기초전자실험 및 설계: 전자공학 실험 교재

박대진 , 배진혁 , 장재원 기초전자실험 및 설계 경북대학교 전자공학부 Copyright © 2018 박대진, 배진혁, 장재원 published by 경북대학교 전자공학부 see.knu.ac.kr 이 한국어판의 저작권은 [에이전시] 를 통하여 [저작권사명] 과 독점 계약한 [귀사한글명] 에 있습니다. 신 저작권법 에 의하여 한국 내에서 보호받는 저작물이므로 무단 전재와 무단 복제를 금합니다 First printing, March 2018 Contents 1 실험기초지식 2 전압, 전류, 저항 3 직렬과 병렬 43 4 직류와 교류 49 5 전기용량 6 인덕터 (Inductor) 7 실험 1: 저항, 전압, 전류 측정 8 실험 2: 옴의 법칙 21 39 55 57 69 61 4 9 실험 3: 직렬, 병렬회로 10 실험 4: 테브난, 노턴회로 83 11 실험 5: 최대전력전달원리 91 12 실험 6: 커패시터 13 실험 7: 인덕터 14 실험 8: 다이오드 15 설계과제 - Operational Amplifier 16 설계과제 - Light Gate 17 설계과제 - Audio Synthesizer Bibliography 75 97 103 109 135 117 127 131 List of Figures 1.1 저항값 color 표기 23 1.2 저항에 마킹된 color 별 값의 의미 1.3 저항값 읽기 예 1.4 저항 24 24 24 1.5 커패시터 마킹에 의한 값 표기 1.6 브레드보드의 구조 25 25 1.7 브레드보드의 내부 배선에 의한 회로동작 (정상) 25 1.8 브레드보드의 내부 배선에 의한 회로동작 (short 된 배선에 부품 연결시 오동작) 25 1.9 저항 3 개로 구성된 직렬회로 26 1.10 직렬연결회로를 브레드보드에서 구현한 결과 1.11 저항 3 개로 구성된 병렬회로 26 26 1.12 병렬연결회로를 브레드보드에서 구현한 결과 26 1.13 멀티미터 (디지털, 아날로그), Test Lead, Test Probe 1.14 멀티미터와 Probe 의 정상동작 여부 테스트 1.15 멀티미티로 전류측정시 주의할 사항 27 1.16 멀티미티로 전류측정시 주의할 사항 28 1.17 멀티미터를 이용하여 저항값 측정 28 1.18 멀티미터를 이용한 전압, 전류 측정 28 1.19 디지털 전원공급기 (ODA-OPE-303QI) 1.20 실험에서 사용할 함수발생기 (HM8030-5) 1.21 함수발생기 전면부 1.22 함수발생기의 사용법 30 30 1.23 실험에서 사용할 오실로스코프 30 27 29 29 27 6 1.24 실험에서 사용할 오실로스코프 사양 (DSOX1102A-70Mhz) 1.25 오실로스코프 수평 (X 축) 컨트롤 31 1.26 오실로스코프 수직 (Y 축) 컨트롤 31 1.27 실험실에서 사용할 케이블류 1.28 PSpice 프로그램 실행 1.29 새 프로젝트 실행 1.30 프로젝트 설정 31 32 32 32 33 1.31 Blank 프로젝트로부터 시작 34 1.32 Blank 프로젝트 화면 (회로 배치위한 빈 페이지) 1.33 Place parts 화면 (단축키 p) 34 1.34 추가할 라이브러리 경로 지정 및 파일 선택 1.35 추가된 라이브러리 확인 35 35 1.36 부품 배치 및 wire 연결, 그리고 속성 값 변경 1.37 Simulation Setting 34 36 36 1.38 관찰지점 지정 및 시뮬레이션 실행결과 36 1.39 관찰지점의 시간에 따른 전압 변화 값 (5V 로 일정함) 37 1.40 DC Sweep 을 이용하여 전압 변화에 따른 회로 동작 검증하기 위한 Simulation Setting 38 1.41 특점 지점에 흐르는 전류량 관찰지점 삽입 38 1.42 DC Sweep 시뮬레이션을 이용하여 입력전압에 따른 전류변화 측정 시 뮬레이션 결과 38 2.1 시간 ∆t 동안 도선의 한 단면을 통과하는 전하량 ∆Q 2.2 전기장 내에서 A 에서 B 로 이동하는 시험 전하 2.3 간단한 전기회로 40 40 2.4 전류 I 가 흐르는, 비저항, 길이 L, 단면적 A 인 저항체 2.5 옴의 법칙에서의 ∆V, I, R 파라미터 3.1 직렬연결 회로의 등가회로 43 3.2 직렬회로의 전압측정 방법 44 3.3 병렬연결 회로의 등가회로 45 3.4 병렬회로 측정 40 45 3.5 직 / 병렬회로의 등가회로 46 3.6 직렬회로의 전압분배법칙 46 41 41 7 3.7 병렬회로의 전압분배법칙 3.8 전류분배법칙 47 4.1 직류와 교류 49 4.2 교류 파형의 종류 51 4.3 6 Hz 정현파 파형 51 4.4 직류회로와 교류회로 47 53 5.1 두 도체판으로 구성된 평행판 축전기 5.2 평행판 축전기 55 5.3 두 축전기의 병렬 연결 회로 56 5.4 두 축전기의 직렬 연결 회로 56 5.5 RC 회로 55 56 5.6 축전기 양단의 전위차와 축적된 전하 사이의 관계 6.1 인덕터의 기본회로구성 및 전압강하 6.2 인덕터, 램프 예시 (병렬연결) 57 59 6.3 인덕터의 과도응답 그래프 (전류, 시간) 59 6.4 인덕터의 과도응답 그래프 (유도기전력, 시간) 7.1 저항값 칼라코드 56 60 62 7.2 멀티미터를 이용한 저항값 측정 62 7.3 브레드보드 내부 배선 연결도 63 7.4 멀티미터의 저항값 측정모드를 이용한 Short Test 7.5 전원공급기를 이용한 정전압 생성 7.6 멀티미터를 이용한 전압측정 63 64 64 7.7 전원공급기, 브레드보드, 저항 이용한 간단한 회로 구성 65 7.8 전원공급기, 브레드보드, 저항 이용한 간단한 회로 구성 및 전류측정 방 법 66 7.9 멀티미터를 이용한 전류측정 7.10 실험 1 예비보고서 67 7.11 실험 1 결과보고서 68 66 8.1 전원공급기를 이용한 전압 / 전류 생성 70 8.2 전원공급기의 출력 전압 조절하며 저항 양단 전압 측정 71 8 8.3 전원공급기의 전류원 모드 설정 71 8.4 저항 양단에 걸리는 전압 대비 흐르는 전류 측정치로 부터 저항값 예측 8.5 실험 2 예비보고서 73 8.6 실험 2 결과보고서 74 9.1 회로 구성도 72 76 9.2 직렬 / 병렬회로 구성예. 점선 부분의 각 노드 전압 측정 76 9.3 직렬 / 병렬 회로에서 전압분배법칙 원리 이해 실험 : 회로도 9.4 저항 크기에 따른 전압강하 원리 이해 실험 : 회로도 9.5 전류분배 법칙 실험 : 회로도 80 9.8 실험 3 결과보고서 81 78 78 9.6 직렬 / 병렬 회로에서 전류분배법칙 원리 이해 실험 9.7 실험 3 예비보고서 77 10.1 임의의 회로의 출력단의 Open 전압, Short 전류 측정 79 83 10.2 임의의 회로의 출력단의 Open 전압, Short 전류 측정으로부터 등가회로 유추 : 전압원 기반 (테브난 등가회로) 84 10.3 임의의 회로의 출력단의 Open 전압, Short 전류 측정으로부터 등가회로 유추 : 전류원 기반 (노턴 등가회로) 10.4 내부저항 예측 실험 84 85 10.5 등가회로 변환 실험을 위한 회로 예 85 10.6 등가회로 변환 실험을 위한 회로 예 : 브레드보드에 회로 구성 10.7 등가회로 변환 실험을 위한 회로 예 (정전류원 기반) 87 10.8 등가회로 변환 실험을 위한 회로 예 : 브레드보드에 회로 구성 10.9 실험 4 예비보고서 88 10.10실험 4 결과보고서 89 11.1 내부저항과 직렬로 연결된 로드저항 (R L ) 로 구성된 회로 예 11.2 R L 값의 변화에 따른 전압x 전류 Plot 86 87 92 92 11.3 최대전력전달 조건을 만족하는 R L 을 찾기 위한 브레드보드 회로도 11.4 실험 5 예비보고서 94 11.5 실험 5 결과보고서 95 12.1 RC 회로를 브레드보드에 구성하고 함수발생기를 입력을 인가하고 출력 을 오실로스코프로 측정 98 93 9 12.2 PSPICE 를 이용한 RC 회로 Schematic 99 12.3 PSPICE 를 이용한 RC 회로의 과도응답 특성 시뮬레이션 결과 99 12.4 주파수를 바꾸어 가며 AC 특성을 시뮬레이션 하기 위한 PSPICE 환경 설 정 100 12.5 RC 회로의 주파수 응답 특성 12.6 실험 6 예비보고서 101 12.7 실험 6 결과보고서 102 100 13.1 RL 회로를 브레드보드에 구성하고 함수발생기를 입력을 인가하고 출력 을 오실로스코프로 측정 104 13.2 PSPICE 를 이용한 RL 회로 Schematic 105 13.3 PSPICE 를 이용한 RL 회로의 과도응답 특성 시뮬레이션 결과 105 13.4 주파수를 바꾸어 가며 AC 특성을 시뮬레이션 하기 위한 PSPICE 환경 설 정 106 13.5 RL 회로의 주파수 응답 특성 13.6 실험 7 예비보고서 107 13.7 실험 7 결과보고서 108 14.1 다이오드의 비선형성 106 109 14.2 실제 다이오드의 동작 특성 110 14.3 다이오드를 동작원리 실험 : 회로도 110 14.4 다이오드를 동작원리 실험 : 브레드보드 위에 다이오드 저항 배치하여 회 로 구성 111 14.5 다이오드를 동작원리 실험 : 도통전압으로 인한 전압강하 112 14.6 다이오드를 동작원리 실험 : 전압, 전류 동작점 결정 실험을 위한 회로도 14.7 다이오드를 동작원리 실험 : 그림 14.6 의 등가회로 113 14.8 다이오드를 동작원리 실험 : 전압, 전류 측정을 통한 동작점 결정 14.9 실험 8 예비보고서 114 14.10실험 8 결과보고서 115 15.1 Inverting Amp 실험회로도 119 15.2 Non-Inverting Amp 실험회로도 15.3 Comparator 실험회로도 15.4 Schmitt Trigger 실험회로도 123 124 121 113 112 10 17.1 실험 1 회로도 133 17.2 실험 2 회로도 134 17.3 실험 3 회로도 134 List of Tables 1 이론chapter-실험 Matrix 2 세부 실험 목록 3 실험에 사용할 부품 및 장비 4 세부 실험별 사용할 부품 목록 18 18 1.1 Si 기본단위계 21 1.2 Si 유도단위계 22 1.3 Si 단위계 접두어 19 20 23 7.1 실험 1 저항 전압 전류 측정 실험 요약 61 7.2 실험 1-1 칼라 코드로 저항 값 측정 62 7.3 실험 1-2 멀티미터로 저항 값 측정 63 7.4 실험 1-3 브레드 보드 활용 63 7.5 실험 1-4 전원공급기 구동 64 7.6 실험 1-5 저항 배치 및 전압 측정 7.7 실험 1-6 전류 측정 64 65 8.1 실험 2 옴의 법칙 실험 요약 69 8.2 실험 2-1 전원공급기의 전압원 / 전류원 모드 활용 8.3 실험 2-2 저항 양단 전압 측정 실험 71 8.4 실험 2-3 저항원을 이용시 저항 양단 전압 측정 8.5 실험 2-4 전압, 전류 측정값을 이용한 저항값 계산 9.1 실험 1 저항 전압 전류 측정 실험 요약 9.2 실험 3-1 직렬회로의 전압값 측정 70 75 76 9.3 실험 3-2 직렬회로의 등가저항 계산 77 9.4 실험 3-3 병렬회로의 등가저항 계산 78 71 72 12 9.5 실험 3-4 가변저항 이용한 저항값 변화에 따른 전압변화 비율 측정 9.6 실험 3-5 병렬회로에서 전류 분배 특성 측정 10.1 실험 4 테브난, 노턴 등가회로를 실험 79 83 10.2 실험 4-1 Open-Circuit 전압, Short-Circuit 전류 측정 10.3 실험 4-2 Voc , Isc 를 측정을 통한 내부저항 예측 85 85 10.4 실험 4-3 등가회로 변환 이후 회로 등작 특성 비교 86 10.5 실험 4-4 등가회로 변환 이후 회로 등작 특성 비교 (전류원 이용) 11.1 실험 5 최대전력전달 실험 요약 78 87 91 11.2 실험 5-1 최대전력전달 원리를 실험을 통해 학습하기 위한 회로 예 92 11.3 실험 5-2 로드 저항 R L 의 값을 바꾸어 가며 전류값, 전압갑의 변화를 측 정 92 11.4 실험 5-3 최대전력전달 조건을 만족하는 R L 을 결정하는 반복실험 12.1 실험 6 저항-커패시터 결합 회로 실험 요약 93 97 12.2 실험 6-1 RC 회로 구성 예 및 함수 발생기 연결, 출력 결과 측정 12.3 실험 6-2 R, C 의 값 변화에 따른 출력 특성 측정 98 99 12.4 실험 6-3 PSPICE 를 이용한 RC 회로의 과도응답 특성 시뮬레이션 99 12.5 실험 6-4 PSPICE 를 이용한 주파수 응답 특성 시뮬레이션 결과와 실측치 의 비교 100 13.1 실험 7 저항-인덕터 결합 회로 실험 요약 103 13.2 실험 6-1 RL 회로 구성 예 및 함수 발생기 연결, 출력 결과 측정 13.3 실험 7-2 R, L 의 값 변화에 따른 출력 특성 측정 104 105 13.4 실험 7-3 PSPICE 를 이용한 RL 회로의 과도응답 특성 시뮬레이션 105 13.5 실험 7-4 PSPICE 를 이용한 주파수 응답 특성 시뮬레이션 결과와 실측치 의 비교 106 14.1 실험 8 다이오드 회로 실험 요약 110 14.2 실험 8-1 다이오드 회로의 동작 특성 측정 14.3 실험 8-2 동작 전류, 전압 바이어스 측정 14.4 실험 8-3 동작점 결정 원리를 실험으로 이해 16.1 거리에 따른 측정치 127 111 112 113 13 17.1 주파수 유도식에 따른 주파수값 계산결과 132 17.2 주파수 유도식에 따른 주파수값 계산결과 133 15 경북대학교 전자공학부의 모든 구성원에 게 이 책을 바칩니다. 기초전자실험 및 설계 과목 소개 책의 구성 본 실험 수업은 크게 4 파트로 구성하였다. Part 1 은 직류 전압, 전류, 저항 의 기초 이론에 대해서 살펴보고 브레드 보드를 이용하여 기본적인 회로 구성하고 장비를 활용하여 실험을 진행한다. 본 실험을 통해 간단한 회로 법칙과 저항의 특성 직류회로 특성을 익힐 수 있으며 PSpice 를 이용하여 사전 시뮬레이션을 통해 회로 예상 동작 특성을 파악하고 실제 회로를 구 현하여 결과를 비교하도록 한다. Part 2 는 전자공학에서 다루는 본격적인 회로를 배우기 전 가장 기초적인 회로망 이론을 간단히 소개하고 실습을 통해 전압 분배, 전류 분배 특성을 학습한다. 테브난과 노턴 등가회로에 대 해서도 실험을 통해 학습한다. Part 3 에서는 교류회로 및 실험을 수행한다. 이를 위해 커패시터와 인덕터의 특성을 배우고 교류회로에서 동작 특성을 측정하기 위해 오실로스코프와 파형 발생기 등의 장비를 활용하는 방법을 배운다. Part 4 에서는 그 동안 배운 기초 회로 이론 및 실습을 통해 익힌 내용을 바탕으로 보다 심화된 설계 실습을 할 수 있는 내용으로 구성되 었다. 본 교재에서는 기초회로를 처음 배우는 학생들을 고려하여 실습장비와 계측기의 사용법을 상세히 추가하였다. 모든 실험을 PSpice 를 이용하여 사전 시뮬레이션을 먼저 수행함으로써 기본 이론을 다시 한번 복습하고 실제 실험에서 회로를 직접 구성하여 동작을 확인하고 비교 검토하도록 하였다. 본 수업에서 수행하는 시뮬레이션 및 실험 내용을 다음과 같다. 18 Table 1: 이론chapter-실험 Matrix 프로젝트† 실습 chapter∗ ex1 1 장비, 시뮬레이션 2 저항, 전압, 전류 3 직렬과 병렬회로 4 직류와 교류 5 전기용량 6 인덕턴스 7 다이오드 • • ex2 ex3 ex4 ex5 ex6 ex7 ex 8 • • •‡ •‡ • lab1 lab2 lab3 • • • • • • • • • • • • • • • ∗ 챕터별 이론내용과 대응되는 실험, 또는 세부 실험에 연관된 챕터 † 3-4 주에 걸쳐 진행, 팀프로젝트 ‡ Optional 실습 실험 실험내용 ex 1 ex 2 ex 3 ex 4 ex 5 ex 6 ex 7 ex 8 Lab 1 Lab 2 Lab 3 저항갑 측정, 브레드보드, 전원공급기, 멀티미터 활용 옴의 법칙 - 전압, 전류, 저항 영향 측정 직렬 / 병렬회로 - 전압강하, 전류분배 측정 테브난, 노턴 정리의 확인 최대전력 전달 조건 측정 커패시터 용량과 전압 변화 및 주파수 특성 측정 인덕터의 주파수 특성 변화 측정 Diode 회로 동작 확인 신호 증폭 광신호 감지 오디오 신호 합성 실험의 목적 본 수업은 2 학년에서 본격적으로 배울 회로 이론, 전자회로 등의 수업을 이수하기 전에 전자공학이란 학문을 기초회로이론 및 실습이란 창문을 통해 입문하는데 목적을 둔다. 본 수업에서 제시하는 이론과 실험을 통해 전자공학의 흥미를 유발하고 이해의 폭을 넓히고자 한다. 