기초회로 part2 기본수동부품에 대한 이해 예비 레포트

<기초회로 예비 레포트> chaper2 기본 수동 부품에 대한 이해

그림까지 보내면 좋겠지만 그림은 직접 만들어 보는 것도 전자공학도로서 공부하는데 도움이 많이 될듯하다. 혹시 궁금한 점이 있다면 질문 바랍니다.

 실험 목적

1. 저항

2. 커패시터

3. 인덕터

1,2,3 들의 특성과 사용법

 이론

□ 저항의 성질 : 흐르는 전류에 비례하는 전압 강하를 일으킨다. 극성이 없고 거의 선형적인 특성을 갖는다.

□ 저항의 사용 목적 : 회로의 특정 노드에 원하는 직류 전위 설정, 신호의 감쇄, 커패시터나 인덕터와 함께 시정수를 설정, 필터의 역할을 한다.

□ 저항의 종류로는 고정 저항기와 가변 저항기가 있다.

□ 저항의 역할과 기능 : 저항은전기가 일을 하도록 하는 기구(예. 전열기, 냉장고, 에어컨, 전구, 전기밥솥, 세탁기, 컴퓨터 등등은 모두저항의 부분집합의 원소입니다. 한마디로 '전기기구'임. 만약에 전기기구(=저항)이 없이 회로의 스위치를 닫으면 바로 '합선'이 일어나 회로가 녹아내리거나 화재가 발생합니다. 즉 저항이 있어도 사실은 합선을 시키는 것인데 단지저항의 '저항'으로 인해 전류를 적당히 흐르게 하는 합선입니다. 저항도 도체이나 전류를 조금만 흐르게 하는 전류입니다. 저항은 전류가 흐르는데 있어 그 용량의 맞는 전류가 흘러야 하나 보다 많은 과전류가 흐르게 되면 그것을 방지하여 줍니다.

□ 저항 판독법 :

첫 번째 색 : 첫째 자릿수

두 번째 색 : 두 번째 자릿수

세 번째 색 : 배수

네 번째 색 : 오차

□ 커패시터의 기능 : 전하를 저장하는 소자이다. 그리고 커패시터에 전압을 가하면 전하가 저장된다, Q=CV가 성립한다.

□커패시터의 성질 : 커패시터에 걸리는 전압은 순간적으로 바뀔 수 없고 연속적으로 변하게 된다. 따라서 커패시터는 양단에 걸리는 전압을 일정하게 유지하려는 관성이 있다.

□커패시터의 용도 : 교류신호릐 결합, 교류신호의 바이패스, 에너지 저장, 필터, 시정수 결정

□커패시터 판독법

첫 번째 색 : 첫째 자리 표시수

두 번째 색 : 둘째 자리 표시수

세 번째 색 : 배수

네 번째 색 : 오차

□커패시터 동작의 종류

평활 작용 : 커패시터에 직류 전압을 걸면 유전체가 대전되어 외부에서 가해준 전압과 평형을 이루게 될 때까지 전기에너지를 소모하기 된다. 결국 평형을 이루게 되면 그 때부터는 전기에너지를 소모하지 않고 평형 상태를 유지한다. 즉 전기가 통하지 않는 상태에 도달하게 되는 것이다

커패시터 필터링 교류전압을 걸어보면 +,-가 교대로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 교류전압을 걸게 되면 커패시터에는 전류가 통하게 된다. 모양은 위상차이가 90도로 나타나게 된다.

커패시터 동작으로 본 결론커패시터는 저주파도 통과시키지만 용량이 작은 커패시터는 고주파만을 통과 시킨다. 이러한 성질 때문에 커패시터는 스피커의 네트워크나 필터에 사용 되는 것이다.

□ 인덕터의 기능 : 전류가 흐르면 자장이 발생하고 에너지가 저장된다. 자장의 세기는 전류에 비례하게 된다.

□ 인덕터의 형태 : 코일 형태가 되면 자장이 권선 수에 따라 증가한다. 효율적인 형태로는 트로이드와 솔레노이드가 있다.

