안녕하세요, 넌준일기 Electronic & Computer Engineering - 회로 이론의 첫 시간입니다.
회로 이론을 앞으로 N회 포스팅하면서 내용을 총 정리하려고 합니다.
공대에서 회로 이론 Tutor 로써 활동한 경험을 살려,
'어떻게 하면 회로 이론을 빠르게 이해하고 실전에 사용할 수 있을까' 에 대한 고민에서 출발한 포스팅입니다.
이번 포스팅에서는 회로 구성 소자를 간략히 소개하고, 회로 이론에서 다루는 용어에 대해서 정리한 후,
'Passive Sign Convention' 에 대한 설명으로 마무리될텐데요,
(1) 회로 구성 소자
그림 1. 1
[회로 이론]에서 다루는 모든 Elements 는 전압과 전류와 관련되어 있습니다.
회로의 동작에서 전압과 전류 없이는 거의 물리적인 관계를 설명할 수 없다고 볼 수 있는데요,
그런 만큼! 전압(Voltage)와 전류(Current)의 개념을 이해하고, 이를 각 소자별로 해석할 수 있는 훈련을 하는 것이 상당히 중요합니다.
(그림 1.1)처럼 그 상자에서는 두개의 단자가 있으며, 이 두개의 단자를 통해 전압이 인가되고, 전류가 흘러들어갔다가 나오고 있는 상황이라고 보시면 될 것 같아요.
Passive Circuit Element(수동 소자) VS Active Circuit Element(능동 소자)
수동 소자와 능동 소자의 근본적인 차이를 에너지에 차이가 있습니다. 이 에너지를 활용하는 방식에 있어서의 차이를 명확히 해두는 것이 중요합니다.
Passive Circuit Element(수동 소자)
우선, 수동 소자에는 대표적으로 Linear 한 저항(Resistor)과 인덕터(Inductor), 커패시터(Capacitor), 그리고 다이오드(Diode) 를 예로 들 수 있습니다.
이 소자는 모두, 회로 이론 상에서 굉장히 중요하게 다뤄지며, V-I 관계를 명확히 보여주고 있습니다.
L 과 C 에 대한 것들은, Op-Amp 를 다룬 후, 새로운 챕터에서 다시 보도록 할게요.
Diode 의 경우에는, ideal 한 Case 에서 Diode 가 ON 되어 있을 때는 Linear 한 성질을 보여주지만, Total DC Graph 에서는 그렇지 않다고 볼 수 있겠습니다. 중학교나 고등학교 때 p-n 발광 다이오드를 직접 연결해보는 활동을 하셨더라면, 특정 전압 차 이상에서만 다이오드가 작동한다는 것을 잘 알고 계실 거라 생각합니다.
Active Circuit Element(능동 소자)
Active Circuit Element 하면, 우리는 바로 트랜지스터(Transistor)를 떠올릴 수 있을 거에요.
MOSFET, JFET, BJT 등은 사실 아날로그 회로나 디지털 회로나 신호를 처리하는 대부분의 Circuit 내부의 거의 모든 Component 에 들어갈 수 있는 역량을 가지고 있어요. 물론, 구체적인 작동에 있어서의 차이가 분명 존재하지만, 지금 이러한 차이를 배우지는 않을 거니까,
능동 소자에는 대표적으로 트랜지스터가 있다.. 정도만 알고 계시면 좋을 것 같습니다.
Source (전원)
소스는, 어떠한 원천이에요.
회로가 구동되기 위해서는 에너지를 가해줄 필요가 있는데 그 에너지를 제공하는 부분이라고 생각하시면 됩니다.
대표적으로 특정 Node에 일정한 전압을 가해주는 Voltage Source(전압원)과 Current Source(전류원)을 꼽을 수 있습니다.
세부적으로는 이 전원이 독립전원이냐, 종속전원이냐에 따라 나뉘는데, 이는 아래에 세부적으로 분류를 적어두었으니, 읽어보시면서 확인해보시면 좋을 것 같습니다.
독립전원과 종속전원
independent source 는 어떤 변화가 일어나든 ideal 하게 정해진 물리량을 공급해주는 전원이라면, Dependent Source 는 회로 상에서 특정된 성분(전류나 전압)과 연관성을 갖고 그 성분에 따라 다른 양을 공급하는 전원입니다.
복잡한 회로를 해석할 때, 종속 전원에 의해 발생하는 Constraint Equations 를 잘 기술해두고, 해당 방정식을 통해 변수를 줄여나가는 것이 굉장히 중요합니다.
그림 1.2
종속전원은, 그림 1.2 처럼 회로 상의 전류에 의해 Control 되는지, 전압에 의해 Control 되는지에 따라 종속 전원의 이름이 달라집니다.