기초이론을 바탕 으로 실험을 통해 회로동작 원리를 체험을 통해 이해하고 각종 계측기 사 용법을 익히며 실험을 수행하며 발생하는 다양한 문제를 해결하며 결과를 체계적으로 분석하고 보고서를 작성하는 능력을 키우고자 한다. Table 2: 세부 실험 목록 19 Table 3: 실험에 사용할 부품 및 장비 장비 부품 실험번호 R1 실험 1 실험 2 실험 3 실험 4 실험 5 실험 6 실험 7 실험 8 Lab1 Lab2 Lab3 • • • • • • • • • • • C2 L3 D4 E5 P6 S7 M8 OA11 SC12 TMR13 ,SPK14 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • O9 F10 • • • • • • • • • 1 Resistor, 2 Capacitor, 3 Inductor, 4 Diode, 5 Components 6 PC(Computer), 7 Power Supply, 8 Multimeter, 9 Oscilloscope, 10 Function Generator Operational Amplifier, 12 Sensor(Light), 13 Timer, 14 Speaker 11 실험 전 준비사항 실험 전에는 반드시 실험 목표와 준비부품, 장비사용법 등을 사전에 파악 하고 준비하도록 한다. 장비를 조심히 다루어야 하며 감전, 화재 등에 주 의하여야 한다. 교재에서 제시하는 사전 실험 준비사항을 파악하고 필요시 리포트를 작성하여야 한다. 실험 실험을 수행하기 위해서는 필요한 부품을 부품상자에서 가지고 와야 한다. 다음 테이블에서 실험별로 필요한 부품 종류를 나타내었다. 계측기의 동작 을 사전에 확인하여야 하며 장비와 브레드보드위의 회로에 연결할 케이블 도 가지고 오도록 한다. 실험에는 모든 팀원이 다 참여하여 회로를 구성하고 협력하여 결과를 얻고 의미를 도출해야 한다. 실험 목적을 파악하여 시뮬레이션을 수행한다. 실제로 실험 목적에 맞는 부품을 지급받아 직접 회로를 구성하고 시뮬레이 션 결과와 비교분석을 한다. 모든 측정치를 기록하고 분석하고 그 결과에 대한 의미를 서로 토론한다. 20 Table 4: 세부 실험별 사용할 부품 목록 실험 실험에 사용할 부품 ex 1 ex 2 ex 3 ex 4 ex 5 ex 6 ex 7 ex 8 Lab 1 Lab 2 Lab 3 임의의 저항 임의의 저항 10Ω, 100Ω, 390Ω, 560Ω, 1kΩ, 1.5kΩ, 및 가변저항 100Ω, 2kΩ, 3.9kΩ, 4kΩ 4.7kΩ, 가변저항 100Ω, 1uF 커패시터 1kΩ, 10mH 인덕터 Diode, 1kΩ Op-Amp, 1kΩ, 2kΩ, 5kΩ, 10kΩ Solarcell(혹은 수광다이오드), LED 555-Timer, 220nF 커패시터, 47kΩ, 100Ω, 500Ω, (1, 2, 5, 10)kΩ, LED, 스피커 실험 후 정리 결과 보고서는 모두 각자 작성해야 하며 퇴실전에 조교에게 결과에 대해 1:1 로 검토를 받아야 한다. 실험이 완료되면 모든 부품을 반납하고 장비를 제자리로 돌려놓고 전원도 반드시 차단한다. 결과 보고서를 작성하여 정해 진 기간까지 제출하도록 한다. 보고서에 작성할 내용 실험 보고서는 실험한 결과를 글로 정리한 문서로 실험을 통해 얻은 회로 원리를 본인의 것으로 확립하는데 중요한 절차이다. 보고서에는 반드시 실 험 제목, 제출일, 소속, 성명, 팀원, 실험 목적, 이론적 배경, 실험에 사용한 부품, 장비, 실험 절차, 회로도 실험 결과, 분석내용 및 의미에 대해 상세히 작성하여야 한다. 1 실험기초지식 1.1 단위계 단위계는 미터법에 따른 측정 단위를 국제적으로 통일한 체계로서 Si 단위 라고도 한다. 기본 단위로서 길이에 미터 (m), 무게에 킬로그램 (kg), 시간에 초 (s), 전류에 암페어 (A), 온도에 켈빈 (K), 물질량에 몰 (mol), 광도에 칸 델라 (cd) 의 7 가지 기본단위와 이로부터 유도된 유도단위가 있다. 또한, 국 제적으로 효율적이고 신뢰할 수 있는 길이, 질량, 시간, 전류, 온도, 물질량, 광도 등 물상상태의 양을 결정할 때 공통적으로 적용하여야 할 기준이다. Table 1.1: Si 기본단위계 SI 기본단위 기본량 길이 질량 시간 전류 열 역학적 온도 물질량 광도 명칭 기호 미터 (meter) 킬로그램 (kilogram) 초 (second) 암페어 (ampere) 켈빈 (kelvin) 몰 (mol) 칸델라 (candela) m kg s A K mol cd 우리나라에서는 국가표준기본법 제 10 조에서 제 12 조 규정에 의거하여 SI 단위를 법정단위로 채택하고 있다. 표 1.1 의 유도단위는 표 1.1 의 기본 단위를 물리법칙에 의해 대수적인 관계식으로 결합하여 나타내는 것이다. 킬로그램 (kg) 를 제외한 모든 Si 단위는 십진배수 (103 , 106 , 109 ) 및 십 진분수 (10− 3, 10− 6, 10− 9) 명칭과 기호를 형성하기 위해 [접두어] 를 사용 22 기초전자실험 및 설계 Table 1.2: Si 유도단위계 SI 유도단위 유도량 이름 기호 SI 단위 평면각 입체각 주파수 힘 라디안 (radian) 스테라디안 (steradian) 헤르츠 (Hertz) 뉴턴 (newton) rad sr Hz N (무차원) (무차원) 파스칼 (pascal) Pa 에너지, 일, 열량 줄 (joule) J 일률, 전력, 동력 전하량, 전기량 와트 (watt) 쿨롱 (coulomb) W C N = mkg·s2 m2 kg·m2 N · m = s2 kg·m2 J s = s3 · A 압력, 응력 전위차, 전압, 기전력 볼트 (volt) V 전기용량 패럿 (farad) F 전기저항 옴 (ohm) Ω 컨덕턴스 지멘스 (siemens) S 자기선속 웨버 (weber) Wb 자기선속밀도 테슬라 (tesla) T 인덕턴스 섭씨온도 광선속 조도 방사능 흡수선량 헨리 (henry) 셀시우스 (celsius) 루멘 (lumen) 룩스 (lux) 베크렐 (becquerel) 그레이 (gray) H °C lm lx Bq Gy 선량당량 시버트 (sievert) Sv 촉매활성도 캐탈 (katal) kat 1 s kg·m s2 A· s 2 kg·m W A = s3 · A s4 · A2 C V = kg·m2 kg·m2 V A = s3 · A2 A s3 · A2 V = kg·m2 kg·m2 V · s = s2 · A Wb = s2kg· A m2 kg·m2 Wb A = s2 · A2 K − 273.15 cd· sr lm = cdm·2sr m2 1 s J m2 kg = s2 J m2 kg = s2 mol s 한다. 단, Si 단위중 질량의 단위인 킬로그램 (kg) 만이 역사적인 이유에서 예외적으로 명칭에 접두어가 포함이 된다. 다른 질량 단위의 십진배수 및 분수의 명칭은 ‘접두어+kg’ 가 아니라 ‘접두어+g’의 형태로 표기한다. ( 예를 들면 103 kg 의 경우 톤 (t) 으로 표기 가능 ) 수치값에 따라 실험결과가 크게 달라지며 결과 측정치를 작성할때도 정 확한 접두어 명칭을 사용해야 추후 실험결과 정리 및 분석시 오해를 막을 수 있다. 실험기초지식 Table 1.3: Si 단위계 접두어 수치인자 (factor) 접두어명칭 (한글표기) 접두어명칭 (영어포기) 기호 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 10−1 10−2 10−3 10−6 10−9 10−12 10−15 10−18 10−21 10−24 요타 제타 엑사 페타 테라 기가 메가 킬로 헥토 데카 데시 센티 밀리 마이크로 나노 피코 펨토 아토 젬토 옥토 yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deka deci centi milli micro nano pico femto atto zepto yocto Y Z E P T G M k h da d c m µ n p f a z y 1.2 저항값, 커패시터값 값 읽기 저항기에 따라 여러 가지 방법으로 저항값을 표시하는데, 이 중 색 띠 4 개 를 저항 위에 그려서 표시하는 경우가 있다. 이 경우 저항값을 읽는 방법을 살펴보자.(정밀저항의 경우에는 색 띠 5 개로 표시하고, 칩저항의 경우에는 저항에 바로 숫자를 써 놓는다) 첫째 띠와 둘째 띠는 두자리 저항값 숫자를 나타내고 셋째 띠는 저항값의 단위를 결정한다. 네 번째 띠는 오차범위를 나타낸다. 각 색에 따른 숫자는 다음의 표에서 읽을 수 있다. 예를 들어 다음 그림 1.2(a) 의 칼라코드로 표기된 저항값은 5.2Ω 이며 tolerance 가 +/- 10% 를 의미한다. 그림 1.2(b) 의 칼라코드로 표기된 저항 값은 3.3kΩ 이며 tolerance 가 +/- 0.1% 를 의미한다. 그림 1.2(a) 는 상수 저항값을 가지는 일반적인 저항이며 1.2(b) 와 같이 Figure 1.1: 저항값 color 표기 23 24 기초전자실험 및 설계 Figure 1.2: 저항에 마킹된 color 별 값의 의미 Figure 1.3: 저항값 읽기 예 (b) (a) 저항값을 조절할 수 있는 가변저항도 실험에서 사용하게 된다. Figure 1.4: 저항 (a) (b) 커패시터 마킹은 다음과 같다. 그림 1.2 의 그림에서 왼쪽은 100pF 이고 오른쪽은 1uF 이다. 계산방식은 다음과 같다. 101 = 10 x 101 pF = 100 pF 이며 마킹에 105 일 경우 105 = 10 x 105 pF = 1uF 을 의미한다. 473 으로 마킹되어 있을 경우 473 = 47 x 103 pF = 47nF 를 의미한다. 실험기초지식 25 Figure 1.5: 커패시터 마킹에 의한 값 표기 Figure 1.6: 브레드보드의 구조 1.3 장비, 계측기 활용 1.3.1 브레드보드 브레드보드는 납땜을 하지 않고도 전자회로를 구성해 보고 손쉽게 테스트 를 해볼 수 있도록 도와주는 장비이다. 브레드보드는 천공아래의 많은 납이 도금된 스프링 클립이 있는 플라스틱 구멍이 뚫린 블록으로 구성되며, 두 개의 일련 패키지인 집적회로는 블록의 중앙선을 벌려서 삽입할 수 있다. 브레드보드의 내부 연결 구조는 그림 7.2.3 과 같다. 브레드보드의 위쪽과 아래쪽의 파란색 선과 빨간색 선이 지나가는 부 분은 버스 영역이라 부르며, 빨간색은 +, 파란색은 - 전원 선을 연결한다. 중간의 초록색선은 그림과 같이 세로로 5 칸의 선이 연결되어 있는데 이 부분을 IC 영역이라고 하며, 브레드보드 가운데를 기준으로 위의 5 칸과 Figure 1.7: 브레드보드의 내부 배선에 의한 회로동작 (정상) 아래의 5 칸은 격리되어 있으며 서로 전기가 통하지 않는다. 즉, 그림에 표시된 빨간색, 파란색, 초록색 선은 브레드보드 내부에 금속으로 연결되어 있다는 뜻으로 이 점을 고려하여 회로를 구성해야한다. Figure 1.8: 브레드보드의 내부 배선에 의 26 기초전자실험 및 설계 그림 1.7 은 브레드보드의 내부 배선의 구조를 이해하고 적절하게 회로 를 구성한 결과를 보여준다. 반면 그림 1.8 의 경우 5 칸이 서로 연결되어 있으므로 부품의 단자가 서로 short 되어 정상적인 회로동작이 되지 않음을 나타낸다. 따라서 브레드보드 내부에 배선 형태를 잘 파악하여 적절한 배선 을 연결해야한다. 먄약 그림 1.9 과 같이 저항 3 개를 직렬로 연결하고자 하면 그림 1.3.1 와 같이 선을 연결하면 된다. 개념적인 회로 연결구조를 브레드보드로 연결할 때는 반드시 브레드보드의 내부에 연결된 배선구조를 잘 염두해두고 점퍼 배선을 최소화하면서도 회로의 개념적 연결구조와 유사한 형태로 연결하는 Figure 1.9: 저항 3 개로 구성된 직렬회로 것이 향후에 회로 분석할때 직관적이면서 쉽게 파악할 수 있다. Figure 1.10: 직렬연결회로를 브레드보드에 서 구현한 결과 먄약 그림 1.11 과 같이 저항 3 개를 병렬로 연결하고자 하면 그림 1.3.1 와 같이 선을 연결하면 된다. 개념적인 회로 연결구조를 브레드보드로 연 Figure 1.11: 저항 3 개로 구성된 병렬회로 결할때는 반드시 브레드보드의 내부에 연결된 배선구조를 잘 염두해두고 점퍼 배선을 최소화하면서도 회로의 개념적 연결구조와 유사한 형태로 연결하는 것이 향후에 회로 분석할때 직관적이면서 쉽게 파악할 수 있다. Figure 1.12: 병렬연결회로를 브레드보드에 서 구현한 결과 실험기초지식 27 1.3.2 멀티미터 Figure 1.13: 멀티미터 (디지털, 아날로그), Test Lead, Test Probe 멀티미터는 회로에서 측정할 대표적인 수치인 저항값, 전류값, 전압값을 쉽게 측정할 수 있는 장치로 그림 1.3.2 와 같이 디지털 또는 아날로그 멀 티미터가 있으며 최근에는 대부분 디지털 멀티미터만 사용한다. Test lead 와 Test probe 를 멀티미터에 연결하여 원하는 회로의 특정부분의 전기적 특성값을 측정할 수 있다. 저항값, 전압값, 전류값의 3 가지 측정 모드에 따라 다이얼을 적절히 돌려서 측정하여야 한다. 특히 Test lead 를 연결하는 부분을 해당 모드에 맞도록 꼽도록 하여야 한다. 그림 7.4 와 같이 멀티미터를 사용하기 전에 먼저 저항측정모드로 설정 한뒤 Probe 를 접촉시켜 내부 Fuse 저항을 측정하도록 한다. 보통 소리가 나거나 작은 저항으로 값이 측정되어야 멀티미터가 정상이고 Probe 케 이블도 정상을 의미한다. 만약 소리가 나지 않거나 저항값이 크게 읽히면 장치고장이거나 케이블 연결을 점검하여야 한다. Figure 1.14: 멀티미터와 Probe 의 정상동 작 여부 테스트 주의할 점은 회로에 저항이 전혀 없이 short 전류가 발생하는 회로에 대해 멀티미터로 전류를 측정해서는 안된다. 그림 1.15 와 같이 surge 가 발생하여 멀티미터에 손상을 시킬 수 있으므로 주의하여야 한다. 그림 1.3.2 와 같이 다양한 전자소자가 존재하며 모두 저항 특성을 가 지고 있다. 따라서 멀티미터를 이용하여 그림 7.2 와 같이 저항측정모드로 다이얼을 돌리고 Probe 를 소자 양단에 연결하여 값을 측정할 수 있다. Figure 1.15: 멀티미티로 전류측정시 주의 할 사항 28 기초전자실험 및 설계 Figure 1.16: 멀티미티로 전류측정시 주의 할 사항 만약 회로의 특정 노드값 사이에 전압을 측정하고자 하면 측정 모드를 V 모드로 다이얼을 돌리고, V 포트에 빨간색 Test Lead 케이블을 연결하고 COM 단자에 검은색 Test lead 를 연결하고 난뒤 해당 노드에 Probe 를 접촉시켜야 한다. 전체 연결구성도는 그림 7.6 와 같다. Figure 전압, 전류 Figure 1.18: 1.17: 멀티미터를 멀티미터를 이용한 이용하여 저항값 측정 측정 (a) (b) 만약 회로의 특정 노드 지점을 통과하는 전류를 측정하고자 하면 측정 모드를 A 모드로 다이얼을 돌리고, A 포트에 빨간색 Test Lead 케이블을 연결하고 Probe 를 측정지점에 연결하고 다시 같은 지짐을 검은색 Probe 로 연결한뒤 COM 단자에 검은색 Test lead 를 연결시켜야 한다. 전체 연결 구성도는 그림 7.9 와 같다. 1.3.3 전원공급기 전원공급기는 일정이상의 전류공급을 보장하면서 내부 저항에 의한 전압 강하가 되지 않도록 일정한 전압을 공급할 수 있도록 설계된 특수한 장비 이다. 전압값과 허용전류공급값을 다이얼을 이용하여 Programmable 하게 조절할 수 있으며 본 실험에서 사용할 장비는 2 채널을 가지고 있어 동시에 실험기초지식 29 2 개의 전압원, 전류원으로 사용할 수 있다. 그림 1.3.3 는 본 실험수업에서 사용할 장비로 다음의 기능을 제공한다. Figure 1.19: 디지털 전원공급기 (ODAOPE-303QI) 1. Programmable DC Power Supply 2. Constant Voltage / Constant Current 모드 지원 3. 절연된 2 채널 가변출력 제공 4. 5V/2A or 3.3V/A Select 가능한 고정출력 지원 5. 15V/1A or 12V/1A Select 가능한 고정출력 지원 6. 동작모드를 최대 5 개까지 저장 및 복귀기능 지원 7. RS-232C 를 이용하여 외부 장비 연동지원 1.3.4 함수발생기 함수 발생기 (函數發生機, Function generator) 는 전자 시험 장비 혹은 소프트웨어의 한 종류로, 전자 신호인 파형을 발생시키기 위한 장치이다. 본 실험에서 사용할 함수발생기 장비는 그림 1.20 와 같다. 가장 일반적인 파형으로는 사인파 (sine), 방형파 (square), 삼각파 (triangular), 톱니파 (sawtooth) 등이 있다. 보통 주기적 신호를 만들어 내는데 Figure 1.20: 실험에서 사용할 함수발생기 사용한다. 