안녕하세요.
최근에 전기 기초에 대한 부분이 다시 기억해 보고자 무료 강의를 찾아보았습니다. 강사분이 직접 설명해 주는 것이 아니라서 조금 설명이 부족할 수 있는데(보충 설명할 때는 동영상으로 추가 설명이 있습니다), PPT로 간단간단 강의 자료가 요약 설명이 잘 되어 있습니다. 그래서 빠르게 볼 수 있습니다. 그리고 간단한 예제들로 알려주고 있어 다시 기억해 본다는 차원에서 볼 만했습니다.
1. 강의 목차
1회 차 전기의 기초
2회 차 전기회로와 옴의 법칙
3회 차 키르히호프의 법칙
4회 차 전기회로의 노드 해석법
5회 차 전기회로의 폐로해석법
6회 차 다양한 회로 해석 기법
7회 차 연산 증폭기의 원리와 응용
8회 차 전기와 자기의 상호작용
9회 차 커패시터와 인덕터
10회 차 1차 회로의 과도 해석
11회 차 2차 회로의 과도 해석
12회 차 정현파 교류
13회 차 교류와 페이져
14회 차 교류의 정상상태 해석
15회 차 필터와 공진 회로
16회 차 교류 전력 해석
총 16회 차로 8회 차까지 본 내용을 간단하게 어떤 것들이 있는지 적어보았습니다.
2. 회차별 나온 내용들
1) 1회 차 – 전기의 기초
(1) 전기란? 원자의 개념, 자유전자
(2) 정전기와 동전기
- 정전기 – 움직이지 않고 머물러 있는 전기
- 동전기 – 자유전자가 이동하며 흐르는 전기
- 전류 – 자유전자의 이동
(3) 전하와 쿨롱의 법칙
- 두 개의 전기 사이에 작용하는 힘의 크기는 전하의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례함
- 두 점 전하 Q1(C)과 Q2(C)가 진공 중에서 r(m) 만큼 떨어져 있을 때 두 전하 사이에 작용하는 기전력 F
(4) 전압과 전류
- 전류 : 단위 A, 어느 단면을 단위 시간당 통과하는 전하의 양
- 전압 : 단위 V, 한 점에서 다른 한 점까지 1쿨롱의 전하를 이동시키는데 필요한 에너지
(5) 저항
- 전류의 흐름을 제약하는 물질의 특성
2) 2회 차 - 전기회로와 옴의 법칙
(1) 옴의 법칙 : 도체에 저항이 있을 때 전압과 전류의 관계를 나타내는 것
(2) 전력과 에너지
- 전력 : 단위 시간 동안 소비되거나 공급되는 전기에너지의 양
- 저항에서 소비되는 전력
- 에너지 : 전력과 시간의 곱, Wh, kWh 등 전력량으로 표현
<전력량 확인 예제>
12V, 2A LED 스탠드를 5시간 동작할 경우
전력은 12x2 = 24W
전체 저항 = 12/2 = 6옴
전력량 = 24 x 5 = 120Wh
에너지 = 120x3600 = 432kJ
(3) 전기회로와 측정
- 수동소자 : 에너지를 발생하거나 증폭 및 변환하지 않고 단지 소비, 축적, 혹은 그대로 통과시키는 작용을 하는 소자 (저항, 콘덴서, 인덕터 등)
- 능동소자 : 에너지를 발생하거나 증폭 또는 변환시키는 소자(연산증폭기, 트랜지스터 등)
(4) 전기회로
- 루프 : 가지의 한쪽 단자에서 시작하여 동일한 지로의 반대쪽 단자에서 끝나는 폐회로
- 독립루프 : 다른 루프에 속하지 않는 가지를 적어도 하나 이상 가지는 루프의 집합
- 폐로 : 루프의 특수한 형태로 다른 루프를 포함하지 않는 루프
(5) OrCad로 PSpice로 전압, 전류, 저항 측정 실습
3) 3회 차 – 키르히호프의 법칙
(1) 키르히호프의 전류 법칙
- 키르히호프의 전류 법칙 KCL (Korchhoff’s Current Law) : 노드에 들어오는 모든 전류(전압)의 합은 노드에서 나가는 모든 전류의 합과 같다. (전류의 대수합은 0이다.)
