본문내용
1. 기초회로실험
1.1. 실험 목적 및 관련 이론
1.1.1. 옴의 법칙과 저항
옴의 법칙은 전압, 전류, 저항 사이의 관계를 설명하는 기본적인 법칙이다. 옴의 법칙에 따르면, 전압(V)은 전류(I)와 저항(R)의 곱으로 표현된다. 즉, V = IR이다. 이는 전압이 전류와 저항의 곱에 비례한다는 것을 의미한다.
저항은 전기 회로 내에서 전류의 흐름을 방해하는 요소이다. 저항값이 클수록 전류의 흐름이 더 어려워진다. 저항은 전력 소비와도 밀접한 관련이 있는데, 전력은 전압과 전류의 곱으로 표현되므로(P = IV), 저항값이 클수록 동일한 전압에서 더 적은 전류가 흐르게 된다.
따라서 옴의 법칙과 저항은 전기 회로에서 매우 중요한 개념이며, 실험을 통해 이를 확인하는 것은 전기 회로의 기본 특성을 이해하는 데 도움이 된다.
1.1.2. 다이오드의 정류 특성
다이오드는 반도체를 이용하여 만든 부품으로써 전류를 한쪽으로는 흐르게 하고 반대쪽으로는 흐르지 않게 하는 정류작용을 하는 전자 부품이다. 그러므로 다이오드의 전기저항은 한쪽 전류에 대해서는 매우 작지만, 다른 반대쪽 방향에 대해서는 매우 크다. 다이오드에서 전류가 잘 흐르는 방향을 순방향, 반대로 전류가 잘 흐르지 않는 방향을 역방향이라고 한다.
순방향 바이어스: 외부 저압을 다이오드 공핍층에 생긴 built in potential과 반대 극 방향으로 걸어주면, 재결합을 다시 시작한다. 결국 PN 접합을 지나 상당한 양의 전류가 흐른다. potential의 차이가 커지면 다이오드의 전도성이 커지며 전하가 흐르기 시작한다. 이때 다이오드는 마치 저항이 매우 작거나 없는 물질처럼 short circuit처럼 행동한다.
역방향 바이어스: 이와는 반대로 외부 전압을 built in potential과 같은 극 방향으로 걸어주면, 공핍층은 계속해서 부도체처럼 동작하고 전류의 흐름을 막는다. 다이오드 양단에 걸리는 potential의 차가 크지 않은 경우 소모층의 길이가 크다. 따라서 다이오드는 마치 전류의 흐름이 끊긴 open circuit처럼 동작한다.
이를 통해 다이오드가 순방향 바이어스와 역방향 바이어스 상태에 따라 전류 흐름이 매우 다르게 나타나는 정류 특성을 가지고 있음을 알 수 있다. 순방향 바이어스에서는 전류가 잘 흐르지만 역방향 바이어스에서는 전류가 거의 흐르지 않는다. 이러한 특성을 이용하여 다이오드는 교류를 직류로 변환하는 정류 작용에 사용된다.
1.1.3. 키르히호프의 법칙
키르히호프의 법칙은 전기 회로에서 전류와 전압의 관계를 설명하는 중요한 법칙이다. 키르히호프의 법칙은 분기점 법칙과 루프 법칙의 두 가지로 구성된다.
분기점 법칙은 "회로의 어느 점에서나 그 점을 통해 유입되는 전류의 대수적 합은 0이다"라고 설명한다. 즉, 어떤 분기점에서 들어가는 전류의 합은 나가는 전류의 합과 같다는 것이다. 이를 통해 회로 내의 전류의 양적 관계를 파악할 수 있다.
루프 법칙은 "임의의 폐회로에서 회로 내의 모든 전위차의 합이 0이다"라고 설명한다. 폐회로를 따라가면서 전압 강하의 합이 0이 된다는 것이다. 이를 통해 회로 내의 전압 강하와 전압원의 관계를 파악할 수 있다.
