본문내용
1. 회로 실험
1.1. 회로(a), 회로(b), 회로(c), 회로(d)
회로(a)는 3개의 직렬 저항으로 구성된 회로이다. 전압계로 측정한 결과, 각 저항에 걸린 전압은 0.99V, 1.64V, 2.36V이다. 이는 옴의 법칙에 따라 전압이 낮아지는 것을 보여준다.
회로(b)도 3개의 직렬 저항으로 구성되어 있으며, 측정한 전압은 0.82V, 1.18V, 2.99V이다. 마찬가지로 전류가 저항을 통과하면서 전압이 점점 낮아진다는 것을 확인할 수 있다.
회로(a)와 회로(b)의 측정 결과를 통해 전류가 +방향에서 -방향으로 흐르기 때문에 저항을 거치면서 전압이 점점 낮아지게 된다는 것을 알 수 있다.
1.2. 실험 과정
실험 과정은 다음과 같다.
회로(a) 회로(b) 회로(c) 회로(d)의 실험 과정은 먼저 전압원을 3V, 5V, 7V, 9V로 변화시키면서 각 저항들에 걸리는 전압을 멀티미터로 측정하는 것이다. 실험 과정 (4)에서는 3V 인가 시 R1에 0.99V, R2에 1.64V, R3에 2.36V가 각각 측정되었다. 마찬가지로 실험 과정 (6)에서는 3V 인가 시 R1에 0.82V, R2에 1.18V, R3에 2.99V가 각각 측정되었다. 이를 통해 전압이 증가할수록 각 저항에 걸리는 전압도 증가하는 것을 확인할 수 있다.
1.3. 실험 결과 검토
실험 과정(4)와 실험 과정(6)에서 측정한 전압값을 보면, 회로(a), 회로(b), 회로(c)의 저항값이 각각 작아질수록 전압이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 전류가 ＋방향에서 －방향으로 흐를 때 저항을 거치면서 점점 전압이 낮아지는 옴의 법칙에 부합하는 결과이다.
또한 실험 결과 검토(5)에서 계산한 바와 같이, 각 회로의 전압과 저항값을 이용하여 전류를 구할 경우 동일한 4.99mA의 전류가 흐르는 것을 알 수 있다. 이는 직렬 회로에서 전류가 일정하다는 원리를 잘 보여주고 있다.
따라서 이번 실험을 통해 전압, 전류, 저항의 관계를 나타내는 옴의 법칙과 직렬 회로의 특성을 확인할 수 있었다고 볼 수 있다.
1.4. 셀프 테스트
셀프 테스트(1)는 AC 회로에 대한 내용으로, 전압과 전류에 관한 기본적인 개념을 확인하는 문제이다. 교류 회로에서는 전압과 전류의 크기 및 위상이 시간에 따라 변화하므로, 실효값과 평균값에 대한 이해가 필요하다.
(2)번 문제는 옴의 법칙에 관한 문제로, 전압, 전류, 저항 간의 관계를 묻고 있다. 직렬 및 병렬 회로에서 전압과 전류의 분배 법칙을 이해하고 있어야 한다.
(3)번 문제는 전압 측정에 대한 내용이다. 전압은 두 지점 사이에 존재하는 전위차를 의미하며, 멀티미터를 이용하여 회로 내 전압을 측정할 수 있다.
(4)번 문제는 전류 측정에 대한 내용이다. 전류는 회로 내부를 흐르는 전하의 양을 의미하며, 멀티미터를 이용하여 회로 내 전류를 측정할 수 있다. 이때 전류 측정 시 주의해야 할 사항들이 있다.
(5)번 문제는 저항의 크기에 따른 전압 강하에 대한 내용이다. 직렬 회로에서는 저항 크기에 비례하여 전압이 강하하며, 병렬 회로에서는 저항 크기에 반비례하여 전압 강하가 발생한다.
(6)번 문제는 저항의 크기에 따른 전류 분배에 대한 내용이다. 병렬 회로에서는 저항 크기에 반비례하여 전류가 분배되며, 직렬 회로에서는 모든 저항에 동일한 전류가 흐른다.
따라서 셀프 테스트를 통해 회로 이론의 기본 개념들을 종합적으로 확인할 수 있다.
2. 시뮬레이션 프로그램
2.1. OrCAD Pspice
OrCAD Pspice는 아날로그 및 디지털 회로 설계를 위한 프로그램이다. 회로를 직접 설계하고 제작하여 실험을 통해 회로 특성을 평가하는 것은 많은 시간과 계측장비, 경비가 필요하다. 따라서 시뮬레이션을 통해 회로 특성을 평가할 수 있는데, 이를 위해 Pspice와 같은 프로그램을 활용한다.
Pspice는 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 프로그램으로, 1972년 미국 Berkeley 대학에서 개발되었다. 이 프로그램은 전기, 전자, 디지털 회로 설계와 해석을 위해 컴퓨터를 이용할 수 있게 한다. 트랜지스터의 동작점, 과도 특성 해석, 주파수 응답 해석 등 전기, 전자회로에 대한 복잡하고 다양한 해석이 가능하다. 또한 저항, 콘덴서, 인덕터 등의 수동소자와 다이오드, 트랜지스터, FET 등의 능동소자에 대한 모델이 library화되어 있어 거의 모든 회로에 대한 시뮬레이션이 가능하다.