−I 1 -I 2 + I 3 + Ieq = 0
- 전류 분배기 : 저항이 병렬로 연결되어 있을 때 총 전류는 각각의 저항으로 분배되어 흐르는 것을 이용한 것
(2) OrCad로 PSpice로 전압, 전류, 저항 측정 실습
(3) 키르히호프의 전압 법칙 KVL (Korchhoff’s Voltage Law) : 경로 (또는 루프) 내에 있는 전압의 대수합은 0이고, 직렬연결된 전항의 총 저항은 각 저항의 합이 된다.
- 전압 분배기 : 전압 V는 직렬연결된 저항 R1 , R2에 의해 V1 , V2로 전압이 분배됨
(4) OrCad로 PSpice로 전압, 전류, 저항 측정 실습
4) 4회 차 - 전기회로의 노드 해석법
(1) 노드 해석법 : 키르히호프의 전류 법칙을 기반으로 회로의 모든 전류 및 전압을 결정하기 위한 체계적인 해석 방법, 접지를 제외한 노드에 대해 키르히호프의 전류 법칙을 적용하여 노드 전압에 대한 노드 방정식을 구하고 연립방정식을 풀어 노드 전압값을 구함
- 노드 해석 절차
① N개의 노드 중 하나를 기준 노드(보통 접지)로 지정하고 나머지 N-1개의 노드 전압을
변수로 지정
② N-1개의 노드에 대해 KCL을 적용하여 노드 전압에 대한 방정식을 만들기
③ N-1개의 연립방정식을 풀어 노드 전압을 구하기
(2) 즉석 노드 해석법
- 독립 전류원만을 포함하는 회로는 즉석 노드 해석법을 이용하여 간단하게 노드 전압을 구함
5) 5회 차 - 폐로해석법
(1) 폐로해석법 : 회로의 폐로를 설정하고 각 폐로에 대해 키르히호프의 전압 법칙을 적용하여 폐로방정식을 수립하고 연립방정식을 풀어 폐로 전류값을 구함, 회로 변수로서 폐로(mesh) 전류를 사용하여 회로를 해석하기 위한 과정
- 해석 절차
① 폐로(mesh)를 일관성 있게 정의, 편의상 시계방향으로 폐로 전류를 정함
② N개의 폐로에 𝐼1,𝐼2, ⋯ ,𝐼𝑁 과 같이 폐로 전류를 표시
③ N개의 폐로에 키르히호프의 전압 법칙과 옴의 법칙을 적용
④ 폐로 전류를 구하기 위해 N개의 방정식을 계산
(2) 즉석 폐로해석법 : 독립 전압원만을 포함하는 회로는 즉석 폐로해석법을 이용하여 간단하게 폐로 전류를 구함 (회로 내의 전원이 모두 독립 전압원일 때 가능)
6) 6회 차 – 다양한 회로 해석 기법
- 회로해석 방법에는 노드 해석법과 폐회로 해석법으로는 복잡한 회로를 해석하기에는 어려움이 있다.
그래서 다른 방법으로는 중첩의 원리, 테브난의 정리, 노턴의 정리 등이 있다.
- 전류원을 turn-off 한다는 것은 Open 된다는 의미, 전압원이 turn-off 한다는 것은 Short 된다는 의미
- 종속 전원은 독립적으로 에너지를 공급하는 전원이 아님, 독립전원에 대해서만 turn-off 함
(1) 중첩의 원리
- 선형 시스템 : 출력 응답이 입력 신호에 정비례하는 시스템, 비례성(Homogenieity)과 가산성(Aadditivity)을 만족하는 선형 시스템
- 중첩의 원리 : 선형 회로에서 소자 양단의 전압(또는 소자를 통하는 전류)은 각각의 독립 전원에 의한 소자의 양단의 전압(또는 소자를 통과하는 전류)의 대수합과 같음
(2) 테브난(Thevenin)의 정리
- 테브난의 등가 회로 : 모든 2 단자 선형 회로는 저항 Rth와 전압원 Vth의 직렬연결된 등가 회로 바꿀 수 있음
(2 단자 선형 회로에서 내부 회로에는 관심이 없고, 부하를 걸었을 때 전압, 전류, 전력에만 관심을 가짐)
(3) 노턴(Norton)의 정리
- 두 개의 단자를 가지는 선형 회로는 저항 Rn에 병렬로 연결된 전류원 In으로 구성된 등가 회로 대치할 수 있음
(4) 전원 변환