□ 인덕터의 성질 : 가하는 전압을 급격히 변화시켜도 전류는 서서히 변한다, 흐르던 전류가 갑자기 끊어지면 클 역기전력이 발생한다.

□ 인턱터의 종류 : 저주파용 인덕터, 고주파용 인덕터, 아주높은 고주파용 인턱터로 나뉜다.

□ 인턱터의 직렬과 병렬은 저항의 연결과 동일하게 일어난다.

 사용 장비 및 부품

1. 디지털 멀티미터

2. 저항 1Ω, 1.8kΩ, 2.2kΩ, 4.7kΩ 등 다수

3. 커패시터 1uF(1개), 2.2uF(1개), 330uF(2개) 모두 전해 콘덴서

 실험 방법

1-1 실험1 : 저항

1-2 실험 회로도(단위는 kΩ)

결과 예측 : 저항의 직렬과 병렬의 성질을 이해하면 쉽게 회로를 구성하는 것이 가능하다. 1>은 1.8kΩ저항과 2.2kΩ저항 여러개를 사용 해서 2kΩ를 구하는 것인데 1.8kΩ과 2.2kΩ를 우선 직렬로 연결하고 직렬로 연결된 회로를 두 개씩 만들어서 병렬로 연결 하면 2kΩ의 저항을 얻을 수가 있을 것이다. 저항 자체에 약간의 오차가 있기 때문에 정확히 2kΩ으로는 나오지 않을 것으로 보인다.

2>은 3.3kΩ과 4.7kΩ저항 사용해 16kΩ을 만드는 것인데 위의 그림과 같이 3.3kΩ과 4.7kΩ 각각 2개씩 직렬로 연결 하면 16kΩ을 얻을 수 있다. 1번의 실험과 마찬가지로 약간의 오차를 가는 것은 동일 할 것으로 보인다.

1-3 실험 방법

1) 1.8kΩ 저항과 2.2kΩ 저항을 여러 개 사용하여 2kΩ 저항을 구성하여, 디지털 멀티미터로 저항 값을 측정하라.

2) 3.3kΩ 저항과 4.7kΩ 저항을 여러개 사용하여 16kΩ 저항을 구성하여, 디지털 멀티미터로 저항 값을 측정하라.

2-1 실험2 : 커패시터

2-2 실험 회로도

- 1번 결과 예측 : 실험에서 커패시터 사이에 저항이 있을 경우에는 전하의 흐름을 방해해서 전압의 충전이 천천히 일어날 것이고 그에 반해 저항이 없을 경우에는 전류의 흐름이 전자에 비해 빠르게 될 것이다. 그리고 에너지 보존 법칙에 의해 10V로 충전된 커패시터에 충전된 후 방전량은 5V, 5V를 각각 나누어 갈 것으로 보인다.

2번 결과 예측 시정수를 계산하기 위해서 시정수의 정의를 알아야 한다. 커패시터를 63.8% 충전하거나 36.2% 방전되는 과정의 시간을 의미한다. 따라서 10V의 전압을 3.7V로 방전 시킨다면 약 36.2%에 근접하므로 이 시간을 측정한다면 시정수의 값을 얻을 수 있다.

 2.2 uF로 바꿔서 내부저항을 구하는 것의 옆의 공식에 대입하면 쉽게 구할 수 있다. 예를 들어 시정수의 값을 1로 놓는 다면 미지수가 R 하나만 남기 때문에 방정식을 통해 쉽게 구할 수 있다.

2-3 실험 방법

1) 실험 회로도에서 330uF 커패시터 2개를 모두 방전시키고, 하나만 10V 로 충전한 다음 다른 하나의 커패시터에 연결한 후 전압을 측정하라. 연결할 때 첫 번째는 저항을 통하지 않고 커패시터끼리 직접 연결하고, 두 번째는 저항 10Ω을 통하여 연결하라. 연결 전과 후에 커패시터에 저장된 에너지를 계산하고 에너지 보존법칙에 대하여 생각하여 보라.

