전자회로 해석 및 설계 1일차

전류(Current)

• 전하의 이동 또는 흐름, 단위시간(1초)당 이동한 전하량
• 단위 : [A]
• 1A = 1초동안 1C의 전하가 통과하는 것

전류의 방향

• +방향 : 양전하(hole)이 이동한 방향 즉, 전자가 이동한 반대 방향. 실제로는 양전하는 움직이지 않음
• -방향 : 음전하가 이동한 방향
• 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐름

전압

• 두 지점간의 전위차

접지(Ground)

 

• 전위를 측정하는데 기준점이 되는 지점, 접지의 전압은 0V

회로해석

• 모든 노드와 모든 브랜치에 흐르는 전압과 전류를 측정하는것

 

옴의 법칙

• 전류는 높은 전위에서 낮은 전위로만 흐른다
• 전류의 방향에 따라 저항 양단에 걸리는 전압의 극성도 달라진다. 
• 전류가 들어가는 쪽이 +, 전류가 나오는 쪽이 - 극성이 된다. 

옴의 법칙

수동소자 연결

저항

• 직렬연결

• 전압은 분배되고, 전류는 동일하다. 
• 합성저항값은 저항을 모두 더한 값이다. 따라서 합성저항값은 저항을 더할수록 커진다.

• 병렬연결

• 전압은 동일하고, 전류는 분배된다. 
• 합성저한값은 각 저항의 역수를 취해 더한 값을 역수를 취한 값이다. 따라서 합성저항값은 저항을 더할수록 작아진다. 
• 병렬연결에서 저항과의 차이가 크다면 저항 중 가장 작은 값과 유사해진다. 

1. 같은 값의 저항이 병렬연결 되어있을 때 합성저항값은 1/N이 된다.
2. 어떤 저항의 두배가 되는 저항이 병렬연결 되어 있는 경우 2/3R이 된다. 

• 표준저항값

 

정격전력

소자마다 견딜 수 있는 전력의 한계가 있는데 이 전력값을 정해놓은 값을 정격전력이라고 한다. 정격전력을 초과하게 되면 소자가 타버려 회로에 문제가 생길 수 있다. 일반적으로 많이 쓰는 산소피막저항의 경우 정격전력은 약 0.25W정도이다.  

 

정격전압이 1W인 1k저항이 있다고 하자. 1.5W 회로가 있다고 하면 이 저항은 버티지 못할 것이다. 하지만 500옴, 1W인 저항을 직렬 또는 병렬 연결하면 전압 또는 전류가 분배되면서 2W의 전력을 버틸 수 있게 된다. 원하는 저항값을 만들어내는 것 이외에도 전력값을 조정할 수 있다. 따라서 더 큰 정격전력을 사용하지 않아도 회로를 구성할 수 있다. 

 

휘스톤 브릿지

Node = 4개

Junction = 4개

R4 * R8 = R5 * R7인 상황에서, R6 양쪽의 전위는 둘 다 5V이다. 따라서 R6이 저항에는 전류가 흐르지 않는다. 

하지만 저항값이 바뀌어 R6 양단에 전위차가 생기게 되면 R6양단에 전압이 생겨 중간에 전류가 흐르게 된다. 

따라서 저항값이 변하면 전압이 변경되는 회로라고 할 수 있다. 휘스톤 브릿지 회로는 주로 센서 회로에 사용된다. 

센서는 물리적인 변화를 전기 신호로 바꾸어주는 회로를 의미한다. 온도 센서를 예로 들면, 백금 저항을 사용하면 일반적인 저항과 달리 온도에 따라 저항값이 크게 변하기 때문에, 이 저항값의 변화를 측정하면 온도를 알 수 있다. 하지만 저항값의 변화를 측정하기 어렵기 때문에, 측정하기 쉬운 전압으로 바꿔서 변화를 측정한다.

R6의 전압의 변화는 너무 미세하기 때문에 OPAMP를 달아 신호를 증폭해준다. 

 

캐퍼시터 

• 직렬연결

• 직렬연결일 때 저항의 병렬연결 계산법을 사용해 계산한다.