따라서 OrCAD Pspice를 활용하면 실제 회로를 제작하지 않고도 컴퓨터를 이용하여 회로 특성을 계산, 측정, 평가할 수 있어 효과적이다. 이를 통해 회로 구성 및 특성 해석에 드는 시간과 비용을 줄일 수 있다.
2.2. SPICE 프로그램의 기능 및 특징
SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 프로그램은 컴퓨터를 이용한 전기, 전자, 디지털 회로 설계와 해석을 위해 1972년 미국 Berkeley 대학에서 개발된 프로그램이다.""
SPICE 프로그램은 트랜지스터의 동작점, 과도 특성해석 및 주파수 응답해석 등의 전기, 전자회로에 대한 복잡하고 다양한 해석이 가능하다.""
또한 저항, 콘덴서, 인덕터 등의 수동소자와 다이오드, 트랜지스터, FET 등의 능동소자에 대한 모델이 library화되어 있어 거의 모든 회로에 대한 시뮬레이션이 가능하다.""
3. 기초 전자 소자
3.1. 저항
저항은 전자회로에서 전류의 흐름을 억제하는 소자이다. 저항은 저항값을 표시할 때 일반적으로 4색의 컬러 코드로 값을 나타낸다. 저항값을 읽는 법은 앞에서부터 1번째 숫자, 2번째 숫자이고 다음 3번째 컬러는 승수이며 마지막 컬러는 오차를 나타낸다.
저항은 직렬 연결과 병렬 연결의 두 가지 방식으로 연결될 수 있다. 직렬 연결일 경우 소자에 같은 전류가 흐르므로 등가 저항을 구할 때는 R1+R2로 구한다. 반대로 병렬 연결일 경우 소자에 다른 전류가 흐르므로 등가 저항을 구할 때는 각각의 저항의 역수를 더해준 후 다시 역수를 취하는 방식으로 1/(1/R1+1/R2)로 구한다.
또한 저항의 크기에 따라 전압 분배와 전류 분배가 달라진다. 병렬 연결일 때는 전압이 일정하고 전류가 분배되며, 직렬 연결일 때는 전류가 일정하고 전압이 분배된다. 이는 옴의 법칙 V=IR에 따른 것이다.저항은 전자회로에서 전류의 흐름을 억제하는 핵심적인 소자이다. 저항의 기본적인 특성과 작동 원리를 이해하는 것은 전자회로 설계와 분석에 매우 중요하다. 저항의 다양한 연결 방식과 이에 따른 전압 및 전류 분배 특성을 명확히 파악하면 회로 동작을 예측하고 분석할 수 있다.
저항은 전자 부품 중에서도 가장 기본적이고 널리 사용되는 소자 중 하나이다. 저항의 크기와 연결 방식에 따라 회로의 동작 특성이 크게 달라지므로, 회로 설계 시 저항 선정과 배치가 매우 중요한 요소가 된다.
저항 값을 표시하는 컬러 코드 방식은 저항 식별에 유용하며, 저항 측정 시에도 활용된다. 4색 컬러 코드에서 각 색상의 의미를 이해하면 저항 값을 쉽게 파악할 수 있다.
직렬 연결과 병렬 연결은 저항의 대표적인 연결 방식이다. 각 연결 방식에 따라 전압과 전류의 분배 특성이 달라지므로, 회로 설계 시 이를 고려해야 한다. 직렬 연결에서는 전류가 일정하고 전압이 분배되며, 병렬 연결에서는 전압이 일정하고 전류가 분배된다. 이는 옴의 법칙을 통해 설명될 수 있다.
저항의 연결 방식과 크기에 따른 전압 및 전류 분배 특성은 회로 분석과 설계에 있어 매우 중요한 개념이다. 이를 이해하면 복잡한 회로에서도 각 소자의 동작을 예측하고 분석할 수 있게 된다.
3.2. 멀티미터
멀티미터란 저항이나 전류, 전압 등의 수치를 측정하는 기구이다. 멀티미터는 내부의 constant current source에서 정전류를 생산해 리드선을 통해 정전류를 흘려 넣어 저항 양단의 전압을 측정해(V=IR이므로 R=V/I를 이용한다.) 저항을 측정해낸다. 사용법은 접지단자인 com 단자에 검은색 프로브와 전류라면 A 표시가 되어있는 붉은 단자에, 전압과 저항이라면 V-Ω이라 적힌 붉은 단자에 빨간색 프로브에 꽂는다. 그 후 측정하려는 종류를 버튼을 눌러 선택 후 범위 선택을 하고 측정을 시작한다. 저항을 측정 시에는 전원을 연결하지 않아야하고 저항과 전압은 병렬일 때 같은 값이 걸리므로 리드선과 소자를 병렬로 연결해야 측정이 가능하다. 또한 전류는 병렬 연결 시 값이 달라지므로 측정 소자의 한쪽을 회로와 단락시킨 후 멀티미터의 프로브와 직렬로 연결시켜야 정확한 측정이 가능하다.
3.3. 파워서플라이
파워서플라이는 전자회로의 구동을 위해 교류전압을 DC 전압으로 정류하여 공급해주는 장치이다.
파워서플라이의 사용법은 다음과 같다. 먼저 전원 버튼을 누르면 기계 표면의 화면에 설정이 나타난다. 하단의 전압 조절 다이얼로 각 채널의 전압을 조절한 후 채널 단자에 와이어를 연결하여 구동하고자 하는...
