전기공학은전력을발생시키고이를수송하며각사용자가이를유용하게쓸수있도록하는학문분야이다. 전기공학 그림에서보는바와같이발전소의발전기 ( 대개는동기기 ( 同期機 )) 가발전을하여이것을삼상 ( 三相 ) 으로송전한다. 이것은변전소와배전소를거쳐단상 ( 單相 ) 으로가정에공급된다. 가정에서는전자파 ( 電磁波 ) 로수송되는 TV신호를받아 TV를볼수있다. TV에는트랜지스터, Op Amp(Operational Amplifier), 인덕터, 캐패시터등의회로소자를사용하고있다. Lecture 1-11 A : TV signal : 주파수 60-400 MHz 8 파장. m/sec λ = c 3 10 = f f Ch2 : 60 MHz 파장 = 5 m Ch54 : 1,500 MHz 파장 = 0.2 m B : 전자파의형태로전파. C : 전자파가안테나에서전하와전류를유도. D : 전자가전계에의해가속이되어 CRT면을때려서빛을발함 E : 트랜지스터내의전자와정공 ( 正孔 ) 의움직임으로신호를처리. F : TV를보는사람의심장에도전류가흐르고있음. 전기시스템 (I) Lecture 1-21
G : 집으로들어오는전압은변압기에의해강압 ( 降壓 ) 됨. H : 동기발전기에의해서전력이만들어짐. I : 화력발전소에발생하는미진 ( 微塵 ) 을정전력으로포집 ( 捕集 ) 하는집진기 ( 集塵機 ). J : 조정실의컴퓨터에의해전력이분배되고제어되어짐. K : 만들어진전력은삼상 ( 三相 ) 회선에의해서수송되며, 이선들은절연체에의해송전탑으로부터절연되고있음 L : 송전선아래에사람이서있는경우, 송전선의전압과전류가만들어내는전계와자계의영향을받을수있음. 전기시스템 (II) Lecture 1-31 전하 전하의중요특성 (1) positie, negatie 극성을갖고있다. (2) 전자전하의정수배 (-1.6 10-19 C) (3) 전기적효과를발생시킨다. - 전하가분리되면전압이발생, 전하가흐르면전류발생. - 전하양은전자전하양의정수배로불연속하지만워낙작은양 (-1.6 10-19 C) 이굉장히많으므로 ( 예 : 20 ºC 구리의경우전자밀도 10 23 개 /cm 3 ) 연속적이라고본다. Lecture 1-41
Systems of Units 1960 년 General Conference of Weights and Measures 에서 SI units 를정했다. Table 1.4-1 SI Base Units 사람의이름을딴단위는대문자로쓴다. 기호다음에마침표 (period) 를찍지않는다. 또한기호에복수형은쓰지않는다. 단위는정자체 ( 正字體 ) 로쓴다. 숫자와단위사이는띄어쓰기를한다. 예 : 100 m (o), 100 m (x), 100m (x). 참고 : 변수표현법 변수는기울임체로쓴다. 윗첨자와아래첨자의경우, 숫자는정자체로, 알파베트는기울임체로쓴다. 예 : x, 1, 100 V( 여기서 V 는단위임 ). Lecture 1-51 Deried Units in SI and SI Prefixes 기본단위들을조합하면유도단위를나타낼수있다. 예 : C = A s, W=J/s Table 1.4-2 Deried Units in SI Table 1.4-3 Prefixes 1000 을의미하는 k 는소문자. 1/100 을의미하는 c 는소문자. Lecture 1-61
전류정의 : 단위시간당전하의알짜흐름. 단위 : C/s = A (amperes) dq i = dt 전류 1 A 는 1 초에 1coulomb 의전하가흐른다는의미. Basic electric circuit Boylestad 책 34 쪽그림 2.7 Lecture 1-71 전압 전압정의 : 전하를분리시키는데드는단위전하당에너지. 단위 : J/C = V (olts) = dw dq 1 V 는 1 Joule 의에너지로 1 coulomb 의전하를분리시켰다는의미. Defining the unit of measurement for oltage Boylestad 책 37 쪽그림 2.10 Lecture 1-81
에너지와 Power + dw dw dq p ( t) = =. = i dt dq dt i i 1 + 1 Power : positie 상자안의회로에에너지가전달됨. 2 2 Power : negatie p=i p=(-i)=-i 상자안의회로로부터에너지가나옴. Passie reference configuration Lecture 1-91 충방전과에너지의흐름 축전지도캐패시터이다. 캐패시터는에너지를저장하기도하고방출하기도한 다. 캐패시터에에너지가충전될때에는전류가흘러들어와서전하가축적되며, 전압이상승한다. 방전시에는전류가캐패시터로부터흘러나가축적된전하가줄어들며전압이떨 A + - 전류충전 + - + + - - B 어지게된다. 자동차의축전지를충전하는것도같은원리이다. 충방전시의에너지흐름에대해서생각해보자. A + - 전류방전 + - + + - - B Lecture 1-101 10
Dc Voltage Sources and Batteries Dc oltage sources (1) batteries (chemical action) (2) generators (electromechanical) (3) power supplies (rectification) Batteries (1) battery 는 battery of cells 로부터유래. (2) 따라서, battery 는두개이상의cell 의조합으로구성. (3) primary 와 secondary 로구분. (4) secondary 는 rechargeable. (5) 대표적인이차전지는 lead-acid battery ( 주로자동차에쓰임 ) 와 nickelcadmium battery ( 계산기, 휴대용장비, 카메라플래시, 면도기등 ) 가있다. Lecture 1-111 11 Alkaline and Lithium-Iodine Primary Cells (a) Cutaway of cylindrical Energizer alkaline cell; (b) Eeready Energizer primary cells. Boylestad 책 40 쪽그림 2.12 Lithium-Iodine primary cells, Boylestad 책 40 쪽그림 2.13 Lecture 1-121 12
