전기회로의 기초지식

전기회로의 기초지식

1. 전류ㆍ전압ㆍ전기 저항의 관계

1) 전류(Current)

전류는 전하의 흐름을 의미합니다. 단위는 '암페어(Ampere)'입니다. 전자가 한 방향으로 움직이는 것을 전류라고 합니다.

2) 전압(Voltage)

전압은 전하가 일을 하는 능력을 나타내며, '볼트(Volt)' 단위로 측정됩니다. 전압은 전기 에너지를 전달하는 힘으로 생각할 수 있습니다.

3) 전기 저항(Resistance)

전기 저항은 전류의 흐름을 저항하는 정도를 나타냅니다. 단위는 '옴(Ohm)'입니다.

이 세 가지 요소는 '옴의 법칙'으로 연결됩니다. 옴의 법칙은 "전류는 전압과 직접적으로 비례하고, 저항과는 반비례한다"를 의미합니다. 수식으로 표현하면 I=V/R 입니다. 여기서 I는 전류, V는 전압, R은 저항을 나타냅니다.

예를 들어, 전압이 증가하면 전류도 증가하고, 저항이 증가하면 전류는 감소합니다.

2. 저항의 직ㆍ병렬회로

1) 직렬 연결(Series Circuit)

직렬 연결에서는 모든 전자기기가 하나의 회로에 연결되어 있습니다. 이 경우, 전류는 모든 저항을 통해 동일하게 흐릅니다. 하지만, 전압은 연결된 저항에 따라 분배됩니다. 직렬 연결에서 전체 저항은 각 저항의 합계와 같습니다.

즉, R_total = R1 + R2 + R3 + ... 입니다.

2) 병렬 연결(Parallel Circuit)

병렬 연결에서는 전자기기가 별도의 회로에 각각 연결됩니다. 이 경우, 전압은 모든 저항에 대해 동일하게 유지되지만, 전류는 각 저항에 따라 분배됩니다. 병렬 연결에서 전체 저항은 각 저항의 역수의 합의 역수와 같습니다.

즉, 1/R_total = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ... 입니다.

이 두 가지 연결 방식은 전기회로 설계에 있어 중요한 역할을 합니다. 어떤 방식을 선택하느냐에 따라 전기회로의 동작 방식과 성능이 크게 달라질 수 있습니다.

3. 직류회로의 전력ㆍ전력량

1) 전력(Power)

전력은 단위 시간 동안 전달되는 전기 에너지의 양을 의미합니다. 단위는 '와트(Watt)'입니다. 직류 회로에서 전력은 전압과 전류의 곱으로 계산됩니다. 즉, P = V * I입니다. 여기서 P는 전력, V는 전압, I는 전류를 나타냅니다. 이는 장치가 얼마나 많은 전력을 사용하거나 발생시키는지를 나타냅니다.

2) 전력량(Energy)

전력량은 사용된 전력의 총량을 의미합니다. 단위는 '조울(Joule)' 또는 '와트시(Watt-hour)'입니다. 전력량은 전력과 사용 시간의 곱으로 계산됩니다. 즉, E = P * t입니다. 여기서 E는 전력량, P는 전력, t는 시간을 나타냅니다. 이는 장치가 얼마나 많은 에너지를 사용하거나 저장했는지를 나타냅니다.

이 두 가지 개념은 전기회로의 성능을 평가하고, 에너지 사용량을 계산하는 데 중요한 역할을 합니다.

4. 정현파교류 기전력

정현파 교류 기전력은 주기적으로 크기와 방향이 변하는 전압을 말합니다. 삼각함수의 형태, 특히 사인 함수 또는 코사인 함수의 형태로 표현됩니다. 그래서 이를 '정현파'라 부릅니다.

정현파 교류 기전력의 주요한 특성은 다음과 같습니다.

1) 진폭(Amplitude)

진폭은 정현파의 최대 높이를 나타내며, 교류 전압의 최대값을 의미합니다.

2) 주파수(Frequency)

주파수는 단위 시간 동안의 정현파의 주기 수를 나타냅니다. 단위는 '헤르츠(Hertz)'입니다.

3) 위상(Phase)

위상은 정현파가 시간 축에 대해 얼마나 이동되어 있는지를 나타냅니다. 이는 주로 두 개 이상의 정현파가 서로 어떻게 상대적으로 위치하는지를 설명하는 데 사용됩니다.

정현파 교류는 전력 회사에서 발전하여 주택과 사무실로 전달하는 전력 형태입니다. 이는 변압기를 통해 쉽게 전압을 상향 또는 하향 조정할 수 있기 때문에, 전력 전송에 매우 효율적입니다.

5. 정현파교류의 순시값ㆍ평균값ㆍ실효값

1) 순시값(Instantaneous Value)

순시값은 특정 시점에서의 전압 또는 전류의 크기를 나타냅니다. 정현파 교류 전압의 경우, 시간에 따라 순시값은 변하며, 이 값은 정현파의 진폭과 주파수에 의해 결정됩니다.