키르히호프의 법칙은 전기 회로를 분석하고 이해하는데 필수적인 법칙이다. 실험을 통해 키르히호프의 법칙을 확인함으로써 전류와 전압의 관계를 이해하고, 회로 설계와 분석에 활용할 수 있다. 특히 복잡한 회로에서 키르히호프의 법칙을 적용하면 회로의 동작을 예측하고 설계할 수 있다.
키르히호프의 법칙은 전기 회로 이론의 핵심 원리로, 실험을 통해 이를 직접 확인하고 이해하는 것은 매우 중요하다. 전기 회로의 동작을 정확히 이해하기 위해서는 키르히호프의 법칙을 숙지하고 활용하는 능력이 필요하다.
1.2. 실험 방법
1.2.1. 다이오드의 순/역방향 특성 측정
다이오드의 순방향 특성 측정은 먼저 브래드보드에 저항 R(100옴)과 다이오드를 직렬로 연결한 뒤, 순방향으로 전압 V를 인가하는 것으로 진행된다. 다음으로 디지털멀티미터를 사용하여 저항과 다이오드에 걸리는 전압 및 회로에 흐르는 전류를 측정한다. 이 과정을 전압 V의 크기를 0.3V, 0.5V, 0.7V, 1V, 2V, 3V, 4V, 5V로 바꿔가며 반복하여 문턱전압 V_th를 찾는다.
다이오드의 역방향 특성 측정은 동일한 회로 구성에서 다이오드의 역방향으로 전압 V를 1V, 2V, 3V, 4V, 5V로 바꿔가며 위 실험을 반복하여 진행된다.
이를 통해 다이오드의 순방향 바이어스와 역방향 바이어스 시 전압과 전류의 관계를 확인할 수 있다. 순방향 바이어스 시에는 전압이 증가함에 따라 전류도 증가하다가 일정 전압(문턱전압) 이상에서는 미미한 변화를 보인다. 반면 역방향 바이어스 시에는 전압이 증가하더라도 전류가 거의 흐르지 않음을 알 수 있다. 이는 다이오드의 정류 특성을 잘 보여주는 실험 결과이다.
1.2.2. 저항 회로에서의 키르히호프 법칙 확인
브리지 회로에서의 키르히호프 법칙 확인
키르히호프의 법칙은 전기 회로에서 매우 중요한 원리이다. 첫째, 키르히호프의 전류 법칙(KCL)은 어느 노드에서 들어오는 전류와 나가는 전류의 대수적 합은 0이라는 것이다. 둘째, 키르히호프의 전압 법칙(KVL)은 임의의 폐회로를 따라 전압의 대수적 합이 0이라는 것이다.
본 실험에서는 브리지 회로를 구성하여 키르히호프의 법칙을 실험적으로 확인하고자 한다. 브리지 회로는 전류가 병렬로 분리되어 흐르다가 다시 재결합하는 회로이다. 이러한 브리지 회로에서도 키르히호프의 법칙이 성립하는지 측정을 통해 검증할 수 있다.
실험 방법은 다음과 같다. 먼저 [그림 3-7-5]와 [그림 4]를 참조하여 브레드보드에 브리지 회로를 구성한다. 이때 저항 R1, R2, R3, R4를 적절히 선정한다. 그 다음 멀티미터를 이용하여 각 저항에 걸리는 전압 V와 흐르는 전류 I를 측정한다. 마지막으로 이론값(키르히호프 법칙으로 계산)과 측정값을 비교하여 키르히호프 법칙의 타당성을 확인한다.
실험 결과, 브리지 회로 내부의 임의의 노드에서 들어오는 전류와 나가는 전류의 대수적 합이 0이 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 임의의 폐회로를 따라 전압 강하의 합이 0이 되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 브리지 회로에서도 키르히호프의 법칙이 성립함을 실험적으로 검증할 수 있었다.
브리지 회로에서 키르히호프 법칙을 확인한 이번 실험은 전기 회로 이론을 실험적으로 검증한 의미 있는 결과라 할 수 있다. 이를 통해 전기 회로 해석의 기본이 되는 키르히호프의 법칙이 실제 회로에서도 잘 적용됨을 확인할 수 있었다.
1.3. 실험 결과 및 분석
1.3.1. 다이오드의 특성 실험 결과
다이오드의 특...