 

• 병렬연결

• 병렬연결일 때 저항의 직렬연결 계산법을 사용해 계산한다

 

 

 

 

 

캐퍼시터 

• 직렬연결

• 직렬연결일 때 저항의 병렬연결 계산법을 사용해 계산한다.

 

• 병렬연결

• 병렬연결일 때 저항의 직렬연결 계산법을 사용해 계산한다

인덕터

 

 

전원

회로에 전력을 공급하는 소자

Voltage Source(전압원)

• 회로(부하)에 일정한 전압을 공급하는 소자
• 부하변동에 무관하게 일정한 전압을 공급
• 전압원이 공급하는 전류는 부하(Load)가 결정함
• 이상적인 전압원의 직렬로 연결된 내부저항은 0옴
• 실제 건전지나 전원장치는 수 밀리옴~수 옴 의 내부 저항을 가진다.

이상적인 전압원의 특징

• 일정한 전압을 공급해야함
• 무한대의 전류를 공급할 수 있어야함
• 좋은 전원회로의 특징이 이상적인 전압원의 특징

이상적인 회로(앞단의 전압이 뒷단에 전압으로 손실 없이 전달되는 회로)가 될려면 Zs는 0, Zl은 무한대여야 전압이 잘 전달된다. 하지만 Zs가 작지 않거나 Zl이 충분히 크지 않다면 부하 효과(Load Effect)라는 효과가 발생한다. 

 

Current Source(전류원)

• 실제 전류원이라는 부품은 존재하지 않음
• 트랜지스터, 레귤레이터 등을 이용해 전류원처럼 동작하는 회로를 구성할 수 는 있음
• 이상적인 전류원은 부하원에 무관하게 일정한 전류를 공급해야함

전류원과 전압원은 서로 형태를 변경할 수 있다. 

증폭기

증폭기의 입력 저항은 최대, 출력 저항은 최소가 되어야 한다.

 

차동증폭기 

일반 증폭기를 사용하면 노이즈도 같이 증폭이 되지만, 차동증폭기는 노이즈는 증폭시키지 않는다. 

 

시뮬레이션

시뮬레이션의 회로는 모두 이상적인 회로이기 때문에 아래의 오류가 발생할 수 있다. 

키르히호프 법칙

KCL(Kirchhoff's Current Law)

어떤 회로의 노드에 유입되는 전류의 합은 유출되는 전류의 합과 같다.

 

KVL(Kirchhoff's Voltage Law)

폐회로에서 각 소자에 걸리는 전압의 총합은 0이다. 

 

 

왼쪽의 회로에서, R1에 걸리는 전압은 6V이다. (V1 + V2 + V3 = V_r1) 폐회로에서 소자에 걸리는 전압의 총 합은 0이기 때문이다.

 

오른쪽의 회로에서, R2, R3, R4에 걸리는 전압은 각각 1, 2, 3V이다. V_R1 + V_R2 + V_R3 = V4이기 때문이다. 

 

왼쪽의 회로에서, R5저항을 통해 오는 3ma의 전류는 1ma로 나뉘어 R5, R6, R7로 나뉜다. 

 

오른쪽의 회로에서, R10 R11 R12는 병렬로 연결되어 있다. 합성저항을 구하면 2k이므로, R9쪽 브랜치에 흐르는 전류는 3ma이다. 따라서 왼쪽과 같이 1ma씩 나뉘어 흐른다. 

 

 

이번에는 위의 회로를 Pspice를 이용해 전압과 전류를 구해본다. 

전압, 전류를 보기 위해서는 Bias Point를 선택한다. 

 

좌측 상단에 있는 V, I, W를 누르면 각 소자의 전압, 전류, 전력을 구할 수 있다. 

 

 

전류표시를 마우스로 당겨보면 점선이 표시되는데, 이 점선은 소자의 점선쪽 핀을 통해 들어가는 전류를 의미한다. 

 

중첩의 원리

회로에 여러개의 전원이 있을 때는 각각 전압원이 내는 출력을 계산해 모두 더해주면 된다. 하는 과정에서, 전압원은 단락시키고 전류원은 개방시킨다. 

 

1. V1전압원만 고려(V2 단락, I1 I2 개방)