에너지시스템공학 : 전기에너지 주차강의내용 전기의정의, 전기회로의구성 전하와전류, 전압, 전력과에너지 회로소자, 전원, 저항소자 전기회로해석 직렬연결, 병렬연결 중첩의원리 최대전력전송
The Electrfcaton s the Greatest of the Greatest Engneerng Acheements of the 0th Century 0. Electrfcaton 0. Automoble 03. Arplane 04. Water Supp. & Dst. 05. Electroncs 06. ado and Teleson 07. Agrcultural Mechanzaton 08. Computers 09. Telephone 0. Ar Condtonng & efrgerator. Hghways. Spacecraft 3. Internet 4. Imagng 5. Household Applances 6. Health Technologes 7. Petroleum & Petrochemcal Tech. 8. Laser and Fber Optcs 9. Nuclear Technologes 0. Hgh-performance Materals Source: The US Natonal Academy of Engneerng
전기에너지 : 전기, 자기적인현상을이용하여에너지의발생, 수송, 제어, 활용
. 전기 (Electrcty) 의정의 전기 ( 電氣, Electrcty) 의용어유래 번개 ( 벼락 ) 을뜻하는雷에서電이유래 마찰전기를일으키는호박 ( 그리스어로 Elektron) 에서 electron 이유래 전기 (electrcty) 는전하 (charge) 의존재여부와상호작용에의해발생하는물리적인현상 전기 동전기 ( 動電氣 ): 도체내의전하의움직임에의해생기는전류 정전기 ( 靜電氣 ): 절연체가서로마찰할때발생하는마찰전기
구리 (Cu) 의원자모델 ( 원소번호 9, 원자가 ) 물질을구성하는최소단위인원자는 (+) 전기를띤양자와중성자로된원자핵과 (-) 전기를띤전자들로구성 Al(3): 알루미늄 (+3) Fe(6): 철 (+) Cu(9): 구리 (+) Ag(47): 은 (+) - - - - - - - - - - - - - - - K() - L(8) N() M (8) - - - - 9+ - - - - - - - - -
각궤도 ( 에너지준위 ) 의전자수 : Paul 의배타율 N 궤도에는 8 개의전자가있어야안정이나 개만이존재하기때문에불안정 ( 자유전자 ) 최외각의전자들은원자핵으로부터구속력이약하므로외부의자극 ( 열, 마찰, 빛등 ) 에의해쉽게궤도를이탈하여자유전자가될수있음. 원소의원자가 = 자유전자 ( 최외각전자수 )
전하 (Electrc Charge) 물체가띠고있는정전기의양으로모든전기현상의근원이되는실체 양전하와음전하가있고전하가이동하는것이전류 즉 e.600 [ C].60 9 0 [ Coulmb] : 전자 개의전기량 9 6.40 8 개의전자 도선에 A 의전류가흐를때 초동안전선을통과하는전하량을 C 으로정의
도체 (Conductor) 전자 ( 자유전자 ) 가원자와원자사이를자유롭게이동할수있는물질 ( 금, 은, 동, 알루미늄등모든금속 ) 절연체 (Insulator) 전자가자신의궤도에머물러있으려고하는원자로구성된물질로서전기를쉽게통하지않으나, 반면에전기를축적하는성질을가진물질 ( 유리, 플라스틱, 고무, 종이, 운모등유전체 ) 반도체 (SemConductor ) 최외각전자가 4 개로된원소인탄소와같이전자를잃지도얻지도않고같은종류의원자사이에최외각전자를공유 (4 가원자인 Ge, S 등 ) 대전 (Charge): 정상상태보다전자의수가많거나적게되어 (+) 전기나 (-) 전기를띠게되는현상
전기란도체내의전하를움직이게하는힘을말하며이에의해전기적인에너지가형성되는것 전기의고유성질 : 다른에너지와비교 이동성 : 한쌍의전선으로어디든지전달가능 유연성 : 빛, 열, 운동등의다른에너지로변환가능 인류사회의 3 대필수불가결요소 : 공기, 물, 전기
. 전기회로 (Electrc Crcut) 전기회로 : 전류가계속흐를수있도록여러가지전기요소를폐회로로연결하여놓은것 그림 : 간단한회로 전원, 저항으로이루어짐 각소자 : 두단자 (Termnal) 로이루어짐 Node( 절점 ), Branch( 지로 )
단자소자 ( 요소 ) 더이상다른요소로나누어지지못함 전압, 전류등의변수를사용하여수학적으로기술가능 5 개의소자로구성된회로