- Voltage Source
1. Independent Voltage Source
2. Dependent Voltage Source
- Current Source
1. Independent Current Source
2. Dependent Current Source
회로를 전자들이 물처럼 흐르는 수도관이라고 이해하시면 굉장히 첫걸음이 쉬웠던 거 같아요. 물은 당연히, 가만히 있지 않고, 중력에 의해 더 아래로 흘러가는 모습을 보여줘요. 양전자도 비슷해요. 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러간다고 생각하시면, 매우 물리적으로 명확하다고 볼 수 없지만, 관념적으로 우리가 이해하기 좋은 형태라고 생각합니다.
물은 우리에게 굉장히 친숙하니까요,, ㅎㅅㅎ
예제
그림 1.3
예제[그림 1.3]를 통해 이해해보자.
전압원은 마치 역량을 부여할 수 있는 것과 같은데, 이 역량은 회로 상에 Node 에 부여된다. 회로 위에서 회로 소자에 의해 구분되지 않은 노드의 경우에는 전부 같은 전압을 갖는다. 그 이유는 Ideal 한 전선은 전부 도체이고, 분리되지 않은 동일 도체 상에서는 위치에 따른 전압 차이가 발생하지 않기 때문이에요. (표면 제외)
'물'의 개념에 비유하자면, 물을 다른 높이에 두었는데, 1번 예제의 경우 흐르지 않아야 한다고 주장하는 것과 다를 바가 없어요
즉, 1번 예제의 경우, 같은 노드 상에서의 전압 차이가 발생하므로 불가능한 회로 연결임을 이해할 수 있어야 합니다.
예제를 통해 같은 노드끼리는 전압이 다를 수 없음과 도체에는 전하가 축적되지 않는 '전하량 보존'의 개념을 명확히 알고 넘어가야 합니다.
회로 용어 정리
Node 와 Branch의 개념은 특히나 중요합니다.
추후에 회로 해석에 기본이 되는 키르히호프 방정식에 대해서 배울 때 KVL 과 KCL 방정식 개수를 아는 것에 있어 굉장히 중요한 기본 지식이 되니까, 꼭 한번씩은 이해해두고 넘어가시길 추천드립니다😊
(2) 물리량과 SI unit + 예제
그림 2.1
전압, 전류, 전력의 개념을 이해하고, 실제 회로 상에서 설정한 방향과 부호를 잘 판단하는 것에 집중할게요.
전압원와 전압
이건 마치, 물을 갑자기 높은 위치로 올려주는 역할이라고 생각하시면 편합니다. 양의 전자들의 흐름을 전류의 방향이라고 인식하고, 실질적으로 (-)전하를 띈 전하들이 전류의 반대방향으로 흐른다는 것을 일반물리 시간과 고등학교 물리 시간을 통해 배웠을 겁니다.
그 움직이는 친구의 역량을 한층 높여주는 친구가 바로 전압원이에요.
물은 그만큼 밑으로 더 잘 움직일 수 있는 역량을 갖게 되는 것처럼, 전자도 이동할 수 있는 역량이 더 강해집니다.
그림2.2
전류원과 전류
전류원은, 굉장히 생소하실 거에요. 처음 배울 때는 이게 뭐지,, 싶을텐데, 물을 계속 같은 양으로 흘려주는 장치라고 생각하시면 편합니다.
마치 회로의 wire에서의 초당 전하의 변화량을 일정하게 맞춰주는 역할을 하고 있습니다.
제일 중요한 건 전류원의 양단의 전압차 와는 무관하게, 전류가 흐르기 때문에 전류원 양단 전압을 '미지의 전압'으로 설정하고 문제를 푸는 것이 일반적입니다.
예제
회로 이론에서 방향과 부호를 잘 설정하는 것은, 굉장히 중요하다. 미리 예제[그림2.3]를 풀며 학습해보자.
소모 전력이 40W일 때 전류 I1 과 I2를 구하는 예제이다. 5Volt 의 전압차에 의해 B노드가 A노드보다 5볼트 더 높은 전압에 있기 때문에, Z 에는 양전하의 방향, 즉 전류의 방향이 높은 전압에서 낮은 전압 방향인 B-> A 임을 알 수 있어요.
따라서, I1 입장에서는 -8(A), I2 는 8(A) 임을 확인할 수 있어요.
그림2.3
(3) Passive Sign Convention
그림3.1
* 하나의 소자에서 전류에 대한 기준 방향이 그림3.1과 같이 소자를 가로지르는 기준 전압 강하 방향과 동일할 때,
전압과 전류 관계에 있어 양의 부호(+)를 사용하여 표현합니다.
사소한 것이지만, 이걸 몰라서, 인덕턴스에 가서 헷갈리는 경우가 많았던 것 같으니, 이해하려고 노력해보자.
다음 시간에는 회로를 해석하기 위한 기본 회로 법칙과 각 회로 소자가 가진 물리적 특징, 특히 저항에 대해서 다뤄보면서, 재미를 느껴볼까요?
감사합니다.
넌준 드림.
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