고성능의 장비로는 컴퓨터와 연결하여 단발성 파형등을 만들기 (HM8030-5) 도 한다. 30 기초전자실험 및 설계 Figure 1.21: 함수발생기 전면부 Figure 1.22: 함수발생기의 사용법 전자공학 실험에서 실험용 신호가 필요할 경우 유용하다. 각 모듈별 실험을 할 경우나 기타 디버깅용 신호를 입력할 때 신뢰성 있는 신호로 사용할 수 있다. 신호의 모양과 요소를 변화할 수 있도록 다양한 옵션을 설정할 수 있다. 1.3.5 오실로스코프 오실로스코프 (oscilloscope) 는 특정 시간 간격 (대역) 의 전압 변화를 볼 수 있는 장치이다. 주로 주기적으로 반복되는 전자 신호를 표시하는데 사용한 다. 이 기기를 활용하면 시간에 따라 변화하는 신호를 주기적이고 반복적인 하나의 전압 형태로 파악할 수 있다. 일반적으로 오실로스코프는 전자적 신호의 특정 파형 관찰에 쓰인다. 대부분의 오실로스코프에는 사용자가 눈으로 신호를 파악할 수 있도록 Figure 1.23: 실험에서 사용할 오실로스 코프 실험기초지식 31 시간과 전압에 따른 눈금도 표시되어있다. 이는 파형의 전압 최소 / 최대치, 주기적 신호의 빈도, 펄스 간의 시간, 관련 신호 간의 시차 등을 분석할 수 있게 한다. 멀티미터가 전압, 전류, 저항 등의 특징적 신호의 크기만을 표시 한다면, 오실로스코프는 신호의 시간적 변화에 따른 신호모양 까지를 표시하므로 회로 설계자에게 신호처리 시 많은 정보를 준다. 신호의 입력은 주로 2 또는 4 개의 신호를 동시에 표시한다. 본 실험에서 사용할 오실로스크포 장비의 특징은 다음과 같다. 오실로스코프의 상단에는 그림 4 에 나온 " 수평" 컨트롤이 있다. 큰 노 브는 수 평 스케일링을 초 / 눈금으로 설정한다. 이 컨트롤은 표시된 파형 의 X 축 스케일 링을 설정한다. 하나의 수평 " 눈금" 은 각 수직 격자 라인 사이의 Δ 시간이다 . 더 빠른 파형 (높은 주파수 신호) 을 보려면 수평 스 케일링을 더 작은 sec/div(초 / 눈금) 값으로 설정한다. 저속 파형 (낮은 Figure 1.24: 실험에서 사용할 오실로스코 주파수 신호) 을 보려면 수평 스케일 링을 보통 더 큰 sec/div(초 / 눈금) 프 사양 (DSOX1102A-70Mhz) 값으로 설정한다. 수평 섹션의 작은 노브는 파형의 수평 위치를 설정한다. 즉, 이 컨트롤을 사용하면 파형의 수평 위치를 왼쪽 및 오른쪽으로 이동할 수 있다. 스코프의 수평 컨트롤 (s/div 및 위치) 을 종종 스코프의 주 " 타임 베이스" 컨트롤이라고 한다. 오실로스코프 하단 수직 섹션 (입력 BNC 바로 위) 의 컨트롤 / 노브 (그 림 5 참조) 는 오실로스코프의 수직 스케일링을 설정한다. 2 채널 오실로 Figure 1.25: 오실로스코프 수평 (X 축) 컨트롤 스코프를 사용하 는 경우 두 쌍의 수직 스케일링 컨트롤이 있을 것이다. 4 채널 오실로스코프를 사용하는 경우 네 쌍의 수직 스케일링 컨트롤이 있을 것이다. 수직 섹션에 있는 각 입력 채널의 더 큰 노브는 수직 스케일링 계수를 Volts/division(볼트 / 눈금 ) 단위로 설정한. 이것은 파형의 Y 축 그래픽 스케일링이다. 하나의 수직 " 눈금" 은 각 수평 격자 라인 사이의 Δ 볼트 이다. 상대적으로 큰 신호 (높은 피크 대 피크 전압) 를 보려면 일반적으로 Volts/div(볼트 / 눈금) 설정을 상대적으로 높 은 값으로 설정한다. 작은 입력 신호 레벨을 보는 경우 Volts/div 설정을 상대 적으로 낮은 값으로 설정한다. 수직 섹션에 있는 각 채널의 더 작은 컨트롤 / 노 브는 위치 / 오 프셋 컨트롤이다. 이 노브를 사용하면 화면에서 파형을 위, 아래 로 이동할 수 있다. 본 실험 수업에서 실험을 진행할 때 그림 1.3.5 과 같이 다양한 케이블 Figure 1.26: 오실로스코프 수직 (Y 축) 컨트롤 기초전자실험 및 설계 32 Figure 1.27: 실험실에서 사용할 케이블류 을 사용하여야 한다. 팀별 자리에 비치되어 있지 않고 별도의 공용실험 장비함에 있으므로 필요한 케이블을 가져다 사용하고 난뒤 실험이 끝나면 반납하도록 한다. 1.4 PSpice 를 이용한 시뮬레이션 1.4.1 프로젝트 생성 설치된 PSpice 를 시작하기 위해서 시작-프로그램에서 아래 그림 1.28 에서 와 같은 아이콘을 클릭한다. 상단 왼쪽 메뉴에서 File - New Project 를 선택한다. Figure 1.29: 새 프로젝트 실행 Figure 1.28: PSpice 프로그램 실행 실험기초지식 새 프로젝트를 생성하기 위한 속성을 기입하는 창에서 아래와 그림 1.28 와 같이 설정하고 Ok 버튼을 누른다. 1. Project name 입력. 2. Analog or Mixed A/D 선택. 3. Location(Project 저장 위치) C:/workspace/pspice/EX_01 지정 1. Create a blank project 선택. 2. Ok 클릭. Figure 1.30: 프로젝트 설정 4 1 2 3 기존에 작업하던 프로젝트가 있다면 해당 프로젝트를 선택하고 다시 열어서 작업하거나 아래 그림 1.4.1 와 같이 새프로젝트로부터 시작할 수 있다. 여기까지 완료하면 빈 프로젝트가 아래 그림 1.4.1 와 같이 만들어지며 회로 부품, 배선을 배치할 준비가 된 상태가 된다. 1.4.2 사용할 라이브러리 (부품) 추가 PSpice 에서 사용할 부품은 라이브리형태로 구현되어 있으며 일반적인 부품은 설치된 폴더안에 있는 부품 라이브러리를 이용하면 된다. 직접 설계 33 34 기초전자실험 및 설계 Figure 1.31: Blank 프로젝트로부터 시작 2 1 Figure 1.32: Blank 프로젝트 화면 (회로 배치위한 빈 페이지) 한 특수한 부품의 경우 라이브러리를 직접 제작하여야 한다. 그림 1.33 와 1 같이 Place parts 메뉴를 클릭하여 라이브러리를 추가할 수 있다. 중간에 Add library 아이콘을 클릭하여야 한다. 1. Place Place Parts 메뉴를 클릭하거나 or 단축키 p 를 이용. 2 2. Add Library 아이콘 클릭. PSpice 를 설치한 경로에 아래에 라이브러리 파일들이 존재하며 이를 선택하여 추가하여야 한다. 그림 1.4.2 와 같이 해당 폴더까지 이동하여 필요한 라이브러리들을 모두 추가하면 된다. 본 실험에서는 모든 파일을 선택하여 추가하기로 한다. 1. C:/OrCAD/OrCAD_16.6_Lite/tools/capture/library/pspice 경로 를 선택. 2. 모든 파일을 선택 (혹은 ctrl+a 키 입력) 하고 열기 아이콘 클릭. 이제 Place Parts 창 아래에 보면 사용가능한 라이브러리들이 정상적 으로 보이게 된다. 우리는 이 부품들 가운데 필요한 것을 선택해서 사용할 것이다. Figure 1.33: Place parts 화면 (단축키 p) 실험기초지식 Figure 1.34: 추가할 라이브러리 경로 지정 및 파일 선택 1 2 1. 라이브러리가 정상적으로 추가되었는지 확인. 2. Part List 메뉴에서 필요한 부품을 선택하고 추가한다. 1.4.3 회로부품 배치 및 배선연결 1 이제 부품을 배치하고 wire 를 이용하여 배선작업을 수행한다. 해당 컴포 넌트는 더블클릭 하거나 오른쪽 클릭하여 속성을 선택하면 값을 변경할 수 있다. 1. Place - Wire 또는 단축키‘w’를 이용하여 Wire 선택 2. 마우스 왼쪽 버튼 클릭을 통해 Wire 연결 Figure 1.35: 추가된 라이브러리 확인 3. VDC V1 의 0Vdc 마우스 오른쪽 클릭 - Edit Properties 4. 5V 로 변경 5. 동일하게 R R1 도 2K 로 변경 1.4.4 Simulation 셋업 및 Run 시뮬레이션 방법 및 옵션을 설정하고 관찰하고자 하는 위치 (전압, 전류 등) 을 지정하고 실제로 시뮬레이션을 시작하여야 한다. 아래 그림 1.4.4 은 새로운 시뮬레이션 프로파일을 설정하는 화면이다. 시간에 따른 회로 동작변화를 관찰하기 위해 analysis type 에서 time domain (transient) 를 선택한다. 35 36 기초전자실험 및 설계 1 3 2 Figure 1.36: 부품 배치 및 wire 연결, 그리고 속성 값 변경 4 4 5 1 Figure 1.37: Simulation Setting 2 3 1. PSpice - New Simulation Profile 2. 시뮬레이션 이름 EX_01 로 지정 - Create 3. Simulation Settings 팝업 - 확인 시뮬레이션 Run 을 수행하기 전에 원하는 관찰지점을 Marker 를 이용 하여 그림 1.38 와 같이 지정한다. 본 예제에서는 저항 R 양단의 전압 차이 를 지정하였다. 시뮬레이션 Run 을 수행하면 그림 1.38 의 아래 그림처럼 4 5 Run 각 노드의 전압 전류들의 바이어스 값이 표현되며 별도의 창에 그림 1.4.4 와 같이 시간에 따른 전압 변화값이 파형으로 나타나게 된다. 6 1. PSpice - Markers - Voltage Differential 선택 Figure 1.38: 관찰지점 지정 및 시뮬레이션 실행결과 실험기초지식 37 2. 저항 양단으로 지정 3. PSpice - Run Figure 1.39: 관찰지점의 시간에 따른 전압 변화 값 (5V 로 일정함) 5V 1.4.5 DC Sweep 시뮬레이션 Simulation 셋팅메뉴에서 DC Sweep 으로 설정하여 입력 전압값을 가변시 키면서 반복 시뮬레이션을 수행해보자. New Simulation 메뉴을 실행하고 시뮬레이션 이름을 지정한다. 1. EX_02 로 새 프로젝트 생성 2. PSpice - New Simulation Profile 3. 시뮬레이션 이름 EX_02_1 로 지정 - Create 이후에 그림 1.4.5 와 같이 Simulation Settting 창이 뜨면 Simulation type 에 DC Sweep 을 선택한다. 1. Analysis type: DC Sweep 선택 2. Sweep variable - Voltage source 체크 3. Voltage source Name: V1 4. Sweep type - Start value: 0, End value: 5, Increment: 0.01 38 기초전자실험 및 설계 Figure 1.40: DC Sweep 을 이용하여 전압 변화에 따른 회로 동작 검증하기 위한 Simulation Setting 1 2 3 4 5. 확인 저항으로 흐르는 전류를 측정하기 위해 그림 1.41 지점에 아래 메뉴을 활용하여 마커를 삽입한다. 이후에 시뮬레이션 Run 을 수행하면 그림 1.42 과 같이 입력 전압의 증가에 따라 저항으로 흐르는 전류가 증가하는 회로 동작을 확인할 수 있다. 1. PSpice - Markers - Current Into Pin 선택 2. 저항 앞단으로 지정 Figure 1.41: 특점 지점에 흐르는 전류량 관찰지점 삽입 3. PSpice - Run A V Figure 1.42: DC Sweep 시뮬레이션을 이용하여 입력전압에 따른 전류변화 측정 시뮬레이션 결과 2 전압, 전류, 저항 2.1 전기의 역사 전기적 현상의 역사는 기원전 600 년경으로 거슬러 올라간다. 당대의 그리 스 철학자인 탈레스는 모피로 마찰한 호박에 정전기가 발생하여 먼지 같은 작은 물체가 달라붙는 것을 관찰하였다고 한다. 이후 18 세기 중반 네덜란 드의 뮈스헨브루크와 독일의 클라이스트가 각각 비슷한 시기에 정전기를 저장하는 용도로 라이덴병이라 불리는 장치를 만들게 된다. 이것이 가장 원 시적인 형태의 축전기이다. 얼마 지나지 않아 미국의 프랭클린은 비가 오는 날 연줄에 열쇠를 달아 연을 띄운 뒤 열쇠에 불꽃이 튀는 것을 보고 번개가 전기임을 입증한다. 그리고 벼락이 뾰족하거나 높은 곳에 잘 떨어지는 것을 알아낸 프랭클린은 결국 피뢰침을 발명하여 벼락으로 인한 피해를 줄이는 데에 큰 기여를 하게 된다. 1800 년 이탈리아의 볼타는 아연판과 구리판 사이에 전해액을 적신 헝겊 을 끼운 것을 여러 층으로 쌓아올려 전류를 지속적으로 발생시켜주는 장치 를 개발한다. 이것은 볼타의 이름을 따서 볼타 전지라 불리게 되는데, 정전 기를 모아 한꺼번에 방전시켜 버리는 라이덴병과 달리 비교적 안정적으로 지속적인 전류를 발생시키는 장치였다는 점에서 매우 의의가 있다. 오늘날 사용하는 전압의 단위인 V(볼트) 역시 그의 이름에서 딴 것이다. 1827 년 독일의 옴은 수많은 전기 실험 끝에 ‘전류는 전압에 비례하고 저항에 반비 례한다’는 옴의 법칙을 발견, 제시한다. 그는 또한 도선을 흐르는 전류는 도선의 길이에 비례하고 도선의 면적에 반비례한다는 사실 또한 알아내게 된다. 오늘날 옴의 업적을 기리기 위해 저항의 단위로 그의 이름을 딴 옴 (Ω) 을 사용한다. 40 기초전자실험 및 설계 2.2 전류 전류는 단위 시간당 어떤 단면 (예를 들어 도선과 같은 물체의 한 단면) 을 통과하는 전하량으로 정의되며 아래의 식으로 나타낸다. I= dQ dt (2.1) ΔQ I (A) 는 전류, Q (C) 는 전하량, t (s) 는 시간을 나타낸다. 1 A=1 C/s, 즉 1 A 는 1 s 동안 1 C 의 전하가 흐르는 것을 의미한다. 여기서 전하란 모든 전기적 현상의 근원이 되는 물리량으로서 그 종류에는 음전하와 양전하가 있으며 전자와 양성자 같은 입자들이 각각 음전하와 양전하를 띈다. 전자 Figure 2.1: 시간 ∆t 동안 도선의 한 단면을 또는 양성자 한 개의 전하량은 약 1.602 ∗ 10−19 C 이며 이를 기본 전하라 통과하는 전하량 ∆Q 한다. 전기회로에서 전자는 음극에서 양극으로 흐르지만 전류의 방향은 관례적으로 양전하가 흐르는 방향으로 정한다. 2.3 전압 전압이란 전기장 내 두 점 사이의 전위차이다. 여기서 전위란 단위 전하 당 전기 위치에너지를 말한다. U ( B) U ( A) ∆U ∆V = V ( B) − V ( A) = − = q q q (2.2) ΔV (V) 는 전위차, V 는 전위 (V), U 는 전기 위치에너지 (J), q 는 시험 전하의 전하량 (C) 을 나타낸다. 농구공을 손에 잡고 있다가 놓으면 지표면 을 향해 자유낙하 하듯이 전기장 내에 시험 전하를 놓아두면 전위차에 의 E + + + + + + + A B q q - Figure 2.2: 전기장 내에서 A 에서 B 로 이동하는 시험 전하 해 가속하게 된다. 전기 회로에서 전위차는 전하를 흐르게 하는, 즉 전류를 발생시키는 원인으로 전위차가 0 이면 전류 또한 발생하지 않는다. 그림 2.3 VA 의 전기 회로에서 전원이 공급하는 전압만큼 저항 양단에 전위차가 생기고 전원의 양극에서 음극을 향하는 방향으로 저항을 지나는 전류가 만들어진 다. (VA > VB ) 2.4 저항 전 원 + - I VB Figure 2.3: 간단한 전기회로 저항은 물체 내에서 전하가 흐름이 방해받는 정도를 나타내는 물리량이다. 물체의 저항은 물체의 비저항이 클수록, 길이가 길수록, 단면적이 작을수록 저 항 전압, 전류, 저항 41 커진다. L R=ρ L A 𝜌 (2.3) R (Ω) 은 물체의 저항, L (m) 은 길이, A (m2 ) 는 단면적, ρ (Ωm) 는 비저 항 (또는 저항률 또는 고유저항이라 함.) 을 나타낸다. 전하의 흐름이 방해 A I Figure 2.4: 전류 I 가 흐르는, 비저항, 길이 L, 단면적 A 인 저항체 받는 이유, 즉 저항이 생기는 원인은 전자와 같이 전하를 운반하는 입자가 그 물질을 구성하는 입자, 즉 원자들과 충돌하기 때문이다. 물질마다 원자 의 배열상태가 다르고 전하의 흐름에 미치는 영향이 다르기 때문에 동일한 길이와 면적을 갖는 도선이라도 물질이 다르면 저항 또한 달라진다. ▶옴의 법칙 : 전기 회로에서 전류의 세기는 두 점 사이의 전위차, 즉 전압에 비례하고 저항에 반비례한다. ∆V R (2.4) ∆V = IR (2.5) I= R= ∆V I (2.6) 옴의 법칙에서는 전류와 전압 사이에 비례 관계가 성립하지만 (저항은 그 비례상수와 같다.), 사실 물질에 따라 전류가 전압의 제곱에 비례하거나 또 다른 어떤 복잡한 관계를 가질 수도 있다. 옴의 업적은 여기서 전류와 전압의 정비례 관계를 찾아낸 것이다. + ΔV - I R Figure 2.5: 옴의 법칙에서의 ∆V, I, R 파라미터 3 직렬과 병렬 3.1 저항의 연결 방법 회로망에서는 일반적으로 여러 개의 저항이 직렬, 병렬 또는 직 / 병렬 혼 합으로 결선이 되어있다. 