	SW1	SW2	SW3	SW4	비고
1	OFF	ON	ON	ON	C1,C2 방전
2	ON	OFF	ON	ON	C1 충전
3	OFF	ON	ON	OFF	C 전압측정
4	OFF	ON	ON	ON	C1,C2 방전
5	ON	OFF	OFF	OFF	C1 충전
6	OFF	ON	OFF	OFF	C 전압측정

2) 1uF 커패시터를 10V 로 충전한 다음 디지털 멀티미터에 연결한 후 몇 초 만에 3.7V 로 떨어지는지 측정하여 시정수를 구하고, 이 결과로부터 디지털 멀티미터의 내부 저항을 구하라. 커패시터를 2.2uF로 바꾸어 실험을 반복하라.

 예비 보고 사항

1. 1.8kΩ과 2.2kΩ 만으로 2kΩ 저항을 구성하는 방법을 생각해 보고 이렇게 만든 저항에 최대로 가할 수 있는 전압을 구하라. 단 각 저항의 최대 전력 소모가 1/4W 로 제한되어 있다고 가정한다.

P=VI 이므로 V*V/R= V^2/R 여기에 숫자를 대입하면 1/4W=V^2/1000

따라서 V^2=250 V=50 최대로 가할 수 있는 전압은 50V가 된다.

2. 명목값이 똑같은 저항 4개를 아래 그림 2.5와 같이 직렬/병렬 접속하여도 명목값은 변하지 않는 것을 보이라. 실험에서 1kΩ, 2.25W 저항이 필요한데 실험실에서 구할 수 있는 저항이 1kΩ, 0.25W 저항뿐일 때 어떻게 하면 좋겠는가?

- 명목값이란 이름값을 의미한다. 오차가 생기지 않는 다면 명목값은 동일하다는 것을 알수 있고 이름값 자체가 모두 R로 동일 하기 때문에 직렬과 병렬에도 그 값은 동일하다. 그리고 1kΩ, 2.25W 저항이 필요하고 1kΩ, 0.25W가 있을 때는 0.25W 직렬로 9개를 연결해서 2.25W 저항을 만들어 주면 된다. 1kΩ은 이미 존재 하기 때문에 따로 만들 필요는 없을 것이다.

3. 용량이 1uF, 내압이 200V인 커패시터가 필요하다. 가지고 있는 부품이 1uF, 내압이 100V 인 커패시터 뿐일 때 어떻게 해야 하는가?

- 커패시터의 직렬과 병렬의 성질을 이해한다면 쉽게 구현이 가능하다. 커패시터는 병렬로 연결 했을 때 두 개의 커패시터 값은 하나의 커패시터를 2배 한 값이 되기 때문이다. 따라서 100V 커패시터를 병렬로 연결한다면 손 쉽게 200V를 만들 수 있다.

4. 100uF 커패시터에 10V를 충전한 후, 완전히 방전되 100uF 커패시터에 연결하면 최종 전압은 어떻게 되겠는가? 연결 전화 후에 커패시터에 저장된 에너지를 계산하고 그 차이가 어디로 없어졌는지 설명하라.

- 4번의 내용을 그림으로 표현하면 위와 같은 회로를 얻을 수가 있다. 처음에 스위치1을 통해 10V로 충전하고 스위치2를 통해 100uF로 연결해주는 것이다. 에너지량 자체는 불변하기 때문에 스위치2에 연결하게 되면 10V의 1/2만큼인 5V가 충전이 된다. 결국 처음 10V였던 커패시터는 5V가 된다.

5. 1uF 커패시터를 10V로 충전한 다음 디지털 멀티미터에 연결하면 전압이 시간에 따라 어떻게 변하는지 예측하라. 단 디지털 멀티미터의 입력 저항은 10MΩ이라고 가정한다.

콘덴서의 방전은 저항 R의 크기에 따라 방전의 속도가 달라지는데 R이 클수록 방전의 속도가 길어진다. 그 말은 저항이 크면 전류의 흐름을 방해하기 때문에 방전의 속도가 길어지는 것이다.