전자기본(1)

[Jerry]

V(전압)/I(전류)/R(저항) 의 개념 및 전력 Load(부하)

Signals(신호소스)가 Circuit 을 통해서 신호처리(비교기/증폭/필터/인버터/임피던스변환) 후에 Load(부하)에 전달되어 전달됩니다. 혹은 센서(Sensors)로 부터 입력된 신호들이 signal conditioning 회로를 통과하여 MCU (Microcontroller) 측의 Analog/Digital 포트로 입력되어 Calculation(연산) 됩니다.

Load 를 R 부하라 여긴다면 R = V/I 라면 될 것 같습니다.  V = I*R 이라고도 사용하지만 굳이 R = V/I 라고 하는 것은 R이 V과 I의 비율(ratio)이기 때문 입니다. R 이라 함은 물리적으로는 도선의 고유저항* 길이/넓이 값이 있습니다.

또한 R 자체 보다는 V 와 I 의 관계라고 하는 Ohm’s law이 많이 사용하게 됩니다. P(유효전력)을 계산하기 위해서 P = VI cosθ 사용하면 이 또한 V 와 I 의 관계로 표시됩니다.

R 부하의 경우에는 적당한 V 와 I 로 동작하도록( 정격입력전압 에 따른 허용전류 ) 조정합니다. 이렇게 V 와 I 를 조절하는 과정을 거치면 P 를 생성하게 됩니다. Load 를 Z 부하라 여겨진다면 리액턴스( XL , Xc ) 가 더해지게 됩니다. 이 부하는 유효전력(cosθ) 이외의 무효/피상 전력을 발생하고, f(주파수) 의 영향을 받고 있으며, 복소 평면상에서는 JWL , 1/JWc 형태로 표현되고 있고, 리액턴스( XL , Xc ) 는 서로 180 deg 정반대의 θ(phase, 위상) 를 가지고 있습니다.

C(캐패시턴스) 는 정전용량으로 C = Q/V 라는 식처럼 절연도체에 1V 전압을 가했을 때 1C 전하를 저장한다면 1 V 라 합니다. 유전 물질의 고유 특성으로 ε(유전율) 에 S(면적)에 비례하고 극성간 l(거리) 에 반비례합니다.  또한 I 가 V 에 비해서 θ 가 90 deg 빠릅니다. 따라서 복소평면에서 R = V/I 라고 정의하였듯이 Z = 1/jWc = -j/Wc 이기 때문에 위와 같은 삼각함수로 얻을 수 있습니다.

위의 식에서 볼 수 있듯이 f(주파수)가 올라(high) 갈수록 Z 값은 0 로 수렴하기 때문에 RC 회로에서는 fc(차단주파수) = 1/RC 를 가지므로 low-pass 필터를 생성할 수 있습니다. 위와 같은 OP AMP 전단 회로에서는 RC 회로를 사용하여 low-pass filter 를 구현합니다. Fc(Cut-off, 차단 주파수)보다 높은 주파수는 NI(Non Inverting 비반전 입력) 에 더해지지 전에 접지로 pass-by 됩니다 즉 Fc 보다 높은주파수는 차단됩니다.

L(인덕턴스) 은 페러데이-렌츠(Faraday and Lenz’law) 법칙을 기본으로 하여 e = -N*dØ/dt = L*dt/di 식에서 처럼 L값은 Ø(자속)의 변화와 관련성이 있습니다. 변화하는 I 에 대하여 L 값을 곱하여 e(유기기전력) 을 생성하게 됩니다. 이 L 의 특성은 I 가 V 에 비해서 θ 가 90 deg 느립니다. 따라서 복소평면에서는 Z = jWL로 표현할 수 있습니다.

위의 XL 과 XC 을 비교해 보면 알 수 있듯이 Xc 와 XL 는 180 deg 의 위상차이을 가지고 있어서 R-L-C 직렬회로에서 만일 XL = XC 이라면 R 이 최소가 되어 Fr(공진주파수)를 형성하게 됩니다. R(저항) 은 전자회로 설계 시에 기본이 되는 부품이라고 볼 수 있습니다. 일반저항에서부터 칩셋 저항까지 다양한 형태의 저항이 있습니다. 보통은 I 의 양을 조절하면서 자체적으로 열로 소비하는 형태의 부품입니다. 각종 증폭/버퍼/필터/변환 등의 능동소자(TR, FET) 등과 같이 사용됩니다.

TR(변압기) 는 1차측에 유도된 기전력으로 2차즉에서 권수비에 따라서 승압/강압 유기하고자 하는 소자입니다.  1차측과 2차측이 분리되는 효과가 있어서 절연시에 사용하며 Noise(노이즈)를 저감합니다. M(상호인덕턴스)가 존재합니다. Eddy current loss(와류손 및 Hysteresis(히스테리시스) 손실이 존재합니다.

TR(트랜지스터) 는 능동소자로서 P/N/P 형 반도체를 사용하여 hole(정공) 의 이동이나, N/P/N 형 반도체를 사용하여 electron(전자) 의 이동으로, threadhold 전압(0.7V) 이상에서 동작하게 됩니다. 기본적으로 A, B, C 타입 증폭기의 구성으로 이루어져 있으며 수동소자(R, C)의 조합으로 사용됩니다.

위 회로도 예시는 NPN 타입의 TR(트랜지스터)입니다. DC 전압 블로킹을 위해서 B(베이스) 에 캐패시터(세라믹 콘덴서)를 연결하기도 합니다. VBE 전압이 0.7V를 넘는 순간 TR 은 Turn-On 되고 Vce(콜렉터-이미터 사이 전압)가 도통하게 됩니다. Vce 전압은 포화 시에 0.3V 정도로 되고, 본 회로에서는 컬렉터(Collector) 쪽에 저항을 연결하여 Load(부하)에 I(전류)를 공급하게 됩니다.

FET(전계효과트랜지스터) 는 생성된 전압(Electric field)를 이용하여 제어를 하게 됩니다. Threshold (문턱) 전압은 0.2V ~ 0.3V 정도 됩니다. N/P 채널이 있으며 MOSFET 라는 형태로 사용하게 됩니다. TR(트랜지스터)를 대신하여 사용됩니다.

OP-AMP 는 TR(트랜지스터) 혹은 FET를 IC칩 화하여 AND, OR, NAND, NOR 회로를 구성합니다. 수동소자(R, C)와 연결하여 반전, 비반전 증폭기/필터/임피던스변환기 Design 에 적용됩니다.

OP-AMP 는 정확한 증폭 비를 가져 갈 수 있습니다. 위의 회로도 예제는 반전증폭기(Inverting amplifier)로서 – 측 으로 입력을 연결하고 + 측은 Ground(접지)로 연결되어 있습니다. 증폭비는 -R2/R1 으로 얻을 수 있습니다. Virtual Ground(가상접지)이며, 입력 임피던스가 높다는 장점이 있습니다.