이러한 회로망에서는 흐르는 전류 및 가해지는 전압을 구하고 제어하는데 있어서 직 / 병렬회로의 저항을 이해하는 것은 매우 중요하다. 3.2 직렬 연결 직렬연결구조는 한 소자의 끝 부분이 다른 소자의 첫 부분과 연속적으로 접속된 형태를 말하며 모든 저항에 흐르는 전류가 동일하고 전압은 저항에 비례 하게 된다. Figure 3.1: 직렬연결 회로의 등가회로 𝑅1 I - 𝑅2 + 등가회로 + V V I - 𝑅𝑂 𝑅3 그림 3.2 과 같은 회로에서는 3 개의 저항 R1 , R2 , R3 가 직렬로 연결되어 있다. 이 3 개의 저항을 한 개의 저항 R0 로 대치하고자 한다고 가정 하였을 기초전자실험 및 설계 44 때, 그림의 회로는 옴의 법칙을 적용하면 V1 = IR1 V2 = IR2 (3.1) V3 = IR3 와 같은 식을 통하여 나타낼 수 있으며 전체전압은 V = V1 + V2 + V3 = R1 I + R2 I + R3 I (3.2) = ( R1 + R2 + R3 ) I 위와 같은 식으로 나타낼 수 있다. 등가회로에서 성립하는 간단한 방정 식 V = Ro I (3.3) 과 비교했을 때 다음과 같은 등가저항을 얻을 수가 있게 된다. R o = R1 + R2 + R3 3.3 (3.4) 직렬회로의 측정 방법 𝑉 처음에 흐르는 전체 전압과 전류를 측정한 뒤, 세 개의 저항체를 직렬로 연결하여 저항 값을 읽은 다음 전원장치와 연결을 한 후 각 저항을 사이에 두고 회로의 코일의 전압들을 측정한 후 측정된 전압들의 합이 전체 전압 과 유사한지 확인하고, 전압과 전류를 이용하여 (R = VI ) 저항을 계산한다. 3.4 𝑉1 𝑉2 𝑅1 𝑅2 𝐼1 𝐼2 V I 병렬 연결 병렬연결구조는 2 개 이상의 소자가 동일한 전압원에 연결되어 있고 다른 전류 통로를 형성한다. 여기서 지로 (branch) 란, 병렬로 접속된 회로에서 각각의 전류가 흐르는 통로를 뜻하며, 각 지로 (branch) 를 통하여 흐르는 전류의 세기는 그 지로 (branch) 의 저항과 반비례한다. 직렬회로에서 성립되는 관계식은 병렬회로에도 비슷하게 적용될 수 있 Figure 3.2: 직렬회로의 전압측정 방법 A 직렬과 병렬 𝐼𝑂 Figure 3.3: 병렬연결 회로의 등가회로 𝐼1 𝐼2 𝐼3 𝑅1 𝑅2 𝑅3 - + 등가회로 + V V 𝐼𝑂 𝑅𝑂 - 다. 저항 R1 , R2 , R3 가 병렬로 연결되어 있는 회로에 옴의 법칙을 적용하면 다음과 같은 관계식이 성립하게 된다. I1 = V V V , I2 = , I3 = R1 R2 R3 (3.5) I = I1 + I2 + I3 V V V + + R1 R2 R3 1 1 1 + + )V =( R1 R2 R3 = (3.6) 이를 오른쪽 그림의 등가회로에서 성립하는 관계식인 I0 = V R0 (3.7) 와 비교하면 다음과 같은 등가저항을 얻을 수 있다. 1 1 1 1 + = + R0 R1 R2 R3 3.5 (3.8) 병렬회로의 측정 방법 V 처음에 흐르는 전체 전압을 측정한 뒤, 세 개의 저항체를 병렬로 연결하여 V 저항 값을 읽은 다음 전원장치와 연결을 한 후 각 저항체와 저항체의 병 𝑅1 렬연결이 될 코일을 따로따로 연결하여 전류를 측정한 후 (이 때, 연결된 저항과 코일이 닿지 않도록 유의해야한다.) 측정된 전류와 전체전압 (병렬 𝑉1 회로에서 전압은 변화 되지 않음) 으로 저항을 계산한다. 𝑅2 I A 𝑉2 Figure 3.4: 병렬회로 측정 𝐼1 𝐼2 45 46 기초전자실험 및 설계 3.6 직 / 병렬연결 직 / 병렬회로는 직렬연결과 병렬연결이 조합된 회로 형태이며, 전체 저항 은 직렬회로와 병렬회로를 구분하여 순차적으로 구해야 한다. 𝑅1 𝑅1 B 𝐼1 𝐼2 𝑅2 𝑅3 Figure 3.5: 직 / 병렬회로의 등가회로 A A A 𝑅1 + (𝑅2 ԡ𝑅3 ) 𝑅2 ฮ𝑅3 B B 그림 3.6 와 같은 직 / 병렬회로에서는 직렬 및 병렬회로에서 성립하는 관계식을 조합하여 원하는 결과를 얻을 수 있다. 먼저 R2 와 R3 는 병렬회 로를 구성하고 있으므로, 이들의 등가저항인 R2 || R3 는 R2 || R3 = R2 R3 R2 + R3 (3.9) 로 주어진다. 또한 R1 과 R2 || R3 는 직렬회로를 구성하고 있으므로 그림 3.6 의 전체회로의 등가저항인 Req 는 다음 식을 만족하게 된다. Req = R1 + ( R2 || R3 ) R1 + 3.7 (3.10) R2 R3 R2 + R3 직렬 및 병렬연결의 전압분배법칙 출력단에 부하전류가 흐르지 않는다는 가정 하에, 전압분배법칙은 회로의 출력전압을 계산하는데 사용될 수 있다. 다음은 직렬연결에서의 전압분배 회로이다. 전압분배법칙에서는 저항이 커질수록 더 큰 전압이 인가된다. 𝑅2 3.75V 𝑅1 3.75V 1 𝑉𝑂𝑈𝑇 1 7.5V 그림 3.6 과 같은 직렬회로에서 전류는 동일하게 흐르므로, 7.5V N Req = R1 + R2 + R3 + ... + R N = ∑ R N n =1 (3.11) Figure 3.6: 직렬회로의 전압분배법칙 직렬과 병렬 일 때, 다음과 같은 식이 성립된다. V R1 + R2 (3.12) Vout = IR2 (3.13) I= 위 식을 아래의 Vout 에 대입하면 Vout = R2 V R1 + R2 (3.14) 와 같이 분배된 출력전압을 계산하는 공식이 만들어진다. 즉 위의 식에 7.5V 따라서 R1 과 R2 에 흐르는 전압은 각각 3.75V 가 된다. 그림 3.7 과 같은 1 7.5V 병렬회로의 경우에는 모든 전압이 각 저항마다 동일하게 흐르게 되어 7.5V 𝑉𝑂𝑈𝑇 가 그대로 흐르게 된다. 1 7.5V 7.5V Figure 3.7: 병렬회로의 전압분배법칙 3.8 병렬연결의 전류분배법칙 전자공학에서, 전류분배법칙은 병렬로 다른 임피던스와 연결되었을 때 임피던스나 다른 회로를 통하여 흐르는 전류를 계산하는데 사용한다. 전류 분배법칙은 전압분배법칙과 유사한 개념이지만, 가장 다른 점으로는 방정 식의 계산자가 고려되지 않는 임피던스라는 것이다. 만약, 두 개 이상의 임 피던스가 각각 병렬로 연결되면, 흐르는 전류는 옴의법칙으로부터 저항에 𝑅1 𝐼𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑉1 반비례하여 분배된다. 만약 임피던스가 동일한 값을 가지고 있다면 전류는 𝑅2 저항에 비례하여 같은 값으로 분배된다. 즉, 전류분배는 저항의 크기에 따라서 달라지게 된다. A 직렬연결에서의 단일 루프에서 같은 전류가 흐르는 원리라면, 병렬연결 𝑉2 의 단일 루프에서는 같은 전압이 흐르며, 전류는 다음과 같은 식을 통하여 분배된다. Figure 3.8: 전류분배법칙 Itotal = I1 + I2 I1 = R2 I R1 + R2 total (3.15) (3.16) 𝐼1 𝐼2 47 48 기초전자실험 및 설계 I2 = R1 I R1 + R2 total (3.17) 4 직류와 교류 4.1 서론 및 배경 전기는 현대 산업기술 뿐만 아니라 일상생활에서도 다양하게 사용되고 있 다. 갑자기 전기가 없어진다면 공장 혹은 회사에서는 모든 생산 및 업무가 중단될 것이고 가정에서는 냉장고, 전등 등을 사용할 수 없고 휴대폰과 같이 현대사회에서 필수적인 전자기기 또한 사용하지 못할 것이다. 전기는 현대사회와 기술의 핵심 요소이자 기반이다. 이렇게 중요하고 널리 사용 되는 전기를 만드는 것을 발전이라 하며, 발전하는 방법에는 원자력, 화력, 수력, 풍력, 태양광 그리고 조력 등이 있다. 하지만 전기를 만드는 원리는 동일하다. 직류라는 전기를 생산하는 태양광이나 연료전지 등을 제외한 대 전압,전류 부분의 방식은 교류라는 전기를 생산하기 위하여 발전기를 돌려 기계적인 힘을 전기적인 힘으로 바꾸어 준다. 그렇다면 직류와 교류는 무엇일까 ? 직류는 시간에 대해 전압 혹은 전류가 한 방향으로 즉, 높은 전위에서 낮은 시간 전위로 연속적으로 흐르는 전기이며 교류는 시간에 대해 전압과 전류의 직류 크기와 방향이 바뀌는 전기이다. 그림 4.1 에서 직류는 전압 혹은 전류의 극성은 바뀌지 않지만 크기는 바뀔 수 있음을 유의하자. 전압,전류 1880 년대 미국 뉴욕에서 토마스 알바 에디슨과 니콜라 테슬라는 전기산 업의 주도권을 두고 전류전쟁을 벌였다. 미국의 발명가로 유명한 에디슨은 시간 전기의 송전을 위하여 직류 송전을 주장하며 발전소에서 생산한 전기를 가정이나 사업자에게 직류 방식으로 전달하는 송전 시스템을 개발했다. 직류 송전은 전력 손실이 거의 없이 장거리 송전이 가능하며 전자파가 발생하지 않는 장점을 가졌지만 송전선의 길이에 따라 전압 변동성이 커 장거리 송전에는 불리하다는 단점을 가지고 있었다. 이 때, 테슬라는 직류 교류 Figure 4.1: 직류와 교류 기초전자실험 및 설계 50 송전 방식의 대안으로 교류 방식을 통한 송전 시스템을 제안하였다. 교류 방식은 변압기만 있으면 자유롭게 전압을 바꿀 수 있고 전력손실이 적어 송전에 필요한 변전소의 숫자도 줄일 수 있었다. 결국, 테슬라가 발표한 교류 방식의 높은 안전성과 효율성으로 국제적으로 송전과 배전 시스템에 사용되게 되었다. 그 이후로 현재까지도 장거리 송전에는 전력 수송에 유 리한 교류방식을 사용하고 있으며 가정에 사용되는 전기 등 우리 주변에서 볼 수 있는 대부분의 전기가 교류이다. 이에 반해, 직류는 교류에 비해서 차단하기가 어렵고 또한 직류를 얻으려면 정류를 해야 한다는 단점이 있어 사회전반에 걸쳐 직류보다 교류를 활발히 사용하고 있다. 하지만 직류는 출력 전압 및 전류가 일정하다는 특성을 가져 충전이 가능하기 때문에 각 종 건전지와 휴대폰, 노트북 등과 같은 휴대용 배터리에 적용되었다. 또한 직류 방식은 풍력과 태양력 등 재생에너지로 만든 전력을 다루는데 적합 하다. 사회전반에 걸쳐 널리 쓰이는 전류는 교류이지만 역간 거리가 짧고 역사가 오래된 지하철의 전차와 라디오, 텔레비전, 컴퓨터 등의 전자기기는 직류를 사용한다. 컴퓨터의 전원을 콘센트에 꽂으면 기기 속에 내장되어 있는 정류기에 의해 교류전기가 직류전기로 변환된다. 이는 내부에 집적회 로가 들어 있어 직류 전원이 요구되기 때문이다. 그리고 기술이 발전함에 따라, 높은 전압의 장거리 송전이 가능한 고압 직류 송전의 개발로 인해 기존에 가지고 있던 장거리 송신에 대한 약점도 극복할 수 있게 되었다. 현재는 에디슨이 제시한 직류와 테슬라가 제시한 교류 모두 각각의 장점을 활용하여 산업, 가정, 일상생활, 전자기기 등에 널리 사용되고 있다. 4.2 직류와 교류 직류는 시간에 대해 전압과 전류의 방향이 변하지 않으며 교류와 달리 저 장이 가능하여 배터리나 건전지에 사용된다. 직류는 전하의 방향과 극성이 항상 똑같으므로 직류를 사용하는 건전지는 극성의 방향이 변하지 않기 때문에 + 방향과 -방향을 잘못 꽂으면 기기가 제대로 작동하지 않는다. 일 반적으로 가정에서 쓰이는 전기는 교류이지만 직류는 전류의 세기가 고르 기 때문에 전자 제품에 손상을 주지 않아 집적회로를 포함한 전자제품에서 주로 사용된다. 교류는 시간에 대해 전류의 크기와 방향의 변화가 일어난다. 교류의 크기와 방향을 시간에 따라 나타낸 것을 파형이라고 하며 교류에는 다양한 직류와 교류 전압,전류 전압,전류 시간 사인파 직사각형파 전압,전류 전압,전류 시간 계단파 시간 사다리꼴파 전압,전류 Figure 4.2: 교류 파형의 종류 전압,전류 시간 51 시간 삼각파 시간 펄스파 파형이 존재한다. 그림 4.2 에서 파동이 사인 함수 모양을 띄는 정현파는 전압,전류 변압기를 이용하여 쉽게 전압의 크기를 올리거나 내릴 수 있어 일반적인 주기 교류로 가장 많이 사용된다. 또한, 정류 장치를 이용하여 직류를 얻을 수 시간 (초) 0 있으며 증폭이 쉽고 회로의 차단이 용이하다. 그림 4.2 에서 볼 수 있듯이 직류와 달리 교류는 주파수와 주기를 가진 1 1 사이클 6 사이클 다. 사이클은 주기적인 파형이 하나의 완전한 주기를 완료하고 다시 처음 의 상태로 되돌아가기 전까지의 변화를 의미하며 주기 (period: T) 는 한 사이클을 완료하는데 걸리는 시간이다. 주파수 (frequency: f ) 는 1 초동안 반복되는 사이클의 수이므로 주기와 주파수는 반비례 관계를 가진다. 그림 4.3 에서 주파수의 단위는 헤르츠 (Hertz) 로서 [Hz] 를 사용한다. 우리나라 는 60 Hz 를 표준으로 사용하고 있다. 즉, 1 초에 60 번의 사이클을 가지는 교류를 사용한다는 뜻이다. 정현파는 다음과 같은 수식으로 나타난다. v(t) = Asin(wt + θ ) (4.1) A 는 정현파의 진동폭을 결정하는 진폭 (amplitude: A) 이고 전체 진 동폭은 첨두치 (peak-to-peak voltage: Vpp) 라 한다. 그리고 w 는 진동 속도를 결정하며 각주파수 (angular frequency) 라 한다. 단위는 rad/sec 이며, 단위시간당 진동회수를 나타내는 주파수 (frequency) f 와 w = 2π f 의 관계를 가진다. 교류 전압은 위 수식과 같이 시시각각으로 크기와 방향 이 변하여 정현파의 크기를 나타내는 값으로 실효치 (root mean square: rms) 값을 주로 사용한다. 우리나라에서 사용하는 220 V 의 전압 또한 교 류 전압의 실효값을 의미하며, 모든 나라에서 부르는 교류 전압은 실효값을 Figure 4.3: 6 Hz 정현파 파형 52 기초전자실험 및 설계 의미한다. 실효값은 다음과 같이 정의된다. s Vrms = 1 T Z T 0 v2 (t)dt (4.2) 정현파에서 Vrms 와 진폭과의 관계는 다음과 같다. Vpp A Vs = √ = √ 2 2 2 (4.3) 함수발생기를 이용하면 정현파 (사인파), 구형파 그리고 삼각파를 발생 시킬 수 있고 발생되는 교류신호의 첨두치 및 주파수를 조절할 수 있다. 이렇듯 교류는 주파수와 주기를 가지며 방향이 일정하지 않기 때문에 가정 에서 교류로 쓰는 콘센트는 직류를 사용하는 배터리와 달리 방향을 바꾸어 꽂아도 작동을 한다. 교류의 주파수는 특성은 전자회로에서 인덕터와 커패 시터에도 적용된다. 인덕터에 교류전압을 걸어주면 인덕터는 저항처럼 작 동하며 이러한 성질은 교류의 주파수가 높을수록 커진다. 또한, 커패시터는 직류 전류가 진행할 수 없지만 교류는 전류의 방향이 주기적으로 바뀌며 커패시터의 두 극에서 충전과 방전이 반복되기 때문에 전류가 흐르는 효과 를 나타내며 주파수가 높을수록 많은 전류가 흐른다. 특히, 일상생활에서 주파수 특성을 가지는 교류전기가 사용되는 대표 적인 예는 음향 분야이다. 교류의 주파수는 음향의 제어에 사용되며 이를 이용한 장비가 바로 스피커와 마이크이다. 스피커는 자석과 코일로 이루 어져있다. 코일을 전자석에 감고 코일에 교류신호를 흘려주면 양극과 음 극을 번갈아가며 전기가 흐르게 된다. 이에 따라 전자석은 N 극과 S 극이 번갈아가며 나타나게 된다. 이러한 원리로 자석과 코일은 인력과 척력이 반복적으로 작용되며 코일이 왕복운동을 하며 코일에 붙어있는 진동판이 진동된다. 교류 전기의 세기와 진동 속도를 제어함으로써 소리를 제어하게 된다. 전류의 세기가 커지면 소리가 커지며, 주파수가 높을수록 고음으로 변환하여 신호를 출력하게 된다. 마이크 또한 이와 비슷한 원리로 구현된 다. 소리가 진동판을 진동시키면 코일을 통과하는 자기력선속이 변화되며 소리와 진동수가 같은 교류 유도 전류가 발생한다. 이를 전기 신호로 변환 시켜주는 것이 마이크이다. 즉, 마이크는 소리를 교류전기 신호로 변환해 주는 장비이며 스피커는 이와 반대로 교류전기 신호를 소리로 바꾸어 주는 장비이다. 직류와 교류 4.3 직류회로와 교류회로 앞서 직류와 교류의 의미를 이해하였다. 직류란 시간에 따라 전류 및 전압 의 극성이 변하지 않는 전기이며 교류는 시간에 따라 극성이 변하는 전기 이다. 이 개념을 바탕으로 직류 전원에 의해 발생하는 전압을 직류 전압, 교류 전원에 의해 발생하는 전압을 교류 전압이라 한다. 이와 마찬가지로, 전기 회로에는 직류 회로와 교류 회로가 있으며 직류 전압이 걸려 직류 전류가 흐르는 회로를 직류 회로라 하며, 교류 전압이 걸려 교류 전류가 흐 르면 교류 회로라 한다. 직류회로와 마찬가지로 교류회로에서도 교류전압 V 를 인가했을 때, 임피던스 Z 가 있다면 마찬가지로 옴의 법칙을 적용할 수 있다. 직류 및 교류 전원의 회로상 표기는 그림 4.3 와 같다. 직류전류 I 직류전원 직류전압 V 교류전류 I 교류전압 V 회로소자 R 교류전원 직류회로 교류회로 Figure 4.4: 직류회로와 교류회로 회로소자 Z 53 5 전기용량 전기 용량은 물체 (예를 들어 축전기와 같은 소자) 가 전하를 축적하는 능 력을 나타내는 물리량이다. 