Lead-Acid Secondary Cell - electrolyte : sulfuric acid - electrodes : spongy lead and lead peroxide. - electrons: spongy lead -> lead peroxide during discharge. Maintenance-free 12-V (actually 12.6-V) lead-acid battery Boylestad 책 41 쪽그림 2.14 방전량은 specific graity를측정하면알수있다. 1.28 ~ 1.30 이면정상이고, 1.1 정도이면충전해야한다. 충전하기위해서는 dc current source 가필요하다. Lecture 1-131 13 Nickel-Cadmium Secondary Cell Rechargeable nickel-cadmium batteries. Boylestad 책 42 쪽그림 2.15 1000 charge/discharge cycles. Ni-Cad battery를사용해야하는기구에일차건전지를사용하면안된다. 이차전지는 1.2 V 이나, 일차전지는 1.5 V 이며, 이차전지를사용하는기구는내부에충전하는회로를갖고있기도하기떄문이다. Ni-Cad battery 는충전할때거의단자전압이변하지않으면서정전류원으로충전한다. 그러나, lead-acid battery 는 battery의상태에따라전류량이변하는정전압원에의해서충전된다. Lecture 1-141 14
Ampere-Hour Rating Battery 의용량정격은 Ah 또는 mah 로표시. 전류량이많아지면줄고, 상온보다높거나낮으면준다. 단자전압은방전시간이길어지면줄어든다. ampere hour rating(ah) Life(hours) = amperes drawn(a) 24 0 C Eeready BH 500 cell characteristics: (a) capacity ersus discharge current; (b) capacity ersus temperature. Boylestad 책 44 쪽그림 2.18 Eeready BH 500 cell discharge cures. Boylestad 책 44 쪽그림 2.19 Lecture 1-151 15 Generators and Power Supplies Dc generators : 120 V or 240 V Power Supplies : Rectification and filtering dc generator Boylestad 책 45 쪽그림 2.20 dc laboratory supply. Boylestad 책 45 쪽그림 2.21 dc laboratory supply : (a) aailable terminals; (b) positie oltage with respect to (w.r.t) ground; (c) negatie oltage w.r.t. ground; (d) floating supply Boylestad 책 46 쪽그림 2.22 Lecture 1-161 16
Applications - Flashlight (a) Eeready D cell flashlight; (b) electrical schematic of flashlight of part (a); (c) Duracell Powercheck D cell battery Boylestad 책 51 쪽그림 2.29 Battery : 16 Ah Bulb : 2.5 V, 300 ma, 30 hours. Bulb 보다 battery 를자주교체하는이유 (1) leakage current (2) 연속사용이아님 - bulb: cool down 효과 - battery: initial surge current Battery 는대개 1.2 ~ 1.3 V 에서동작. 0.9 V 이하에서는교체해야함. Lecture 1-171 17 Applications 12 V Car Battery Charger Battery charger: (a) external appearance Boylestad 책 53 쪽그림 2.30(a) Battery charger: (b) internal construction Boylestad 책 53 쪽그림 2.30(b) Lecture 1-181 18
Applications 12 V Car Battery Charger Circuit 12 V 이상일때충전. 12 V 이하에서는 diode 때문에방전이안됨. 6 A 충전모드사용시, 처음에는 7~8 A 가흐르나충전이진행함에따라 2~3 A 로떨어진다. 충분히충전이되면충전을정지시켜야한다. 또한, battery 전압이낮을때흐르는대전류를차단시켜야한다. Electrical schematic for the battery charger of Fig.2. 30 Boylestad 책 54쪽그림2.31 Lecture 1-191 19 App. Answer Machines/Phones dc Supply Answering machine/phone 9-V dc supply Boylestad 책 55 쪽그림 2.32 9 V, 200 ma. Regulator chip 을수신단에설치. 이유 - 발생열분리 - 잡음과진동을줄이기위해부하가까이에설치. Internal construction of the 9-V dc supply of Fig. 2.32 Boylestad 책 55 쪽그림 2.33 Lecture 1-201
Jet Vale Controller 작은실험용우주로켓에서그림과같이두개의회로소자로회로를구성하여 1분간 jet ale 제어기에에너지를전달한다. 1분간 40 mj을전달하는배터리 ( 회로소자 1) 를골라야한다. i(t) = De t/60 ma for t >= 0 이고, 소자 2 에걸리는전압은 2 (t) = B e t/60 V for t >= 0 이다. 전류의크기 D 가최대1 ma 로제한되어있다면, B 는얼마이어야하나? 요구되는배터리는어떤것인가? Jet ale controller Lecture 1-211