2) 평균값(Average Value)

평균값은 정해진 시간 동안의 순시값들의 평균을 의미합니다. 하지만, 정현파 교류 전압의 경우, 평균값은 일반적으로 0V입니다. 왜냐하면 전압이 양수와 음수로 반복되기 때문에 전체 평균이 0V가 되기 때문입니다.

3) 실효값(RMS Value)

실효값은 "Root Mean Square"의 약자로, 순차적으로 제곱하고 평균을 내고 다시 제곱근을 취한 값입니다. 이는 교류 전압 또는 전류의 유효한 값을 나타내며, 이 값이 동일한 전력을 전달하는 직류 전압 또는 전류에 해당합니다. 정현파 교류전압의 경우, 실효값은 최대 진폭의 1/루트2 (약 0.707)입니다.

이 세 가지 값은 전기회로의 성능 분석 및 설계에 중요한 역할을 합니다. 특히 실효값은 전력 계산에 사용되며, 전기기기의 명판에 표시된 전압 및 전류 값은 일반적으로 실효값을 의미합니다.

6. 교류의 저항ㆍ코일ㆍ축전기회로

1) 교류의 저항(Resistance in AC)

교류 회로에서도 저항은 전류의 흐름을 저항하는 역할을 합니다. 저항은 주파수에 무관하게 일정하며, 저항에 의한 전압과 전류는 동일한 위상을 가집니다.

2) 코일(Inductor in AC)

코일은 전류의 변화에 반응하여 전자기장을 생성하는 전기 부품입니다. 이때 생성된 전자기장은 전류를 방해하여 '인덕턴스'라는 것을 생성합니다. 교류 회로에서 인덕턴스는 '반응성'으로 표현되며, 이는 주파수에 비례합니다. 코일에서의 전압과 전류는 90도 위상 차이를 가집니다.

3) 축전기(Capacitor in AC)

축전기는 전하를 저장하는 역할을 합니다. 교류 회로에서 축전기는 전압의 변화에 반응하며, 이러한 특성을 '용량성'이라고 합니다. 용량성은 주파수에 반비례하며, 축전기에서의 전압과 전류는 90도 위상 차이를 가집니다.

이 세 가지 부품은 각각 다른 방식으로 교류 신호에 반응하며, 이들의 조합을 통해 다양한 전기회로를 설계하고 구현할 수 있습니다.

7. 교류의 조합회로

교류의 조합 회로는 저항, 인덕턴스, 용량성을 조합한 회로를 의미합니다. 이들 요소는 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있습니다.

1) RLC 직렬 회로

RLC 직렬 회로에서는 전류가 모든 요소를 통해 동일하게 흐릅니다. 각 요소에 걸리는 전압은 그 요소의 저항성, 반응성 또는 용량성에 따라 달라집니다. 이 회로의 전체 임피던스는 각 요소의 임피던스의 벡터 합으로 계산됩니다.

2) RLC 병렬 회로

RLC 병렬 회로에서는 전압이 모든 요소에 걸쳐 동일하게 유지됩니다. 각 요소를 통과하는 전류는 그 요소의 저항성, 반응성 또는 용량성에 따라 달라집니다. 이 회로의 전체 임피던스는 각 요소의 임피던스의 역수의 합의 역수로 계산됩니다.

이러한 회로에서 중요한 개념은 '임피던스(Impedance)'입니다. 임피던스는 교류에서의 '저항'으로 생각할 수 있으며, 저항, 인덕턴스, 용량성의 복합적인 효과를 나타냅니다.

8. 삼상교류 기전력

삼상 교류 회로는 세 개의 독립적인 교류 전원이 동일한 주파수를 가지고, 서로 120도의 위상 차이를 가지면서 동작하는 회로를 의미합니다. 이러한 구성은 전력 시스템에서 전력을 생성하고 전달하는 데 널리 사용됩니다.

스타 결선(또는 Y결선)은 삼상 회로의 한 형태로, 세 개의 교류 전원(또는 부하)이 한 공통점에서 연결되는 형태를 말합니다. 이 공통점을 '중성점(Neutral)'이라고 부릅니다. 스타 결선에서, 각 선간 전압은 각 선간 전압의 평균에 루트 3을 곱한 값과 같습니다. 또한, 선 간 전류는 각 선의 전류와 동일합니다.

스타 결선은 전력 시스템에서 중성선을 통해 불균형 부하를 균형시키는 데 사용되며, 또한 각 선의 전압을 낮추는 데 사용됩니다. 이러한 특성 때문에 스타 결선은 주로 전력 시스템의 변압기에서 사용됩니다.