축전기의 전기용량은 축전기를 구성하는 두 +Q -Q 도체판 사이의 전위차에 대한 한 쪽 도체판의 전하량의 크기로 정의된다. A C= Q ∆V (5.1) C (F) 는 전기 용량, Q 는 전하량 (C), ΔV (V) 는 전위차를 나타낸다. d 동일한 모양의 두 도체판으로 이루어진 평행판 축전기의 전기 용량은 + 판의 면적에 비례하고 판 사이의 거리에 반비례한다. A C = ε0εr d 𝛥𝑉 Figure 5.1: 두 도체판으로 구성된 평행판 (5.2) 상대유전율이라 함 ), A (m2 ) 는 판의 면적, d (m) 는 판 사이의 거리를 나타 . 낸다. ▶ 축전기의 연결 1. 병렬 연결된 축전기들의 등가 전기 용량 : A 𝜀0𝜀𝑟 Figure 5.2: 평행판 축전기 (5.3) 2. 직렬 연결된 축전기들의 등가 전기 용량 : 1 1 1 1 = + + + ... Ceq C1 C2 C3 축전기 d C (F) 는 전기 용량, ε 0 (F/m) 는 진공 유전율, ε r 은 유전 상수 (또는 Ceq = C1 + C2 + C3 + ... - (5.4) ▶ RC 회로의 시상수 τ (s): τ = RC 그림 5.5 의 RC 회로에서 t=0 일 때 스위치가 1 에서 2 로 옮겨가면 축전기 양단 전압은 점점 증가한다 (충전). 56 기초전자실험 및 설계 Figure 5.3: 두 축전기의 병렬 연결 회로 + - + 𝛥𝑉 - 𝛥𝑉 Figure 5.4: 두 축전기의 직렬 연결 회로 + - + 𝛥𝑉 - 𝛥𝑉 이 때 시상수는 축전기 양단 전압 vc (t) 이 최종전압의 63.2% 에 도달하는 데에 걸리는 시간이며, 최종 전압은 전원이 공급하는 전압과 같다. 2 t=0 1 vc (t) = ∆V (1 − e−t/RC ) = ∆V (1 − e−t/τ ) (5.5) 𝑅 + 𝛥𝑉 - 𝐶 반대로 스위치가 2 에서 1 로 옮겨가면 축전기 양단 전압은 서서히 감 + 𝑣𝑐 (𝑡) - 소한다 (방전). 이 때 시상수는 축전기 양단 전압이 초기 전압의 36.8% 에 도달하는 데에 걸리는 시간이며, 최종 전압은 충전된 전하들이 접지로 빠져 Figure 5.5: RC 회로 나가므로 0 V 가 된다. vc (t) = ∆V (e−t/RC ) = ∆Ve−t/τ (5.6) ▶ 축전기에 저장된 위치 에너지 축전기에 저장된 전기적 위치 에너지 𝛥𝑉 (U) 는 아래의 여러 형태로 나타낼 수 있다. U= Q2 1 1 = Q(∆V ) = C (∆V )2 2C 2 2 (5.7) 𝑄 𝑞 𝑑𝑞 Figure 5.6: 축전기 양단의 전위차와 축적 된 전하 사이의 관계 6 인덕터 (Inductor) 6.1 정의 및 전압 / 전류 인덕터는 간단하게 말하면 코일이다. 얇은 금속을 휘감아 코일로 만들어 절 연체 (Insulator) 로 둘러싼 소자를 인덕터 (inductor) 혹은 리액터 (reactor) 라고 한다. 인덕터는 인덕턴스 (Inductance) 를 발생시켜 코일의 특성, 즉 전류의 변화량에 비례해 전압을 유도함으로써 전류의 급격한 변화를 막는 기능을 한다. 직류회로에서는 단락 (short) 회로로써 작동하지만, 교류회 L 로에서는 전류의 흐름을 방해하는 필터 (filter) 로써의 작용을 하게된다. 이외에도 응용을 하여 다양한 회로에서 필수적으로 사용되는 소자이다. V 인덕턴스는 인덕터를 기술하는데 사용되는 회로 파라미터이다. 인덕터 는 자기적인 결합을 뜻하는 링키지 (Linkage) 의 머리글자를 따서 기호로 Figure 6.1: 인덕터의 기본회로구성 및 ‘L’을 사용하고 단위는 헨리 (Henry,H) 로 사용한다. 회로 그림으로는 감 전압강하 겨진 도선으로 나타낸다. 그림 6.1 에 연결된 인덕터 단자에 걸리는 전압은 다음과 같은 식으로 나타낸다. v=L di dt (6.1) 위 식에서 전류의 기준은 인덕터에 걸리는 전압 강하의 방향이라고 볼 수 있다. 위 식으로부터 인덕터에 걸리는 전압은 인덕터에 흐르는 전류 변 화의 시간에 비례한다는 것을 알 수 있다. 여기서 두 가지의 특징을 확인할 수 있다. 첫번째로, 전류가 상수, 즉, 직류 (DC) 이면 인덕터는 다음의 식에 의해 전압이 0 이 되어버리기 때문에 단락 (short) 회로로 작동하게 된다. 전압이 58 기초전자실험 및 설계 0 이라는 것은 저항인 임피던스가 존재하지 않는다는 의미가 된다. di =0 dt (6.2) 두 번째로, 전류는 인덕터 내부에서 순간적으로 변화할 수 없다. 이 말은 전류가 시간이 0 인 순간에 순식간에 무한대로 변할 수 없다는 것을 뜻한 다. 이를 교류성분에 대해 비교를 한다면, 시간에 따라 전류값은 변하기 때문에 인덕터 양단에 전압값이 존재하고, 전압이 존재한다는 것은 임피던 스가 존재한다는 의미이다. 따라서, 전류는 다음과 같은 식으로 정의된다. vdt = L( di )dt = Ldi dt (6.3) 위 식에서 양변을 적분하고 양변을 교환하여 나타낸다. L Z i (t) i ( t0 ) dx = Z t t0 vdτ (6.4) L 은 상수이기 때문에 앞으로 나왔으며, i 와 t 를 적분 범위 한계로 사용 하고 t 와 τ 가 적분 변수로서 사용 하는 것을 주의해야하며 위 식에서 적분 후 양변을 정리하면 i (t) = 1 L Z i (t) i ( t0 ) vdτ + i (t0 ) (6.5) 으로 나타낼수 있다. 여기서 i (t) 는 시간에 대응하는 전류이고, i (t0 ) 는 초기시간인 t0 에서의 인덕터의 전류 값이다. 따라서 다음과 같은 식을 도출할 수 있다. i (t) = 1 L Z i (t) i (0) vdτ + i (0) (6.6) 결과적으로 다시 말하자면, 직류성분의 전류에서 임피던스가 존재하지 않고, 교류 성분에서 임피던스가 존재하게 된다. 그러므로 전류의 흐름이 직류에서는 원활하며, 교류에서는 전류의 흐름을 막아주려고 하는 역할을 하게 된다. 인덕터 (inductor) 59 L 6.2 인덕터 (코일) 의 과도응답 LAMP 인덕터는 자기유도작용에 의하여 전류변화를 방해하는 방향으로 기전력 (유도기전력) 을 발생시킨다. 인덕터에 전압을 가해도 바로 전류가 흐르 지 않으며 또한, 전압을 제거해도 바로 전류가 없어지지 않는다. 따라서 V SW Figure 6.2: 인덕터, 램프 예시 (병렬연결) 스위치 ON/OFF 시에 발생하는 비정상적인 전류, 전압의 변화를 코일의 과도응답이라고 한다. 예를 들면, 인덕터와 램프를 병렬 접속하여 그림 6.2 와 같은 회로에서 수V 정도의 스위치를 ON 하여도 네온램프는 점등하지 않는다. 그러나, 코일에 전류를 흘린 상태에서 스위치를 OFF 하게 된다면 램프는 점등하게 된다. 자기유도작용에 의하여 코일에서 발생한 기전력 (V) 는 전류변화율인 ∆I ∆t 에 비례한다. 스위치를 ON 했을 때 전류가 서서히 증가하기 때문에 기전력은 전원에 가해진 전압이상으로 높아지지 않는다. 그러나 스위치 OFF 시에는 흐르고 있던 전류가 갑자기 OFF 되기 때문에 전류 변화율이 커지며, 램프를 점등시키는 높은 기전력이 발생하게 된다. Figure 6.3: 인덕터의 과도응답 그래프 (전류, 시간) 전류 𝐼 = 과도응답 (상승) 𝑉 𝑅 과도응답 (하강) 시간 (t) 0 스위치 ON 스위치 OFF 60 기초전자실험 및 설계 유도기전력 (V) 과도응답 (상승) Figure 6.4: 인덕터의 과도응답 그래프 (유도기전력, 시간) 과도응답 (하강) 0 시간 (t) −𝑉0 스위치 ON 스위치 OFF 7 실험 1: 저항, 전압, 전류 측정 7.1 실험 준비 테이블 7.1 에 본 실험의 목적, 사용장비, 필요한 부품을 요약하였다. 실 험에 앞서 멀티미터의 전면부 각 단자의 기능에 대해 조사하여 본 섹션 마지막 페이지의 예비보고서란에 작성하라. Table 7.1: 실험 1 저항 전압 전류 측정 실험 요약 항목 내용 실험의 목적 저항값, 전압, 전류를 측정해본다. 사용장비 전원공급기 필요부품 저항 5 개 (임의의 저항) , 멀티미터 본 실험을 통해 다음을 학습한다. 1. 저항 값 읽는 법 학습 2. 멀티미터를 이용하여 저항 값 실측 3. 전원공급기를 이용하여 전압 생성 4. 브레드 보드 사용법 학습 5. 저항 연결하여 전압, 전류 측정 , 각종 케이블류 기초전자실험 및 설계 62 각자 테이블에 비치된 장비 중 전원공급기와 멀티미터를 확인하고 사용 메뉴얼을 읽고 기본적인 동작방법을 연습한다. 7.2 실험 절차 7.2.1 저항 값 읽기 먼저 부품상자에 비치된 임의의 저항을 수령한 뒤 칼라코드 값을 해석하여 저항값을 계산하고 실제로 멀티미터를 이용하여 저항값을 측정해본자. No 내용 1 부품상자에서 임의 저항 5 개를 가지고 오기 2 칼라코드를 해석하여 저항 값을 기록 Table 7.2: 실험 1-1 칼라 코드로 저항 값 측정 Figure 7.1: 저항값 칼라코드 7.2.2 멀티미터를 이용한 저항 값 측정 멀티머터로 저항값을 측정하기 위해 전면 다이얼을 저항표시 쪽으로 돌려 야 한다. 하단 리드선 연결 단자를 Ω 기호가 표시된 곳에 연결하여야 한다. 강좌 홈페이지에서 제공하는 동영상을 참고하여라. 수치가 너무 작게 나올 경우 멀티미터 전면부에 표시된 저항측정 범위에 맞추어 적절히 전면부 다이얼을 조정하라. Figure 7.2: 멀티미터를 이용한 저항값 측정 실험 1: 저항, 전압, 전류 측정 No 내용 1 2 멀티미터를 이용하여 저항 값을 측정 칼라코드 기반 계산 값과 비교하기 63 Table 7.3: 실험 1-2 멀티미터로 저항 값 측정 7.2.3 브레드보드 사용 브레드 보드 내부 배선이 어떻게 연결되어 있는지 실험적으로 파악해보자. 서로 연결되어 있는 경우 저항이 0 에 가까우므로 멀티미터의 저항 측정모 를 이용하여 저항값을 측정하여 간접적으로 short 테스트를 할 수 있다. Figure 7.3: 브레드보드 내부 배선 연결도 No 내용 1 2 멀티미터의 저항 값 측정 모드를 이용하여 Short 테스트 서로 연결된 부분, 끊어진 부분을 파악 Table 7.4: 실험 1-3 브레드 보드 활용 7.2.4 전원공급기 활용 전원공급기를 활용하여 전압을 생성하고 회로 (브레드보드) 에 전압을 공급 할 수 있다. 전원을 켜기 전에 먼저 전원출력부를 브레드보드에 연결하고 Figure 7.4: 멀티미터의 저항값 측정모드를 회로를 모두 배치한 뒤 전원을 켜도록 해야 회로의 손상을 막을 수 있다. 이용한 Short Test 64 기초전자실험 및 설계 전원을 켠 뒤 전면부 오른쪽 다이얼 옆에 V/I 버튼을 눌러본다. 처음 누 르면 전압값을 조절할 수 있고 한번 더 누르면 전류원 모드로 전환되어 다이얼을 돌리게 되면 전류 값을 조절할 수 있다. No 내용 1 2 3 전원공급기를 출력 (VDD,GND) 을 브레드 보드에 연결 그림과 같이 점퍼선과 저항을 배치 전압제어 모드로 설정하고 전압 조절해보기 Table 7.5: 실험 1-4 전원공급기 구동 Figure 7.5: 전원공급기를 이용한 정전압 생성 7.2.5 전압 측정 전원부의 출력을 브레드보드에 연결하고 저항 양단에 전원, Ground 이 직렬로 연결한다. 멀티미터를 전압 측정모드로 셋팅한 뒤 측정 단자를 저항 양단에 병렬로 연결한다. 저항을 바꾸어 가며 저항 양단에 걸리는 전압을 측정하고 기록한다. No 내용 1 2 3 4 5 6 멀티미터를 전압 측정모드로 전환 저항 양단에 걸리는 전압을 멀티미터로 측정 전원 차단 후 다른 저항으로 교체 전원 ON 후 저항 양단에 걸리는 전압 측정 전원공급기의 공급 전압을 가변 다시 저항 양단에 걸리는 전압을 멀티미터로 측정 Figure 7.6: 멀티미터를 이용한 전압측정 Table 7.6: 실험 1-5 저항 배치 및 전압 측정 실험 1: 저항, 전압, 전류 측정 65 Figure 7.7: 전원공급기, 브레드보드, 저항 이용한 간단한 회로 구성 7.2.6 전류 측정 저항으로 흘러들어가는 전류를 측정하기 위해서는 멀티미터를 전류원 모드 로 설정하고 그림과 같이 직렬로 멀티미터와 측정지점을 서로 연결한다. 전 원공급기의 전압값을 조절해가며 흐르는 전류를 기록한다. 저항을 바꾸고 난 뒤 전압 조절을 하며 다시 전류를 측정해본다. No 내용 1 2 3 4 5 멀티미터를 전류측정모드로 전환 전원공급기 전원부와 저항사이에 직렬로 멀티미터에 연결 전원 공급 (ON) 멀티미터에 측정되는 전류값 기록 전원공급기의 공급전압을 가변하며 멀티미터에 흐르는 전류 측정 전원공급기 OFF 저항을 다른 저항값으로 교체 전원공급, 멀티미터로 전류 측정, 공급전압 가변하며 측정 반복 6 7 8 Table 7.7: 실험 1-6 전류 측정 66 기초전자실험 및 설계 Figure 7.8: 전원공급기, 브레드보드, 저항 이용한 간단한 회로 구성 및 전류측정 방법 실험 내용 및 계산결과, 측정결과를 본 섹션의 마지막에 있는 결과보고 서 페이지에 기입하라. 전압과, 전류, 저항과의 관계를 실험적으로 유추해 보아라. Figure 7.9: 멀티미터를 이용한 전류측정 실험 1: 저항, 전압, 전류 측정 예비보고서 실험명 실험 개요 사용부품, 장비명 최종 실험결과 목표 실험 절차, 주요이론, 실험 결과 요약 기대효과 Figure 7.10: 실험 1 예비보고서 67 68 기초전자실험 및 설계 실험제목 결과보고서: 일련번호 실험목적 기록자 점검자 점검자 일자 일자 일자 Figure 7.11: 실험 1 결과보고서 8 실험 2: 옴의 법칙 8.1 실험 준비 본 실험에서는 옴의 법칙을 실험을 통해서 확인한다. 테이블 8.1 에 본 실험 의 목적, 사용장비, 필요한 부품을 요약하였다. 본 실험에서는 저항, 전류, 전압의 상호 관계성인 옴의 법칙을 실험적으로 측정하고 비교하도록 한ㄷ. Table 8.1: 실험 2 옴의 법칙 실험 요약 항목 내용 실험의 목적 저항값, 전압, 전류를 측정해본다. 사용장비 전원공급기 필요부품 저항 5 개 (임의의 저항) , 멀티미터 본 실험을 통해 다음을 학습한다. 1. 전원공급기 전압원 / 전류원 모드 사용법 2. 저항으로 통해 흐르는 전류 제한 특성 관찰 3. 저항 양단의 전압강하 측정 4. 계산결과와 실측결과 비교 분석 5. 전압-전류 측정치로부터 저항 값 예측 , 각종 케이블류 70 기초전자실험 및 설계 8.2 실험 절차 8.2.1 전원공급기 활용 전원공급기 전면에 V/I 버튼을 이용하여 모드를 설정하고 출력으로 나 오는 전압 / 전류를 멀티미터로 측정해본다. 모드에 따라 전면 LCD 창에 깜빡이는 값을 다이얼을 이용하여 조절할 수 있다. No 내용 1 2 3 4 전원공급기를 켠다 전면 패널에 V/I 로 된 버튼을 눌러본다.(V 모드, I 모드 반복) 다이얼 버튼을 돌려서 전압 값, 전류 값을 조절한다 멀티미터를 이용하여 전압 값을 측정해본다. Table 8.2: 실험 2-1 전원공급기의 전압원 / 전류원 모드 활용 Figure 8.1: 전원공급기를 이용한 전압 / 전류 생성 8.2.2 전원공급기의 전압공급모드를 이용한 회로 구동 및 저항 양단 전압 측정 파워서플라이와 저항을 브레드보드에 아래와 같이 연결하고 멀티미터를 이용하여 전압값을 측정한다. 실험 2: 옴의 법칙 No 내용 1 2 3 4 브레드보드에 그림과 같이 회로를 구성한다 (저항배치) 전원공급기를 전압공급모드로 설정하고 전압을 조절한다. 전원공급기의 출력을 브레드보드에 연결한다. 멀티미터를 이용하여 저항 양단에 걸리는 전압을 측정한다 71 Table 8.3: 실험 2-2 저항 양단 전압 측정 실험 Figure 8.2: 전원공급기의 출력 전압 조절 하며 저항 양단 전압 측정 8.2.3 전원공급기의 전류공급모드를 이용한 회로 구동 및 저항 양단 전압 측정 파워서플라이의 전면 패털에 V/I 버튼을 한번 더 누르면 전류원 모드로 전환되고 LCD 창에 전류값을 조절할 수 있도록 깜빡인다. 원하는 전류량 만큼 다이얼을 돌려서 조절하고 전류 출력을 회로에 연결한다. 저항 양단 전압이 V=IR 과 일치하는지 저항 양단 전압을 멀티미터로 측정한다. No 내용 1 2 3 4 5 브레드 보드에 그림과 같이 회로를 구성한다 (저항배치) 전원공급기를 전류공급모드로 설정한다. 전원공급기의 출력을 브레드 보드에 연결한다. 멀티미터를 이용하여 저항 양단 전압을 측정한다. V=IR 공식을 사용하여, 측정전압 V, 공급전류 I 대비 R 값이 일치하는지 확인한다. 8.2.4 전압, 전류 측정값을 이용한 저항값 계산 Table 8.4: 실험 2-3 저항원을 이용시 저항 양단 전압 측정 Figure 8.3: 전원공급기의 전류원 모드 설정 그림 8.2.4 는 3V 를 저항 2KΩ 에 인가할 때의 동작점을 이론적으로 표현한 것인다. 