- 테브난과 노턴의 관계를 이용하여 전압과 전류 관계만 만족시키면 전압원과 직렬로 연결된 저항 회로는 전류원과 병렬로 연결된 저항회로 바꿀 수 있음
7) 7회 차 - 연산 증폭기의 원리와 응용
(1) 연산증폭기 원리
- 연산 증폭기(OP Amp) : 입력 신호에 대한 가산, 증폭, 적분, 미분 등이 가능한 고이득 직류 증폭기 소자, 능동소자
- 옵셋 전압 : 입력이 0V 일 때 출력도 0V로 만들 때 요구되는 차동 직류 전압
- 부귀환 : 안정적으로 전압 이득을 제어하기 위해 증폭기 출력 일부가 반전되어 돌아감
- 반전 증폭기/비반전 증폭기
(2) 연산 증폭기의 응용
- 비교기 : 하나의 입력 전압을 다른 입력 전압(기준 전압, Reference)과 비교하여 출력으로 발생하는 비선형 장치
- 가산기 : 둘 이상 입력의 합에 비례한 값이 음(-)의 출력 값으로 발생
- 차동 증폭기 : 두 입력에 대한 차이에 비례한 값을 출력
- 미분기와 적분기 : 커패시터의 전류값은 커패시터 전압의 미분값, 미분기는 반전 증폭기
- 종속접속회로 : 두 개 이상의 연산 증폭기가 직렬로 연결되는 회로, 연산 증폭기 회로는 입력과 출력 관계의 변화 없이 종속 접속할 수 있는 장점이 있음
- PSpice로 OpAMP 실습
8) 8회 차 – 전기와 자기의 상호작용
(1) 자기와 자계
- 자기의 개념
-- 자석이 철과 같은 물질을 끌어당기는 작용 : 자기
-- 자석이 물체를 끌어당기거나 밀어내는 힘 : 자기력 또는 자력
-- 막대자석에서 가장 자기력이 강한 곳 : 자극(N극과 S극)
- 자계(Magnetic Field)
-- 자기력이 작용하는 공간
-- N극에서 S극으로 흐름
(2) 자기력과 자계의 세기
- 자기력의 쿨롱의 법칙
-- 두 자극 간에 작용하는 힘 F는 자극의 세기의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례
- 자속 : 자력선을 정량화한 지표 (f , Wb , Weber)
- 자력 밀도 : 자계에 수직인 단위 면적당 자속의 양 (T, 테슬라, Tesla)
- 자계의 세기 : 자계 내에 정지되어 있는 단위 정자극 + 1Wb에 작용하는 힘
- 자속과 자계의 세기와 관계
(3) 전기와 자기의 차이
- 운반자의 존재(전기: 전자나 이온이 흘러 전기가 흐름 / 전자: 운반자가 존재하지 않음)
- 모노폴(MonoPole)의 문제 : 계속해서 N극과 S극을 분리하여 쪼개려 해도 항상 N극과 S극을 동시에 갖게 됨
(4) 전류에 의한 자계
- 전자계 : 도선에 전류가 흐르면 도선을 감아서 동심원 형태의 자계 발생
- 코일에서의 자계 발생 : 전선을 감아 코일을 만들고 전류를 흘리면 막대자석과 같이 자계가 발생
(5) 전자유도와 전자력
- 전자유도 작용 : 도체가 자계 내를 움직일 때 도체 양단에 전압이 발생하는 현상(플레밍의 오른손 법칙)
- 패러데이의 법칙 : 코일을 가로질러 자석이 움직이면 코일에 전압이 유도되고 폐회로가 구성되면서 유도전류 발생
- 렌츠의 법칙 : 유도 전압의 극성은 코일을 통하는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 발생(유도 전압의 방향 또는 극성 결정)
- 전자력 : 자계 속에 도체를 놓고 전류를 흐르게 하면 발생하는 힘 (플레밍의 왼손 법칙)
- 전자력의 크기 : 자계의 세기와 전류의 크기에 비례
- 전자유도는 플레밍의 오른손 법칙, 전자력은 플레밍의 왼손 법칙
참고로, 위의 내용은 강의의 내용들 중 간략하게 되새길 수 있도록 정리하였고, 사진 출처 또한 강의자료에 내용입니다.
감사합니다.
<참고 사이트>
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