9. 삼상교류회로의 스타 결선

삼상 교류 회로는 세 개의 독립적인 교류 전원이 동일한 주파수를 가지고, 서로 120도의 위상 차이를 가지면서 동작하는 회로를 의미합니다. 이러한 구성은 전력 시스템에서 전력을 생성하고 전달하는 데 널리 사용됩니다.

스타 결선(또는 Y결선)은 삼상 회로의 한 형태로, 세 개의 교류 전원(또는 부하)이 한 공통점에서 연결되는 형태를 말합니다. 이 공통점을 '중성점(Neutral)'이라고 부릅니다. 스타 결선에서, 각 선간 전압은 각 선간 전압의 평균에 루트 3을 곱한 값과 같습니다. 또한, 선 간 전류는 각 선의 전류와 동일합니다.

스타 결선은 전력 시스템에서 중성선을 통해 불균형 부하를 균형시키는 데 사용되며, 또한 각 선의 전압을 낮추는 데 사용됩니다. 이러한 특성 때문에 스타 결선은 주로 전력 시스템의 변압기에서 사용됩니다.

10. 삼상교류회로의 델타 결선

델타 결선(또는 Δ 결선)은 삼상 회로의 한 형태로, 세 개의 교류 전원(또는 부하)이 서로 삼각형 형태로 연결되는 구성을 말합니다. 이 이름은 그리스 알파벳의 '델타'자와 이 연결 구조가 유사하기 때문에 붙여졌습니다.

델타 결선에서, 각 선간 전압은 각 선의 전압과 동일합니다. 반면, 선 간 전류는 각 선의 전류의 평균에 루트 3을 곱한 값과 같습니다.

델타 결선은 높은 전류 용량이 필요한 고전압 시스템에서 자주 사용됩니다. 또한, 델타 결선은 변압기 없이 세 개의 단상 부하를 공급하는 데 사용할 수 있습니다.

삼상 교류 회로는 스타 결선과 델타 결선의 두 가지 주요한 연결 방식을 가지며, 각각은 그 적용에 따라 다른 이점과 단점을 가집니다.

11. 교류회로의 전력

교류 회로에서 전력은 일반적으로 두 가지 형태로 나타납니다: 실제 전력과 반응 전력입니다.

1) 실제 전력(Active or Real Power)

실제 전력은 회로 내의 저항적 부분에서 소비되는 전력을 의미합니다. 이는 실제로 작업을 수행하는 데 사용되는 에너지로, 단위는 '와트(Watt)'입니다. 실제 전력은 P=VIcosΦ로 계산되며, 여기서 V는 전압, I는 전류, Φ는 전압과 전류 사이의 위상 차이입니다.

2) 반응 전력(Reactive Power)

반응 전력은 회로 내의 반응성 부분(코일 또는 축전기)에서 소비되는 전력을 의미합니다. 이는 에너지를 저장하고 반환하는 데 사용되며, 실제로 작업을 수행하는 데는 사용되지 않습니다. 단위는 '바르(VAR)'입니다. 반응 전력은 Q=VIsinΦ로 계산됩니다.

이 두 가지 전력의 벡터 합은 '피상 전력(Apparent Power)'을 생성하며, 이는 전체 전력을 나타냅니다. 피상 전력은 '볼트-암페어(VA)' 단위로 표현되며, S=VI로 계산됩니다.

12. 브릿지회로

브릿지 회로는 네 개의 저항이 정사각형 모양으로 연결된 회로를 의미합니다. 이 회로는 두 개의 입력 단자와 두 개의 출력 단자를 가지며, 중간에 '브릿지'라는 저항을 연결할 수 있습니다.

브릿지 회로의 주요한 특성은 다음과 같습니다.

1) 밸런스

브릿지 회로는 '밸런스' 상태일 때 가장 효율적으로 동작합니다. 이는 네 개의 저항이 적절하게 맞춰져 있어 출력 전압이 0V가 되는 상태를 말합니다. 이 상태에서는 브릿지 저항의 영향이 최소화됩니다.

2) 민감도

브릿지 회로는 매우 높은 민감도를 가집니다. 이는 작은 저항의 변화도 쉽게 감지할 수 있다는 뜻입니다. 이러한 특성 때문에 브릿지 회로는 센서, 측정 장치 등에서 널리 사용됩니다.

3) 조정 가능

브릿지 회로의 저항은 사용자가 쉽게 조정할 수 있습니다. 이는 회로의 성능을 다양한 상황에 맞게 조정할 수 있다는 뜻입니다.

휘트스톤 브릿지 회로는 브릿지 회로의 한 예로, 저항의 정밀한 측정에 사용되는 회로입니다. 이 회로는 네 개의 저항과 한 개의 가변 저항을 사용하여 미지의 저항값을 측정할 수 있습니다.

위와 같이 아날로그 회로의 기초에 대해서 세번의 글에 걸쳐 알아보았습니다. 쉽지 않네요~~^^;

감사합니다.