.3 전하와전류 (Charge and Current) 도체에서의전하의움직임 ( 전류 ) 전자와전류는서로반대방향으로흐름 I 전하보존의법칙 : 전하는만들어지거나소멸되지않고전달 전류 : 주어진점에흐르는양전하 (+) 의시간에대한비율, 단위 [A] 의값과방향을표시 dq dt t t, q dt Ampere = Coulomb/Second 0
회로소자에서의전류 : 단자 a 에서 b 로흐르는전류 : 단자 b에서 a로흐르는전류
전류의종류 직류 (DC: Drect Current): 계단함수 - 시간에따라전류일정 - 대문자사용 [ 전류 (I)] 교류 (AC: Alternatng Current): 정현파 - 시간에따라전류변함 - 소문자사용 [ 전류 ()]
.4 전압 (Voltage) 전압 ( 전위차 ): 단위전하를기준점 (- 단자 ) 으로부터측정점 (+ 단자 ) 으로이동시키는데필요한에너지단위 [V] 값과극성을표시 moe ab dw dq A unt charge [V]: [C] 전하를이동하는데필요한에너지가 [J] 일때의전압
ab : b 단자에대한 a 단자의전압 (b 단자에서 a 단자로이동하는데필요한일 ) 단자 a 에서단자 b 로의전압강하 (Voltage drop) a ba ab b ab ba a b 9
.5 전력과에너지 (Power and Energy) 전력 (Power): 소비또는흡수하는에너지의시간에대한비율, 단위 [W] p dw dt dw dq dq dt 수동소자표기법 (Passe Conenton) p p
전력소비 전력공급 에너지 w t p dt t 0 t t 0 dt w pt [W S J] Wh (6060) 3,600 [J]
.6 회로소자 (Crcut Elements) 수동소자 (Passe element):, L, C 회로의나머지부분으로부터에너지를공급받는소자 소자에공급된에너지가양 (+), 수동소자표기일때 w t d 0 능동소자 (Acte element): 전원, Op-Amp, 증폭소자 회로의나머지부분으로에너지를공급하는소자 소자에공급된에너지가음 (-), 수동소자표기일때 w t d 0
.7 전원 (Source) 전원 (Source): 회로에에너지를공급하는전압또는전류발생원 독립전원 (Independent Source) 회로내의다른변수에영향을받지않는전원 이상전압원 : 소자에흐르는전류에관계없이전압이일정함, 전류는회로의나머지부분에따라결정 이상전류원 : 소자에걸리는전압에관계없이전류가일정함, 전압은회로의나머지부분에따라결정
전압원 전류원 ( t) cos000t or (t) 6sn500t ( t) 9 or ( t) 0.5 ( t) t or ( t) t 8
단락 (Short) 과개방 (Open) 단락회로 (=0) 개방회로 (= ) 이상전원의특별한경우단락회로 : 전압 = 0, 전류는나머지회로에의해결정개방회로 : 전류 = 0, 전압은나머지회로에의해결정
종속전원 (Dependent Source) 회로의다른변수에의해값이달라지는전원 독립전원과다른기호로표시 트랜지스터, 증폭기등의소자 전류제어전압원 (Current-Controlled Voltage Source) 전압제어전압원 (Voltage-Controlled Voltage Source) 전압제어전류원 (Voltage-Controlled Current Source) 전류제어전류원 (Current-Controlled Current Source)
종속전원등가회로 Current-Controlled Voltage Source(CCVS) r s the gan of the CCVS r has unts of olts/ampere Voltage-Controlled Voltage Source(VCVS) b s the gan of the VCVS b has unts of olts/olt Voltage-Controlled Current Source(VCCS) g s the gan of the VCCS g has unts of amperes/olt Current-Controlled Current Source(CCCS) d s the gan of the CCCS d has unts of amperes/ampere
Bpolar Juncton Transstor: VCCS (a) A symbol for a transstor. (b) A model of the transstor. (c) A transstor amplfer. (d) A model of the transstor amplfer. g c m be A o n