본 실험에서는 5V 등 다양한 전압을 인가하며 전류 변화를 관찰하 72 기초전자실험 및 설계 a) I I, mA b) Figure 8.4: 저항 양단에 걸리는 전압 대비 흐르는 전류 측정치로 부터 저항값 예측 2 3 𝑉 = 𝑉𝑆 + - 𝑅 = 2𝐾Ω + 1 V 0 - -1 0 𝑉𝑆 V -2 I -4 -2 0 2 4 고 전압을 고정한 상태에서 저항값을 바꿔가며 전류변화를 측정하여 옴의 법칙에 대해 실험적으로 이해하도록 한다. No 내용 1 2 브레드 보드에 임의의 저항을 배치한다. 전원공급기의 전압을 바꾸어 가며 저항으로 통해 직렬로 흐르 는 전류를 측정한다. 측정한 전압, 전류 값을 V-I 그래프에 Plot 한다. 기울기를 계산하여 저항 값을 예측한다. 실제 칼라코드 혹은 멀티미터를 이용하여 측정한 저항 값과 비교해본다. 3 4 5 Table 8.5: 실험 2-4 전압, 전류 측정값을 이용한 저항값 계산 실험 2: 옴의 법칙 예비보고서 실험명 실험 개요 사용부품, 장비명 최종 실험결과 목표 실험 절차, 주요이론, 실험 결과 요약 기대효과 Figure 8.5: 실험 2 예비보고서 73 74 기초전자실험 및 설계 실험제목 결과보고서: 일련번호 실험목적 기록자 점검자 점검자 일자 일자 일자 Figure 8.6: 실험 2 결과보고서 9 실험 3: 직렬, 병렬회로 9.1 실험 준비 본 실험에서는 저항을 직렬, 병렬로 연결한 회로로 구성하여 실제로 전압, 전류를 측정하며 전압분배, 전류분배 법칙을 이해하는 것을 목표로 한다. 파워서플라이와 저항을 브레드보드에 아래와 같이 연결하고 멀티미터를 이용하여 전압값을 측정한다. 테이블 8.1 에 본 실험의 목적, 사용장비, 필 요한 부품을 요약하였다. Table 9.1: 실험 1 저항 전압 전류 측정 실험 요약 항목 내용 실험의 목적 직렬회로, 병렬회로에서 전압분배법칙, 전류분배법칙을 실험 을 통해 학습한다. 사용장비 전원공급기 필요부품 저항 10Ω, 100Ω, 390Ω, 500Ω, 560Ω, 1kΩ, 1.5kΩ , 멀티미터 , 각종 케이블류 본 실험을 통해 다음을 학습한다. 1. 직렬 회로의 전압 분배 원리를 실험을 통해 학습 2. 직렬회로에 대한 등가회로의 특성을 실험으로 비교 3. 병렬회로에서 전류 분배 원리를 실험을 통해 학습 4. 병렬 회로에 대한 등가회로를 실험으로 비교 76 기초전자실험 및 설계 9.2 실험 절차 9.2.1 직렬회로에서 전압 분배 특성 측정 저항을 직렬로 연결한 상태에서 전체 전압을 측정한 뒤, 등가저항을 계산하 고 저항 3 개를 1 개로 대치하고 나서 다시 전압을 측정한다. 두 전압차이를 Figure 9.1: 회로 구성도 비교하고 저항으로 흐르는 전류도 비교한다. Table 9.2: 실험 3-1 직렬회로의 전압값 측정 No 내용 1 2 그림과 같이 회로를 브레드보드에 구성한다. 전원공급기의 출력 전압을 그림과 같이 설정하고 브레드보드 의 회로의 VDD,GND 위치에 연결한다. 회로의 각 노드에 전압을 멀티미터를 이용하여 측정한다. 직렬회로에서 전압분배법칙의 원리를 이용하여 계산한다. 계산한 값과 측정한 값을 비교분석한다. 저항 값과 전압 강하의 관계를 실험으로 이해한다. 3 4 5 6 Figure 9.2: 직렬 / 병렬회로 구성예. 점선 부분의 각 노드 전압 측정 10 560 1.5k 1k 390 100 9.2.2 직렬 회로에 대한 등가회로 비교 측정 직렬 / 병렬회로에 대해 직렬저항, 병렬저항 계산원리를 이용하여 동일한 회로로 변환해본다. 변환 전후에 양단 전압과 흐르는 전류가 동일한지 비교 분석한다. 실험 3: 직렬,병렬회로 Table 9.3: 실험 3-2 직렬회로의 등가저항 계산 No 내용 1 2 점선으로 표시된 직렬 저항의 합을 계산하라 1 번에서 계산한 값을 가지는 저항을 브레드보드에 배치하고 흐르는 전류를 측정하라. 기존회로에서 10Ω 으로 통해 흐르는 전류 값과 비교하라. 10Ω,390Ω,100Ω 저항 3 개 전체에 걸리는 전압 값과 등가 회로로 구성한 회로의 전압 값이 일치하는지 비교하라. 3 4 series a) a 560Ω 1𝑘Ω b) a 500Ω 1500Ω b Figure 9.3: 직렬 / 병렬 회로에서 전압분배 법칙 원리 이해 실험 : 회로도 10Ω 1500Ω b 390Ω 100Ω parallel c) a _____Ω 1𝑘Ω series 500Ω ______Ω b 1𝑘Ω 9.2.3 병렬 회로에 대한 등가회로 비교 측정 직렬 / 병렬회로에 대해 직렬저항, 병렬저항 계산원리를 이용하여 동일한 회로로 변환해본다. 변환 전후에 양단 전압과 흐르는 전류가 동일한지 비교 분석한다. 9.2.4 77 저항 변화에 따른 전류 제한, 전압강하 저항값을 가변하면서 흐르는 전류변화와, 저항 양단 전압의 변화를 측정하 고 전압강하의 원리를 실험으로 학습한다. 78 기초전자실험 및 설계 No 내용 1 1 1 점선으로 표시된 병렬 저항 값을 계산하라. 그림 9.2.2(c) 에서 계산한 저항 값으로 회로를 대치하라. 점선으로 표시된 회로의 양단 전압을 측정하고, 2 번 과정을 통해 새롭게 배치한 저항 양단에 걸리는 전압이 같은지 비교 하라. 그림 9.2.2(b) 와 그림 9.2.2(c) 에서 500Ω 으로 흐르는 전류가 같은지 비교하라. 1 No 내용 1 오른쪽 그림과 같은 회로를 브레드보드에 구현한다. (예, R1 = 500Ω, R2 = 500Ω) R2 는 가변 저항을 이용한다. R1 , R2 양단에 걸리는 전압을 측정한다. R2 로 흐르는 전류도 측정 공급 전압 (10V) 은 그대로 두고 R2 의 저항 값 크기를 변형 했을 때 (예 3 배=1500Ω) R2 양단에 걸리는 전압이 동일한 비율로 증가하는가, 그렇지 않다면 이유를 분석하라. (힌트 : R2 로 흐르는 전류에 변화가 있는지 측정) R1 은 그대로인데 왜 R1 양단 전압이 변하는지 이유를 분석하 라. 그 변화량이 R2 양단 전압에 어떤 비율로 영향을 주는지 분석하라. 2 3 4 5 Table 9.4: 실험 3-3 병렬회로의 등가저항 계산 Table 9.5: 실험 3-4 가변저항 이용한 저항 값 변화에 따른 전압변화 비율 측정 9.2.5 병렬회로에서 전류 분배 특성 측정 전류분배 원리를 실험측정 하기 위해 다음 그림 9.5 과 같이 회로를 변형하 고 저항을 통해 흐르는 전류를 측정하여 전류법칙으로 계산한 값과 일치하 는지 비교검토한다. Figure 9.4: 저항 크기에 따른 전압강하 원리 이해 실험 : 회로도 Figure 9.5: 전류분배 법칙 실험 : 회로도 실험 3: 직렬,병렬회로 Table 9.6: 실험 3-5 병렬회로에서 전류 분배 특성 측정 No 내용 1 2 3 4 아래 그림과 같은 병렬 회로를 브레드보드 위에 구현한다. 저항 R1 ,R2 로 각각 흐르는 전류를 멀티미터를 이용하여 측정 전체 전류 I 값을 계산하고 실제 측정한 값과 비교한다. 이를 통해 병렬 저항 R1 ,R2 전체에 대한 등가 저항을 예측한 다. R1 의 저항 값을 큰 값으로 바꾼 뒤, I1 ,I2 의 변화를 관찰하고 증감의 이유를 설명하라. R1 , R2 저항 값을 같은 비율로 변화 시켰을 때 I1 , I2 변화를 비교하고 그 이유를 설명하라. 5 6 79 Figure 9.6: 직렬 / 병렬 회로에서 전류분배 법칙 원리 이해 실험 390 1k 80 기초전자실험 및 설계 예비보고서 실험명 실험 개요 사용부품, 장비명 최종 실험결과 목표 실험 절차, 주요이론, 실험 결과 요약 기대효과 Figure 9.7: 실험 3 예비보고서 실험 3: 직렬,병렬회로 실험제목 결과보고서: 일련번호 실험목적 기록자 점검자 점검자 일자 일자 일자 Figure 9.8: 실험 3 결과보고서 81 10 실험 4: 테브난, 노턴회로 10.1 실험 준비 Table 10.1: 실험 4 테브난, 노턴 등가회로를 실험 항목 내용 실험의 목적 테브난, 노턴 등가회로 변환원리를 실험을 통해 학습한다. 사용장비 전원공급기 필요부품 저항 100Ω, 3.9kΩ, 2kΩ, 4kΩ , 멀티미터 , 각종 케이블류 본 실험을 통해 다음을 학습한다. 1. 정전압원 기반 등가회로 변환 원리를 실험으로 이해 2. 정전류원 기반 등가회로 변환 원리를 실험으로 이해 3. 등가 회로의 특성 비교분석 10.2 기초 이론 그림 10.1 와 같이 어떤 주어진 회로의 출력 터미널 양단에 Open 한 상 태에서 전압 (VOC ) 을 측정하고 출력 터미널 양단을 short 시킨 상태에서 흐르는 전류 (ISC ) 를 측정하였다면, 주어진 회로를 그림 10.2 와 같다고 test of open-circuit voltage a arbitrary electric network + 𝑉𝑂𝐶 b test of short-circuit current 환원하여 생각해볼 수 있다. a arbitrary electric network 𝐼𝑆𝐶 b Figure 10.1: 임의의 회로의 출력단의 Open 전압, Short 전류 측정 84 기초전자실험 및 설계 왜나하면 그림 10.2 의 a, b 터미널 단자를 Open 하고 전압을 측정하면 전류흐름이 없으므로, VOC 가 모두 a,b 단에 인가되며, Short 시켜서 전류 를 측정하면 ISC 는 VROC 가 되므로 원래 회로에서 측정한 결과와 같아지기 T 때문이다. 𝑅𝑇 = 𝑅𝑇 = 𝑉𝑂𝐶 𝐼𝑆𝐶 a + 𝑉 =𝑉 𝑂𝐶 - 𝑇 + 𝑉 =𝑉 𝑂𝐶 - 𝑇 𝑅𝑇 = 𝑉 𝑉𝑂𝐶 𝐼𝑆𝐶 b a 𝐼 = 𝑉𝑆𝐶 b 𝑉 𝑂𝐶 𝐼 = 𝑅𝑇 = 𝑉𝑂𝐶 = 𝐼𝑆𝐶 𝑇 Figure 10.2: 임의의 회로의 출력단의 Open 전압, Short 전류 측정으로부터 등가 회로 유추 : 전압원 기반 (테브난 등가회로) 𝑉 = 𝑉𝑂𝐶 + 𝑉 =𝑉 𝑂𝐶 - 𝑇 b a 𝑉𝑂𝐶 𝐼𝑆𝐶 𝐼𝑆𝐶 같은 원리로 그림 10.2 와 같이 전류원 소스의 전류 IN 값 위에서 측정한 ISC 이고 저항 R N = VI OC C Ω 을 병렬 연결하것 과 같다. 그림 10.2 에 대해 S 다시 VOC 와 ISC 를 측정해보면 원래 회로로 환원됨을 알 수 있다. 𝐼𝑁 = 𝐼𝑆𝐶 𝑅𝑁 = 𝑉𝑂𝐶 𝐼𝑆𝐶 a 𝑉 = 𝐼𝑆𝐶 𝑅𝑁 a = 𝐼𝑆𝐶 𝐼𝑁 = 𝐼𝑆𝐶 𝑅𝑁 = 𝑉𝑂𝐶 𝐼𝑆𝐶 b b a 𝐼𝑁 = 𝐼𝑆𝐶 𝐼 = 𝐼𝑆𝐶 b 𝑉𝑂𝐶 𝐼𝑆𝐶 = 𝑉𝑂𝐶 Figure 10.3: 임의의 회로의 출력단의 Open 전압, Short 전류 측정으로부터 등가 회로 유추 : 전류원 기반 (노턴 등가회로) 실험 4: 테브난, 노턴회로 10.3 실험 절차 10.3.1 Open-Circuit 전압, Short-Circuit 전류 85 임의의 회로를 구성하고 그림 10.1 와 같이 출력단 a,b 사이의 Open Circuit 전압을 측정 해본다. 다음에 a, b 사이를 저항 없이 선으로 연결하고 나서, a 에서 b 로 흐르는 전류를 측정한다. No 내용 1 임의의 회로를 브레드보드에 구현하고 전압 공급기로 회로에 전압을 공급한다. 오른쪽 그림과 같이 터미널 노드에 대해 VOC , ISC 를 측정한 다. 측정 값으로부터 내부 저항을 예측한다. (교재 참고) 2 3 10.3.2 Table 10.2: 실험 4-1 Open-Circuit 전압, Short-Circuit 전류 측정 등가 회로의 내부 저항 예측 그림 10.4 와 같은 회로에 대해 터미널에서의 VOC 와 ISC 를 측정하고 내부 저항을 계산해 보고 100Ω 과 3.9kΩ 의 합과 같은지 비교하라. No 내용 1 전압공급기와 저항을 이용하여 오른쪽 회로를 브레드보드에 구현한다. 터미널 노드에 대해 VOC , ISC 를 측정한다. 측정 값으로부터 내부 저항을 예측한다. 실제 회로에 배치한 등가 저항의 값과 비교해본다. 아래 회로에 대한 테브난, 노턴 등가회로를 그려본다. (계산) 2 3 4 5 10.3.3 Table 10.3: 실험 4-2 Voc , Isc 를 측정을 통한 내부저항 예측 등가회로 변환 Figure 10.4: 내부저항 예측 실험 그림 10.5 과 같은 회로에서 점선부분을 테브난 등가회로로 변환해 보아라. VOC 와 ISC 를 측정을 통해 내부 저항을 예측하고 계산값과 같은지 비교해 본다. 회로를 변환한 후에도 I1 의 전류값이 동일한지 비교하라. Figure 10.5: 등가회로 변환 실험을 위한 회로 예 기초전자실험 및 설계 86 Table 10.4: 실험 4-3 등가회로 변환 이후 회로 등작 특성 비교 No 내용 1 2 3 4 5 오른쪽 그림과 같이 회로를 구성한다. 점선의 터미널 노드에 대한 VOC ,ISC 를 측정 해둔다. 2kΩ 으로 흐르는 I1 전류 값을 측정한다. 계산 값과 비교한다. 100Ω,3.9kΩ 대신에 4kΩ 으로 대치하고 나서 다시 I1 의 값을 측정하고 기존값과 비교한다. 정전압원을 정전류원으로 대치할 경우 내부 저항 값과 정전류 원의 전류 값을 결정하라. 6 Figure 10.6: 등가회로 변환 실험을 위한 회로 예 : 브레드보드에 회로 구성 100 3.9k 2k 2k 5V 전압원 10.3.4 등가 회로의 검증 그림 10.3.4 과 같은 회로에서 점선부분을 노턴 등가회로로 변환한 결과이 다. 그 과정을 수식으로 표현하라. VOC 와 ISC 를 측정을 통해 정전류원의 전류값을 실험적으로 예측하고 계산값과 같은지 비교해본다. 회로를 변환 한 후에도 I1 의 전류값이 동일한지 비교하라. 그림 10.3.4 와 같이 전원공급기의 정전류원 모드를 활용하여 앞에서 계산한 내부 저항을 포함한 노턴 등가회로를 브레드보드 위에 구현한다. 이후에 I1 전류값이 변환 전 값과 동일한지 비교하라. 실험 4: 테브난, 노턴회로 Table 10.5: 실험 4-4 등가회로 변환 이후 회로 등작 특성 비교 (전류원 이용) No 내용 1 2 점선의 회로를 정전류원으로 변환한 결과는 오른쪽과 같다. 전원공급기의 동작 모드를 전류원으로 변형하고 전류공급값 을 1.25mA 로 설정한다. 내부 저항을 그림과 같이 병렬로 4KΩ 옴을 연결하고 나머지 회로와 결합한다. I1 의 값을 측정하고 변환하기 전 회로에서 I1 전류 값과 비교 한다. 3 4 100 Figure 10.7: 등가회로 변환 실험을 위한 회로 예 (정전류원 기반) 3.9 5V 1.25 4 Figure 10.8: 등가회로 변환 실험을 위한 회로 예 : 브레드보드에 회로 구성 4k 1.25mA 전류원 (5V / 4k = 1.25mA) 2k 2k 87 88 기초전자실험 및 설계 예비보고서 실험명 실험 개요 사용부품, 장비명 최종 실험결과 목표 실험 절차, 주요이론, 실험 결과 요약 기대효과 Figure 10.9: 실험 4 예비보고서 실험 4: 테브난, 노턴회로 실험제목 결과보고서: 일련번호 실험목적 기록자 점검자 점검자 일자 일자 일자 Figure 10.10: 실험 4 결과보고서 89 11 실험 5: 최대전력전달원리 11.1 실험 준비 테이블 11.1 에 본 실험의 목적, 사용장비, 필요한 부품을 요약하였다. Table 11.1: 실험 5 최대전력전달 실험 요약 항목 내용 실험의 목적 전압강하 및 전류제한의 원리를 통해 전압x 전류의 곱인 전력 전달을 최대화하는 조건 및 그 원리를 실험을 통해 학습한다. 사용장비 전원공급기 필요부품 저항 (임의의 저항) , 멀티미터 , 각종 케이블류 본 실험을 통해 다음을 학습한다. 1. 저항 값에 따른 전압강하와 전류의 곱의 크기 변화를 실험을 통해 이해 2. 최대전력전달을 위한 저항 값의 최적 조건 이해. 3. 최대전력전달 조건에 따른 내부 저항 값 예측 11.2 실험 절차 Load 저항을 크게 하면 전압 강하가 비례해 커지지만, 저항을 통해 흐르는 전류가 줄어들게 된다. 저항값을 가변함에 따라 전압, 전류가 가변하게 92 기초전자실험 및 설계 되는데 본 실험에서는 전압과 전류를 동시에 고려하여 최대로 전력 (전압x 전류) 을 전달할 수 있는 저항값을 실험적으로 측정해본다. a 𝑅𝑇 11.2.1 저항 값에 따른 전압x 전류 값 (수식) 𝑉𝑇 + 𝑅𝐿 - 그림 11.1 와 같은 2 개의 저항이 직렬로 연결된 회로에 대해 R L 로 흐르는 전압= 전력을 함수로 표현해보아라. No 내용 1 2 3 오른쪽 그림의 R L 로 흐르는 전류를 수식으로 표현하라. R L 에 걸리는 전압을 수식으로 표현하라. 전류와 전압의 곱 (전력) 을 수식으로 표현하라. 11.2.2 저항 값에 따른 전압강하x 전류 제한 크기 Figure 11.1: 내부저항과 직렬로 연결된 로드저항 (R L ) 로 구성된 회로 예 Table 11.2: 실험 5-1 최대전력전달 원리를 실험을 통해 학습하기 위한 회로 예 전압 x 전류 전류와 저항 양단에 전압을 수식으로 표현해보고 저항 크기에 따른 전류x b 이전 실험에서 계산한 R L 양단에 걸리는 전압과 R L 을 통해 흐르는 전류의 곱을 그래프로 표시해본다. 