 회로를 쉽게 알수있지만, 그렇지 않은 사람들은 이 회로가 어떻게 작동하는지도 모르고, 이게 무엇인지도 모릅니다. 회로이론은 어떤 회로가 동작하는 원리에 대해서 배우는 학문입니다.

기본

단위

  • 전자기학에서는 SI 단위를 사용합니다.
  • 전류는 +극에서 -극으로 이동하지만, 전자는 -극에서 +극으로 이동합니다. 이것은 벤저민 프랭클린이 18세기에 전류를 먼저 정의한 다음[1], 톰슨이 19세기에 전자를 발견해서 그렇습니다. 잘못된 첫 출발 이제와서 바꾸자니 대혼란이 일어날거 같아서 어쩔 수 없이 그냥 쓰고 있습니다.

관련 학문

단순한 전원-저항 회로면 사칙연산으로도 가능하지만, 캐패시터, 인덕터(코일)이 들어가면 미적분은 필수요소가 됩니다. 더 복잡한 회로는 라플라스 변환, 푸리에 변환도 필요합니다 수포자에게 힘들다.

아래의 문서들을 참고하면 좋습니다.

기본이론

  • 전류는 전하(q)가 단위시간(dt)당 흐른 양을 의미합니다.
    • 수식으로 표현하자면 [math]\displaystyle{ i = dq/dt }[/math] 입니다. 단위는 A (암페어)
    • 전류는 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다.
  • 전압은 두 지점간의 전위차 (Electric potential difference)를 의미합니다. 단위는 V (볼트)
    • [math]\displaystyle{ v_{ab} = \frac{dw}{dq} }[/math]
  • 전력은 단위시간당 에너지를 흡수/사용하는 양을 의미합니다. 단위는 W(와트)
    • 전력 [math]\displaystyle{ p = \frac{dw}{dt} }[/math]로 표현가능합니다 (w는 에너지(J, 줄), t는 시간(초)을 의미합니다)
    • [math]\displaystyle{ p = \frac{dw}{dt} = \frac{dw}{dq} \centerdot \frac{dq}{dt} = vi }[/math]
    • 위 식으로부터, 전력 = 전압*전류가 성립합니다.
    • 어떤 소자에서 소비하는 전력값이 음수 값인경우, 그 소자는 에너지를 공급해준다고 생각하시면 됩니다.

옴의 법칙

저항이 있는 회로에서 저항 양단에 걸리는 전압 v 는 전류 i와 선형적인 비례관계가 있습니다. [math]\displaystyle{ v \propto i }[/math]로 표현가능합니다. 그리고. 이 비례관계를 어떤 상수 R로 표현하게 됩니다. 이것을 저항 R 이라고 표현합니다. [math]\displaystyle{ v =iR }[/math]로 표현합니다. R 값을 정하는 방법은 밑 문단을 참고하시기 바랍니다.

노드, 루프

노드와 루프 설명
  • 노드 (색깔이 있는 원으로 그려진 부분) 는 2개 이상의 소자[2]가 연결되어 있는 연결점이라고 볼수 있습니다.
    • 회로이론에서는 "동일한 노드면, 그 노드에 걸리는 전압은 동일하게 취급"합니다. (전자기학에서는 아닌 경우도 있습니다.)
  • 루프 (화살표) 는 한 노드에서 시작해서 다른노드를 한번만 거치고 돌아오는 닫힌 경로를 의미합니다.

키르히호프 법칙

윗문단 "노드, 루프"의 그림을 참고 하시기 바랍니다.

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

기본 부품

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

  • 기본적으로 수동소자는 선형해석(Linear analysis)이 가능합니다. 온도가 급격히 변화한다던지 하면 선형이 아니긴 합니다만.

저항

저항은 전하의 흐름 (전류) 를 방해하는 성질을 가지고 있습니다. R (Resistance)로 표시하며 단위는 Ω(ohm, 옴)으로 표시합니다.

  • 이 저항값은 단면적(m2), 길이(m), 비저항, 온도에 관계되어 있습니다.
  • [math]\displaystyle{ R = \rho\frac{l}{A} }[/math]로 표현됩니다. [math]\displaystyle{ \rho }[/math]값은 전기 저항 문서를 참고 하시기 바랍니다.
    • 일반적인 전도체(conductor)는 온도가 증가할수록 저항이 증가합니다. 이와 반대로 반도체(semiconductor)는 온도가 증가할수록 저항이 감소합니다.

커패시터

Crystal Clear app xmag.svg 이와 관련한 내용은 축전기에서 볼 수 있습니다.

축전기는 전기를 전기장으로 에너지를 저장하는 소자입니다. (일반적인 배터리는 화학적으로 전기를 저장합니다.)

인덕터

인덕터는 전기를 자기장으로 에너지를 저장하는 소자입니다.

DC 회로

공급되는 전류가 일정한 경우를 다루는 내용입니다.

  • 건전지(1.5V, 9V), USB 전원 (5V) 등등이 해당됩니다.

AC 회로

공급되는 전류가 일정한 주기로 변화할 때를 다루는 내용입니다.

  • 가정용 전기 (220V 60Hz) , 산업용 전기 (3상 380V) 등이 해당됩니다.

순시전력

순시전력 (Instantaneous power) 은 어떤 순간적인 임의의 시점에서의 전력으로, 순시전압 (Instantaneous voltage)와 순시전류( Instantaneous current)의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 

순시전력 = 순시전압*순시전류

이렇게 표현합니다. 이걸 시간에 따른 식으로 나타내면, [math]\displaystyle{ p(t) = v(t)i(t) }[/math]로 표현할 수 있습니다.

그런데 이건 측정하기 어려우니까 (오실로스코프 같은 장비가 있어야 제대로 관찰이 가능합니다) 평균전력(Average Power)을 측정하게 됩니다. 1주기 동안의 순시전력의 평균은 다음 식으로 표시됩니다.

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

RMS

Crystal Clear app xmag.svg 이와 관련한 내용은 실효값에서 볼 수 있습니다.

고급 해석

어떤 회로를 분석하기 위해서 라플라스 변환이나 푸리에 급수, 푸리에 변환이 필요한 경우가 있습니다. 해당 문서를 참고하시기 바랍니다.

참고 문헌

  • Fundamentals of Electric Circuits, 5th Edition, Alexander, Sadiku, ISBN 9788960558274

각주

  1. ↑ [1]
  2. ↑ 건전지 저항, 커패시터 등등의 어떤 부품