.8 저항 (esstance) 전류의흐름을방해하는특성 로표현 단위 : 길이 Ohm 의법칙 A L L A 단면적 A 저항율 를가진물질 (a) 저항체 (b) 회로기호
저항율 (esstty, 比抵抗 ) 물질이얼마나전류를잘흐르게하는가에대한양 단위단면적당단위길이당저항 절연물질 : 큰 resstty, 도체 : 작은 resstty < 물질의저항율 >
탄소저항기 (Carbon resstor): Ω~0 4 MΩ, 0.W~W( 정격전력 ) 미세한탄소나흑연을분말형태의절연물질과적당한비율로혼합하여필요한저항값을갖도록제작 권선저항기 (Col resstor): 0.3~500kΩ, 3W~300W( 정격전력 ) 저항선을절연체외부에감은구조. 절연물질 : 도자기, 시멘트, 페놀수지권선을보호하기위해외부에페인트, 시멘트또는유리등으로피복 피막저항기 (Flm resstor): 0.~00MΩ, 0.05W~W( 정격전력 ) 절연체주위에탄소피막을입힌것이며, 금속피막저항기는유리판위에도체성분을피막 (flmng) 한것으로정밀한저항값
저항소자 (esstor) 저항값 을갖는소자로서전압, 전류의관계식이선형 수동소자표기 a a b b
저항의기호 가변저항기 - 가변저항기 - termnal (a) 가변저항기 (b) 전위차계 전위차계 - 가변변압기 - 3 termnal 같은것을사용방법에 따라다른명칭
옴의법칙 : 선형적저항에만적용 전류의증가에따라전압이선형적으로증가 ( 옴의법칙 ) 다이오드등은저항이비선형적 ( 옴의법칙적용못함. 따라서저항도전류량에따라변화 ) (a) 선형저항 (b) 비선형저항
Conductance 저항의역수 G 단위는 S(Semens)= V = A/V 전류를흘릴수있는능력의척도 저항에전달되는전력 ( 수동소자표기법 ) p p ( )
전압계 (Voltmeter) 와전류계 (Ammeter) 사용법
.9 전기회로해석 (Electrcal Crcut Analyss) Ideal wre: 도체 ( 저항 =0), 단자전압 =0, 단락회로 Node( 절점 ): 두개이상의소자가연결되어있는연결점 Loop: 한번지난점은두번이상거치지않고, 한절점을출발해서출발한점으로돌아오는경로
전기회로해석기본법칙 Ohm 의법칙 : V=I Krchhoff 의법칙 : 두개이상의소자가포함된회로에서의전압, 전류사이의관계식 (849 년 ) KCL(Krchhoff Current Law: 전류법칙 ) - 모든순간에서한절점으로들어가는전류의대수합 =0 - 절점으로들어가는전류의합 = 나가는전류의합 KVL(Krchhoff Voltage Law: 전압법칙 ) - 모든순간에서한루프에대하여전압의대수합 =0
Seres Connecton: 직렬연결, Voltage Dder 0 3 s 0 3 s 3 s 전류를구하기위해서 KVL 사용 3 s 직렬회로 0 : 0 : 0 : 0 : 3 3 s s d c b a
3 n s n n n 번째저항의전압 N 개의저항이직렬연결된회로에서 n 번째저항의전압 = n 번째저항에비례 s s 3 s s N 직렬회로등가저항
Parallel Connecton: 병렬연결, Current Dson 병렬연결된저항 에같은전압이걸림 전류를구하기위해서 KVL 사용 0 s s and s G G G G s
s s 이큰저항에전류가적게흐른다. N n G P G n N n n P G G G G N s 3 p n s n G G p s n n G G
각전류, 등가회로, 전압,, 4 3 8 n G n G P s G P N n G n G G G 3 4 8 4S G 4 8 4A s GP G 4 8 4 s GP 8A G G 3 s 3 P 6A G 4 V
8Ω & 3 4 4 3 3 P 6 4 4 P s S G s P 3 6 8 9 8 9 직, 병렬회로등가저항
직, 병렬회로등가저항 eq c 5 6 4 50 d 6 5 (6 4) 5 eq ab 4 eq cd 4 6 0
전기회로해석 : 중첩의원리 중첩의원리 : 여러전원이동시에인가한경우의응답 ( 전압, 전류 ) 는한번에하나의독립전원이인가한즉, 다른독립전원은 0 이고하나의독립전원만인가한경우의응답의합과같다. 독립전압원 = 0 전압원을단락독립전류원 = 0 전류원을개방
6 9 A 3 3 6 6 9 A m 9 A
최대전력전송 (Maxmum Power Transfer) t L s L p 부하에전달되는전력 L t L s p 0 L L t L t t L L s L L s P 4 max 0 4 t L L L t L t s L d dp 전력이최대가되기위한조건
t 50 V t 5 L t 5 P max s 4 L 50 45 5 W p s t 503 450 W