내부저항 R T 값을 바꾸면 그래프가 어떻게 바 Load resistance, Ω 뀌는지 비교하여 Plot 하라. Figure 11.2: R L 값의 변화에 따른 전압x No 내용 전류 Plot Table 11.3: 실험 5-2 로드 저항 R L 의 값을 바꾸어 가며 전류값, 전압갑의 변화를 측정 1 X 축으로 R L 값, Y 축으로 전압x 전류 값을 그래프로 나타내 어본다. R T 값의 변화에 따른 그래프의 모양의 변화를 분석 R T 값의 크기가 R L 에 소모되는 전력 값에 어떻게 영향을 주는지 논하라. 전압x 전류가 가장 큰 값이 되기 위한 R L 값을 결정하라. 2 3 4 11.2.3 최대전력전달 조건 측정 그림 11.2.3 는 로드 저항 R L 을 가변저항을 이용하여 저항값을 가변시키 면서 전압, 전류의 곱이 가장 큰 지점을 찾는 회로도이다. 가변저항값을 바꾸어 가며 최대전력전달 조건을 실험적으로 찾아본다. 그 값을 계산값과 같은지 비교하라. 실험 5: 최대전력전달원리 Table 11.4: 실험 5-3 최대전력전달 조건을 만족하는 R L 을 결정하는 반복실험 No 내용 1 아래 그림과 같이 회로를 구성하고 가변 저항을 통해 흐르는 전류와 가변 저항 양단에 걸리는 전압을 측정하라. 가변저항값을 바꾸어 가며 전압, 전류를 반복하여 측정하라 저항 값을 측정하고 전압x 전류 값을 그래프로 나타내고 최대 값을 가지는 가변저항값을 찾아라. (직렬 저항 (4.7Ω) 과 비교) 직렬 저항을 임의의 다른 값을 변경하고 2,3 을 반복하여 최대 전력전달 조건을 찾아, 간접적으로 직렬 저항 값을 예측하라. 2 3 4 93 Figure 11.3: 최대전력전달 조건을 만족하 는 R L 을 찾기 위한 브레드보드 회로도 4.7 이론치를 직접 계산하고 그 값을 실측치와 비교한다. SPICE 시뮬레이션 결과와 동시에 비교한다. 저항값을 Parameter Sweep 하면서 동시에 각 노드에 걸리는 전압, 전류의 변화를 측정하고 그 이유에 대해서 분석한다. 94 기초전자실험 및 설계 예비보고서 실험명 실험 개요 사용부품, 장비명 최종 실험결과 목표 실험 절차, 주요이론, 실험 결과 요약 기대효과 Figure 11.4: 실험 5 예비보고서 실험 5: 최대전력전달원리 실험제목 결과보고서: 일련번호 실험목적 기록자 점검자 점검자 일자 일자 일자 Figure 11.5: 실험 5 결과보고서 95 12 실험 6: 커패시터 본 실험에서는 커패시터 저항으로 구성된 회로에 대해 입력 전압변화에 따른 출력전압의 과도응답을 측정하고 입력 주파수를 가변하며 출력 응답 특성이 어떻게 변하는지 실험을 통해 확인한다. 12.1 실험 준비 테이블 12.1 에 본 실험의 목적, 사용장비, 필요한 부품을 요약하였다. Table 12.1: 실험 6 저항-커패시터 결합 회로 실험 요약 항목 내용 실험의 목적 저항과 커패시터로 구성된 회로의 과도응답과 주파수 응답 특성을 실험을 통해 학습한다. 사용장비 함수발생기 , 오실로스코프 필요부품 저항 100Ω , 커패시터 1uF 본 실험을 통해 다음을 학습한다. 1. R-C 회로의 전압 변화 특성을 실험으로 이해. 2. 입력 전압의 변화 (주파수) 에 따른 출력 특성을 실험으로 이해 (시간지 연, 전압 감쇄) 3. R 값과 C 값의 변화가 2 번 결과에 영향을 주는 원리를 실험으로 이해. 기초전자실험 및 설계 98 4. R, C 의 값 변화에 따른 회로 특성 변화를 PSPICE 를 통한 시뮬레이션 으로 해석. 12.2 실험 절차 12.2.1 R-C 회로의 입력-출력 특성 측정 저항-커패시터를 그림 12.2.1 과 같이 직렬로 연결하고 전원공급기가 아닌 함수발생기를 이용하여 회로에 입력전압을 인가한다. 입력 신호의 주파수 와 진폭을 조절하며 출력전압이 어떻게 바뀌는지 실험을 통해 확인하자. Table 12.2: 실험 6-1 RC 회로 구성 예 및 함수 발생기 연결, 출력 결과 측정 No 내용 1 2 오른쪽 그림과 같이 R-C 회로를 브레드보드에 구성한다. 함수발생기의 출력 주파수와 진폭을 설정하고 그 출력 값을 회로의 입력으로 인가한다. 커패시터 양단에 걸리는 전압을 오실로스코프를 이용하여 관찰한다. 출력 전달 지연 현상을 수식으로 계산한 값과 비교하라. 함수발생기의 주파수를 가변 하며 출력에 어떤 영향을 주는지 측정을 반복하라. (신호 왜곡, 전압 감쇄) 3 4 5 Figure 12.1: RC 회로를 브레드보드에 구성하고 함수발생기를 입력을 인가하고 출력을 오실로스코프로 측정 1uF 100 실험 6: 커패시터 12.2.2 99 R, C 의 값 변화에 따른 출력 특성 측정 이번 실험에서는 그림 12.2.1 에서 사용한 저항, 커패시터를 다른 값으로 바꾸어가며 동일한 입력신호에 대해 어떻게 출력이 바뀌는지 오실로스크 프를 이용하여 측정하라. 상승시간, 하강시간을 비교하고 출력신호의 진폭 변화도 비교하라. No 내용 1 2 실험 6-1 을 R 과 C 값을 바꾸어가며 반복하라. R 의 증가에 따라 출력에 어떻게 영향을 주는지 측정하고 분석하라. C 의 증가에 따라 출력에 어떻게 영향을 주는지 측정하고 분석하라. 빠른 응답을 얻기 위해 R, C 값을 어떻게 조절해야 하는지 논하라. R, C 를 순서를 바꾸어 실험을 반복해보아라. 결과 변화의 원리를 분석해보아라. 3 4 5 12.2.3 Table 12.3: 실험 6-2 R, C 의 값 변화에 따른 출력 특성 측정 PSPICE 를 이용한 특성 시뮬레이션 본 실험에서는 PSPICE 를 이용하여 RC 회로를 설계하고 시간에 따른 과도 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 확인한다. R 과 C 값 원하는 값으로 바꾸어 가며 출력 특성의 변화를 빠르게 볼 수 있다. 이전 실험에서 실험을 통해 Figure 12.2: PSPICE 를 이용한 RC 회로 Schematic 측정한 출력신호와도 비교해보자. No 내용 1 2 3 PSPICE 를 이용하여 회로를 그린다. 시뮬레이션 환경설정을 오른쪽과 같이 하고 저장한다. 시뮬레이션 결과를 확인하여 R, C 값의 변화에 따른 출력 응답 변화를 분석한다. Table 12.4: 실험 6-3 PSPICE 를 이용한 RC 회로의 과도응답 특성 시뮬레이션 Figure 12.3: PSPICE 를 이용한 RC 회로의 과도응답 특성 시뮬레이션 결과 함수 발생기의 주파수를 가변시키며 커패시터 양단에 걸리는 전압의 시간에 따른 변화를 관찰하고 상승 파형과 하강 파형의 모양을 통해 지연 시간을 측정한다. 뿐만 아니라 주파수 증가에 따라 최대 전압이 동시에 줄 어드는 현상을 측정하고 이론적 계산값과도 비교분석한다. 이론치를 직접 100 기초전자실험 및 설계 계산하고 그 값을 실측치와 비교한다. 그림 13.2, 그림 13.3 와 같이 SPICE 시뮬레이션 결과와 동시에 비교한다. 12.2.4 PSPICE 결과와 실측 치 비교 입력 전원의 주파수를 AC Sweep 하면서 동시에 각 노드에 걸리는 전압 변화를 측정하고 그 이유에 대해서 분석한다. 그림 13.2.4 와 같이 Pspice 를 설정한 뒤 시뮬레이션 수행결과는 그림 13.5 와 같다. RC 회로의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정하기 위해 PSPICE 의 환경설정에 아래와 같이 선택을 한다. Figure 12.4: 주파수를 바꾸어 가며 AC 특성을 시뮬레이션 하기 위한 PSPICE 환경 설정 입력 신호의 각 주파수 성분에 대해 출력 신호의 응답 크기가 어떻게 되는지 그림 13.5 와 같이 확인할 수 있다. 시뮬레이션을 통해 얻은 주파수 응답 특성을 실제 회로에서 측정한 결 과와 비교해보자. No 내용 1 실험 6-3 에서 얻은 시뮬레이션 결과로부터 특정 R, C 값에 대해 특정 주파수의 출력응답값을 기록해둔다. 1 번에서 결정한 주파수와 진폭 값을 함수발생기에 설정하 고사인파를 출력하도록 설정한다. 그 신호를 브레드보드에 구현한 회로에 인가한다. 커패시터 양단의 전압을 측정하고 전압이 감쇄된 값을 측정하 여 시뮬레이션 결과와 비교분석한다. 2 3 Figure 12.5: RC 회로의 주파수 응답 특성 Table 12.5: 실험 6-4 PSPICE 를 이용한 주파수 응답 특성 시뮬레이션 결과와 실측 치의 비교 실험 6: 커패시터 예비보고서 실험명 실험 개요 사용부품, 장비명 최종 실험결과 목표 실험 절차, 주요이론, 실험 결과 요약 기대효과 Figure 12.6: 실험 6 예비보고서 101 102 기초전자실험 및 설계 실험제목 결과보고서: 일련번호 실험목적 기록자 점검자 점검자 일자 일자 일자 Figure 12.7: 실험 6 결과보고서 13 실험 7: 인덕터 본 실험에서는 인덕터와 저항으로 구성된 회로에 대해 입력 전압변화에 따른 출력전압의 과도응답을 측정하고 입력 주파수를 가변하며 출력 응답 특성이 어떻게 변하는지 실험을 통해 확인한다. 13.1 실험 준비 테이블 13.1 에 본 실험의 목적, 사용장비, 필요한 부품을 요약하였다. Table 13.1: 실험 7 저항-인덕터 결합 회로 실험 요약 항목 내용 실험의 목적 저항과 인덕터로 구성된 회로의 과도응답과 주파수 응답 특성 을 실험을 통해 학습한다. 사용장비 함수발생기 , 오실로스코프 필요부품 저항 1kΩ , 인덕터 100mH 본 실험을 통해 다음을 학습한다. 1. R-L 회로의 전압 변화 특성을 실험으로 이해. 2. 입력 전압의 변화 (주파수) 에 따른 출력 특성을 실험으로 이해 (시간지 연, 전압 감쇄) 3. R 값과 L 값의 변화가 2 번 결과에 영향을 주는 원리를 실험으로 이해. 104 기초전자실험 및 설계 4. R, L 의 값 변화에 따른 회로 특성 변화를 PSPICE 를 통한 시뮬레이션 으로 해석. 13.2 실험 절차 13.2.1 R-L 회로의 입력-출력 특성 측정 저항-인턱터를 그림 13.1 과 같이 직렬로 연결하고 전원공급기가 아닌 함 수발생기를 이용하여 회로에 입력전압을 인가한다. 입력 신호의 주파수와 진폭을 조절하며 출력전압이 어떻게 바뀌는지 실험을 통해 확인하자. No 내용 1 2 오른쪽 그림과 같이 R-L 회로를 브레드보드에 구성한다. 함수발생기의 출력 주파수와 진폭을 설정하고 함수 발생기 출력 값을 회로의 입력으로 인가한다. 인덕터로 흐르는 전류의 시간에 따른 변화를 관찰하기 위해 직렬 저항으로 흐르는 전류 변화를 관찰해보자. 저항에 흐르는 전류 값에 따른 전압강하를 오실로스코프로 측정하고 (인덕터 양단에 걸리는 전압 고려) 함수발생기의 주파수를 가변 하며 출력에 어떤 영향을 주는지 측정을 반복하라. (신호 왜곡, 전압 감쇄) 3 4 5 Table 13.2: 실험 6-1 RL 회로 구성 예 및 함수 발생기 연결, 출력 결과 측정 1k 13.2.2 10mH R, L 의 값 변화에 따른 출력 특성 측정 이번 실험에서는 그림 13.1 에서 사용한 저항, 커패시터를 다른 값으로 바 Figure 13.1: RL 회로를 브레드보드에 꾸어가며 동일한 입력신호에 대해 어떻게 출력이 바뀌는지 오실로스크프를 구성하고 함수발생기를 입력을 인가하고 이용하여 측정하라. 상승시간, 하강시간을 비교하고 출력신호의 진폭 변화 출력을 오실로스코프로 측정 도 비교하라. 실험 7: 인덕터 No 내용 1 2 실험 7-1 을 R 과 L 값을 바꾸어가며 반복하라. R 의 증가에 따라 출력에 어떻게 영향을 주는지 측정하고 분석하라. L 의 증가에 따라 출력에 어떻게 영향을 주는지 측정하고 분석하라. 빠른 응답을 얻기 위해 R, L 값을 어떻게 조절해야 하는지 논하라. 3 4 13.2.3 105 Table 13.3: 실험 7-2 R, L 의 값 변화에 따른 출력 특성 측정 PSPICE 를 이용한 특성 시뮬레이션 본 실험에서는 PSPICE 를 이용하여 RL 회로를 설계하고 시간에 따른 과도 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 확인한다. R 과 L 값 원하는 값으로 바꾸어 가며 출력 특성의 변화를 빠르게 볼 수 있다. 이전 실험에서 실험을 통해 측정한 출력신호와도 비교해보자. No 내용 1 2 3 PSPICE 를 이용하여 회로를 그린다. 시뮬레이션 환경설정을 오른쪽과 같이 하고 저장한다. 시뮬레이션 결과를 확인하여 R, L 값의 변화에 따른 출력 응답 변화를 분석한다. Figure 13.2: PSPICE 를 이용한 RL 회로 Schematic Table 13.4: 실험 7-3 PSPICE 를 이용한 RL 회로의 과도응답 특성 시뮬레이션 Figure 13.3: PSPICE 를 이용한 RL 회로의 과도응답 특성 시뮬레이션 결과 함수 발생기의 주파수를 가변시키며 커패시터 양단에 걸리는 전압의 시간에 따른 변화를 관찰하고 상승 파형과 하강 파형의 모양을 통해 지연 시간을 측정한다. 뿐만 아니라 주파수 증가에 따라 최대 전압이 동시에 줄 어드는 현상을 측정하고 이론적 계산값과도 비교분석한다. 이론치를 직접 계산하고 그 값을 실측치와 비교한다. 그림 13.2, 그림 13.3 와 같이 SPICE 시뮬레이션 결과와 동시에 비교한다. 13.2.4 PSPICE 결과와 실측 치 비교 입력 전원의 주파수를 AC Sweep 하면서 동시에 각 노드에 걸리는 전압 변화를 측정하고 그 이유에 대해서 분석한다. 그림 13.2.4 와 같이 Pspice 106 기초전자실험 및 설계 를 설정한 뒤 시뮬레이션 수행결과는 그림 13.5 와 같다. RC 회로의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션을 통해 측정하기 위해 PSPICE 의 환경설정에 아래와 같이 선택을 한다. Figure 13.4: 주파수를 바꾸어 가며 AC 특성을 시뮬레이션 하기 위한 PSPICE 환경 설정 입력 신호의 각 주파수 성분에 대해 출력 신호의 응답 크기가 어떻게 되는지 그림 13.5 와 같이 확인할 수 있다. 시뮬레이션을 통해 얻은 주파수 응답 특성을 실제 회로에서 측정한 결 과와 비교해보자. No 내용 1 실험 7-3 에서 얻은 시뮬레이션 결과로부터 특정 R, L 값에 대해 특정 주파수의 출력응답값을 기록해둔다. 1 번에서 결정한 주파수와 진폭 값을 함수발생기에 설정하 고사인파를 출력하도록 설정한다. 그 신호를 브레드보드에 구현한 회로에 인가한다. 커패시터 양단의 전압을 측정하고 전압이 감쇄된 값을 측정하 여 시뮬레이션 결과와 비교분석한다. 2 3 Figure 13.5: RL 회로의 주파수 응답 특성 Table 13.5: 실험 7-4 PSPICE 를 이용한 주파수 응답 특성 시뮬레이션 결과와 실측 치의 비교 실험 7: 인덕터 예비보고서 실험명 실험 개요 사용부품, 장비명 최종 실험결과 목표 실험 절차, 주요이론, 실험 결과 요약 기대효과 Figure 13.6: 실험 7 예비보고서 107 108 기초전자실험 및 설계 실험제목 결과보고서: 일련번호 실험목적 기록자 점검자 점검자 일자 일자 일자 Figure 13.7: 실험 7 결과보고서 14 실험 8: 다이오드 브레드보드s 를 이용해 LED 회로를 구성해보자. 양극은 애노드 (anode), 음극은 캐소드 (cathode) 라고 부르며 이는 현재 디스플레이에 활발히 사 용되는 유기발광다이오드 (organic light emitting diode: OLED) 뿐만 아니라 모든 다이오드에서도 통용된다. 그림 14 와 같이 다이오드는 양단 전압의 형태에 따라 동작 특성이 달라진다. anode (+) cathode (-) Figure 14.1: 다이오드의 비선형성 𝑖𝐷 Short circuit (a”wire”): any current and virtually no voltage drop open circuit (no current) resistor 0 𝑣𝐷 본 실험에서는 다이오드와 저항으로 구성된 회로에 대해 입력 전압변화 에 따른 출력전압을 측정하고 다이오드로 흐르는 전류와 전압값의 동작접 을 구하는 원리를 실험을 통해 학습한다. 14.1 실험 준비 테이블 14.1 에 본 실험의 목적, 사용장비, 필요한 부품을 요약하였다. 110 기초전자실험 및 설계 Table 14.1: 실험 8 다이오드 회로 실험 요약 항목 내용 실험의 목적 다이오드의 동작 특성과 동작점 결정원리를 실험을 통해 학습 한다. 사용장비 함수발생기 , 오실로스코프 필요부품 저항 1kΩ , 다이오드 본 실험을 통해 다음을 학습한다. 1. 다이오드 회로의 동특성 이해 2. 동작 점 원리를 실험으로 이해. 3. 다이오드로 흐르는 전류, 전압 측정 4. 정류기 원리를 실험으로 이해. 14.2 실험 절차 14.2.1 다이오드 회로의 동작 특성 측정 𝑖𝐷 , mA Figure 14.2: 실제 다이오드의 동작 특성 𝑉𝐷0 10 5 −𝑉𝑍0 -75 Breakdown region -1.0 -0.5 Reverse-bias region 0.5 1.0 𝑣𝐷 , 𝑉 Forward-bias region 𝐷1 그림 14 는 이상적인 다이오드의 동작특성을 보여준다. 실제 다이오드의 + 𝑣𝑆 (𝑡) + 𝑅𝐿 - 𝑣𝐿 (𝑡) − 전압, 전류 특성곡선은 다음 그림 14.2.1 와 같다. 0V Figure 14.3: 다이오드를 동작원리 실험 : 회로도 실험 8: 다이오드 111 실험을 위한 회로는 그림 14.3 와 같이 구성한다. 전원 역할을 하는 건전 지의 + 극은 저항을 거쳐 LED 의 애노드로, -극은 LED 의 캐소드로 연결 한다. LED 의 다리가 긴 쪽이 애노드, 짧은 쪽이 캐소드임을 유의하자. 전 원을 브레드보드의 버스 영역에 연결하여 회로를 구성 할 수 있으며 버스 영역에 연결을 하지 않고 바로 연결할 수도 있다. 이 외에도 브레드보드를 이용하여 다양한 방법으로 LED 회로를 구성할 수 있으며 LED 뿐만 아니 라, 콘덴서, 다이오드, 트랜지스터, 스위치 등을 조립할 수 있다. Figure 14.4: 다이오드를 동작원리 실험 : 브레드보드 위에 다이오드 저항 배치하여 회로 구성 Diode 1k No 내용 1 2 3 오른쪽 그림과 같은 다이오드 회로를 구성한다 함수발생기를 이용하여 전압을 공급한다. 저항에 인가되는 전압 변화를 오실로스코프로 측정한다. 본 실험에서는 다이오드-저항으로 구성된 회로에 대해 입력 전압변화에 따른 출력전압의 과도응답 파형을 측정하여 출력 응답특성이 어떻게 변하 는지 실험을 통해 확인한다. 입력 전원은 함수발생기로 구현하고 저항양단 에 걸리는 전압 변화를 시간축으로 분석하기 위해 오실로스크프를 이용한 다. 그림 14.2.1 와 같은 형태로 출력 파형이 나오는지 실험으로 확인하라. Table 14.2: 실험 8-1 다이오드 회로의 동작 특성 측정 기초전자실험 및 설계 112 diode rectifier with constant voltage drop Load voltage, V Load voltage, V ideal half-wave diode rectifier 0 0 14.2.2 1 2 3 4 5 𝑡𝑖𝑚𝑒 Figure 14.5: 다이오드를 동작원리 실험 : 도통전압으로 인한 전압강하 0 0 1 2 3 4 5 𝑡𝑖𝑚𝑒 동작 전류, 전압 바이어스 측정 저항을 거쳐 다이오드 입력 전압이 Turn-on 조건을 만족하게 되면 저항 다이오드를 거쳐서 전류가 흐르게 되고, 다이오드에는 0.7V 이상 전압이 인가된다. 다이오드를 통해 흐르는 전류, 및 바이어스 전압 조건은 저항과 다이오드 특성과의 결합을 통해 결정된다. 본 실험에서는 수식 없이 저항 값을 바꾸어 가며 동작 점을 측정해보고, 저항값과 동작점의 관계를 유추해 본다. No 내용 1 오른쪽 회로를 브레드보드에 구성하고 함수발생기가 아닌 전원공급기를 이용하여 회로에 전압을 공급한다. 전압을 0V 에서 5V 까지 0.2V 단위로 증가하면서 다이오드로 흐르는 전류를 측정해본다. x 축으로 공급 전압을 가변 하면서 표시하고, y 축으로 다이오 드 양단 전압과, 동작 전류를 그래프로 표현해본다. 저항 값 좀더 큰 값으로 교체하고 2,3 번 절차를 반복하고 그래프로 Plot 한다. 저항 값을 더 작은 값으로 교체하고 2,3 을 반복 2 3 4 5 14.2.3 Table 14.3: 실험 8-2 동작 전류, 전압 바이 어스 측정 동작점 결정 원리를 실험으로 이해 Figure 14.6: 다이오드를 동작원리 실험 : 다이오드가 ON 상태가 되면 그림 14.6 회로는 14.7 과 같은 등가회로 표현 될 수 있다. 따라서 저항을 거쳐 흐르는 전압대비 전류 식으로 부터 다이오 드로 흐르는 전류와 인가되는 전압이 계산될 수 있다. 본 실험에서는 저항 전압, 전류 동작점 결정 실험을 위한 회로도 실험 8: 다이오드 113 에 의한 바이어스 회로로부터 다이오드의 동작점을 실험적으로 찾아본다. Table 14.4: 실험 8-3 동작점 결정 원리를 실험으로 이해 No 내용 1 실험 8-2 의 회로는 다이오드가 on 상태로 될 경우 오른쪽 그림과 같은 등가 회로로 표현될 수 있다. 따라서 ID 와 VS , VD , R 의 관계식은 수식 ??와 같다. VS =3V, 저항R 이 1kΩ 일 경우, ID , VD 의 관계를 오른쪽 그래프에 표현하라. 3 번에서 그려진 선과, 그림 14.2.3 의 빨간색 선과 만나는 지점의 ID , VD 값을 실제 회로에서 측정한 값과 비교해본다. 2 3 4 iD = VS − VD R (14.1) 그림 14.2.3 에 저항을 거쳐 흐르는 전류값을 v D 의 함수의 그래프로 표시해보아라. (저항 R=1kΩ, VS = 3V, VD0 = 0.7V) Figure 14.7: 다이오드를 동작원리 실험 : 그림 14.6 의 등가회로 Figure 14.8: 다이오드를 동작원리 실험 : 전압, 전류 측정을 통한 동작점 결정 114 기초전자실험 및 설계 예비보고서 실험명 실험 개요 사용부품, 장비명 최종 실험결과 목표 실험 절차, 주요이론, 실험 결과 요약 기대효과 Figure 14.9: 실험 8 예비보고서 실험 8: 다이오드 실험제목 결과보고서: 일련번호 실험목적 기록자 점검자 점검자 일자 일자 일자 Figure 14.10: 실험 8 결과보고서 115 15 설계과제 - Operational Amplifier 실험목적 이번 실험을 통해서 Operational Amplifier (OP amp) 의 동작 및 특성에 대해서 이해한다. 실험에서 XXXXX OP amp 를 사용한다. OP amp 의 대 표적인 Inverting, non-inverting, comparator mode, 및 Schmitt trigger 등에 대해서 알아본다. 15.1 개요 전기, 전자 공학에서 빈번하게 다루는 기본소자가 OP amp 이다. 따라서 OP amp 의 동작 원리를 이해하는 것은 매우 중요한 일이다. Operational Amplifier 일반적으로 입력 되어진 신호를 증폭하는 역할을 한다. 이때의 신호의 증폭 비율을 Gain 이라고 한다. 실험 전 Datasheet 을 통하여 실 험에 필요한 OP amp 모델의 기본정보를 확인 할 수 있다. Google 또는 다른 Search Engine 을 사용하여 필요한 정보를 확인해보자. 15.1.1 Pre-Lab XXXXX OP amp 의 모델을 확인하고 Circuit Diagram 을 아래에 그려 보자. 118 기초전자실험 및 설계 OP amp 는 능동 소자이기 때문에 회로에서 개별적인 Power 가 필요 하다. Diagram 에서 Positive 및 Negative supply level 을 확인하고 핀 번호를 기록하자. Positive supply level: ,Pin: Negative supply level: ,Pin: 15.2 Inverting Amplifier The Inverting Amplifier 는 입력된 신호를 Gain 배 만큼 신호를 증폭 시키는 동시에, 입력된 신호의 극성을 전환시키는 역할을 한다. 이상적인 동작을 하는 OP amp 인 경우에 Vout 과 Vs 의 관계는 아래의 수식으로 나타낼 수 있다. Vout = − 15.2.1 Rf Vs Rs (15.1) Pre-Lab Vout=-5Vin 의 관계식을 따를 때, R f 와 Rs 값 5 개 조합을 제시하여라 예 1) 예 2) 예 3) 예 4) 예 5) 설계과제 - operational amplifier 119 Figure 15.1: Inverting Amp 실험회로도 Vout 과 Vin 의 관계식을 아래에 수학적으로 증명하여라. 15.2.2 실험 a) Rs 가 1kΩ 일때 R f , 를 1kΩ, 2kΩ, 5kΩ, 10kΩ 를 사용하였을 때 Gain 값을 계산하여라. 120 기초전자실험 및 설계 b) Vs 를 1V 를 인가하였을 때 각각의 실제 Vout 을 측정하고 실제 Gain 값을 구하여라. c) Rs 가 10kΩ 일때 R f , 를 1kΩ, 2kΩ, 5kΩ, 10kΩ 를 사용하였을 때 Gain 값을 계산하여라. d) Vs 를 -2V 를 인가하였을 때 각각의 실제 Vout 을 측정하고 실제 Gain 값을 구하여라. 설계과제 - operational amplifier 15.3 121 Non-Inverting Amplifier The Inverting Amplifier 과 달리, 입력된 신호를 Gain 배 만큼 신호를 증 폭시키지만, 입력된 신호의 극성은 동일하게 유지하는 역할을 한다. 이상적 인 동작을 하는 OP amp 인 경우에 Vout 과 Vs 의 관계는 아래의 수식으로 나타낼 수 있다. Vout = (1 + R1 )Vs R2 (15.2) Figure 15.2: Non-Inverting Amp 실험회 로도 Pre-Lab Vout =5Vin 의 관계식을 따를 때, R1 와 R2 값 5 개 조합을 제시하여라. 예 1) 예 2) 예 3) 예 4) 예 5) Vout 과 Vin 의 관계식을 아래에 수학적으로 증명하여라. 122 기초전자실험 및 설계 15.3.1 실험 a) Rs 가 1kΩ 일때 R f , 를 1kΩ, 2kΩ, 5kΩ, 10kΩ 를 사용하였을 때 Gain 값을 계산하여라. b) Vs 를 1V 를 인가하였을 때 각각의 실제 Vout 을 측정하고 실제 Gain 값을 구하여라. c) Rs 가 10kΩ 일때 R f , 를 1kΩ, 2kΩ, 5kΩ, 10kΩ 를 사용하였을 때 Gain 값을 계산하여라. 설계과제 - operational amplifier d) Vs 를 -2V 를 인가하였을 때 각각의 실제 Vout 을 측정하고 실제 Gain 값을 구하여라. Figure 15.3: Comparator 실험회로도 15.4 Comparator OP Amp 를 통하여 +/- 단자에 입력 되어진 전압을 비교하여 선택적으로 신호를 출력하는 회로를 구성 할 수 있다. 다양한 연속적인 입력신호를 123 124 기초전자실험 및 설계 Digitalize 화 시켜서 0/1 의 신호로 변환시킨다. V1 > V2 , Vout = Vcc+ (15.3) V1 < V2 , Vout = Vcc− 15.5 Schmitt Trigger Comparator 의 경우와 달리 Vcc+ /Vcc− 를 출력시키는 기준 전압을 결정 할 수 있다. Figure 15.4: Schmitt Trigger 실험회로도 Pre-Lab Inverting amplifier 의 수식을 참고해서, Schmitt trigger 에서 Vn 에 대해 서 아래에 수식을 정리하여라. 설계과제 - operational amplifier Vn 이 0 인경우에 대해서 Vin 의 식을 유도하고, Vout 값은 Vcc+ 값을 가지게 된다. 따라서 Vin 의 값에 따라서 Comparator 원리에 의해서 Vcc+ /Vcc− 값을 가지게 된다. 따라서 Vcc+ /Vcc− 값을 출력할 수 있는 기 준 (Vth ) 값을 결정하게 된다. 15.5.1 실험 The Schmitt Trigger 를 이용하여 Sin 함수를 Digitalizing 하려고 한다. 입력신호가 1V 이상이면, +5V, 입력신호가 -1V 이하이면 -5V 출력하려고 한다. (Rs =1kΩ, Vs 진폭 5+, 주파수 1kHz) a) 예상되는 출력함수의 파형은 어떠한 모양을 가질것인가 ? 125 126 기초전자실험 및 설계 b) Vth+ 및 Vth− 를 각각 +1V/-1V 로 지정 해야 한다. Rs 및 R f 를 결정하여라. c) 측정결과를 기록하여라. 16 설계과제 - Light Gate 실험목적 외부에서 인가되어지는 광신호를 전기전으로 변환시켜, 자동문이나, 광센 서로 사용가능한 회로 구성해보고, 결과를 예측해본다. 16.1 Pre-Lab 이번실험에서는 Solarcell 을 외부에서 인가되어지는 광신호를 탐지하는 Sensor 로 사용하려고 한다. 광신호가 인가되었을 때 출력되는 전기적 특성은 광량의 세기에 따라 달라지며, 이번 실험에서는 광원과 Solarcell 사이의 거리를 조절하여 최적화된 실험조건을 미리 확보한다. 거리 1 cm 2 cm 3 cm 4 cm 5 cm 10 cm 20 cm Von Vo f f Von /Vo f f Ion Io f f Ion /Io f f 위에서 측정 되어 진 조건을 토대로 센서의 회로를 구성 하려 한다. 다 음의 단계에 따라서 필요한 회로를 아래의 단계에 따라 설계하여라. 앞에서 학습한 단위회로의 명을 생각하여 기입해보자 Step 1: 외부에서의 광신호에 따른 전기적 특성 변화가 관측 Table 16.1: 거리에 따른 측정치 128 기초전자실험 및 설계 Answer: Step 2: 신호의 증폭 Answer: Step 3: 연속적인 신호를 on/off 또는 1/0 으로 Digitalization Answer: Step 4: Digitalized 되어진 두 신호를 LED 다이오드를 통하여 센싱 결과 표시 Answer: 설계과제 - light gate 16.2 실험 1 외부에서 인가되어지는 광신호를 전기전으로 변환시켜, 자동문이나, 광센 서로 사용가능한 회로 구성해보고, 실제결과를 확인해보자. 20 nm 떨어진 광원의 유무에 따른 신호를 5 배 증폭하는 회로를 구성하 고, 이를 Digitalization 을 통하여 LED 를 통하여 감지를 결정하는 회로를 구성해보고 결과를 확인해보자. 129 130 16.3 기초전자실험 및 설계 실험 2 자동차의 후미센서의 경우 벽과의 거리가 가까워지면 경보음으로 운전자 에게 경고를 해준다. 이와 유사하게 센서와 광원과의 거리가 20 cm 이하가 되면 사용자에게 경고를 해주는 거리 센서 회로를 구성해보고, 실제 결과를 확인해보자. 17 설계과제 - Audio Synthesizer 실험목적 555 Timer IC 를 이용하여 출력신호의 주파수를 바꾸어 보자. 또한 이를 이용하여 Synthesizer 를 만들어보자. 17.1 Pre-Lab 555 timer 의 모델을 확인하고 Circuit Diagram 을 아래에 그려보자. 555 timer 를 사용하는 경우 출력 파형은 인가되어진 스위치의 동작에 따라서 충전시 시간과 방전시 시간의 합으로 출력된 AC 함수의 주기를 결정 할 수 있다. 132 기초전자실험 및 설계 충전시 : t1 = 32 ∗ ( R A + R B ) ∗ C 충전시 : t2 = 23 ∗ ( R B ) ∗ C 위의 식을 토대로 R A , R B 및 C 값을 이용하여 발생 되어지는 함수의 주파수 구하는 식을 유도하여라. 유도한 공식을 토대로 아래의 경우에 대해서 주파수를 계산해보자. RA RB C T1 T2 Frequency 17.2 1kΩ 1kΩ 100uF 2kΩ 2kΩ 100uF 5kΩ 5kΩ 100uF 10kΩ 10kΩ 100uF 50kΩ 50kΩ 100uF 100kΩ 100kΩ 100uF 실험 1 555 Timer IC 칩을 가지고 아래의 회로를 구성하자 C 를 220 nF 를 사용 하고, R a 값을 100Ω, 500Ω, 1kΩ, 2kΩ, 5kΩ, 및 10kΩ 를 사용하였을 때 두개의 LED 의 변화의 상태를 설명하여라.실험을 진행 하기전 RESET 을 Table 17.1: 주파수 유도식에 따른 주파수 값 계산결과 설계과제 - audio synthesizer 133 Figure 17.1: 실험 1 회로도 VCC 와 연결하자. R B =0Ω 으로 고정하고, R A 를 1Ω, 5Ω, 10kΩ, 50kΩ, 과 100kΩ 을 열결하여 LED 의 결과가 어떻게 달라지는지 설명하여라. 17.3 실험 2 555 Timer IC 칩을 가지고 아래의 회로를 구성하고 스피커에서 특정 주파 수대의 소리가 남을 확인해보자 진행 하기전 RESET 을 VCC 와 연결하자. R B = 1kΩ 으로 고정하고 C 는 220 nF 으로 값을 고정하자. 아래의 음계를 구현하기 위한 RA 값을 계산하고, 실제 사용한 RA 값을 기록하여라. Tone C D E F G A B Frequency (Hz) 262 294 330 349 392 440 494 R A (계산값) R A (실험값) Table 17.2: 주파수 유도식에 따른 주파수 값 계산결과 134 기초전자실험 및 설계 Figure 17.2: 실험 2 회로도 17.4 실험 3 이전 회로의 RA 부분을 아래와 같이 확장하여 SW1-SW7 의 on/off 에 따라서 다른 소리를 내는 Synthesizer 를 제작해보자. 각각의 스위치에서 도에서 시까지 의 다른 톤이 나도록 저항값을 결정하고 간단한 음악을 연 주해보자. RA4 를 임의로 결정하고, 이에 따른 저항값을 연결하여, 실제로 음이 나는지 확인해보자. Figure 17.3: 실험 3 회로도 Bibliography

기초전자실험 및 설계: 전자공학 실험 교재

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