[회로이론 1] Basic Component (1) (Charge, Current, Voltage, power, energy)

기본 소자들에 대하여 학습하기 전에 전류와 전압에 대해 학습하자. 

 

1. 전하 (Charge)

전하의 기호는 Q를 사용한다. q를 사용하기도 한다. 단위는 C (쿨롱, coulomb)를 사용한다. 

가장 작은 전하는 전자의 전하이다. 일반적으로 알고 있는 것처럼 -1.602*10^-19C이며, proton(양성자)의 전하량은 + 1.602*10^-19C이다. 

 

전하 - 기호(Symbol) : [Q], [q] -  단위 : [C] (coulomb)

 

전하는 항상 보존되며, 새로 생성되거나 사라지지 않는다. 

 

이러한 전하의 움직임 (흐름)을 전류(current)라 한다. 

 

 

 

2. 전류 (current)

전류는 방향이 존재하는 벡터량이다. 

전하가 흐르는 rate을 전류라고 한다. 

1 ampere = 1 coulomb/second (or 1 A = 1 C/s)

 

전류  - 기호 : I , i - 단위 :A (암페어, ampere)

 

 

전하와 전류의 관계는 다음 그래프와 같다. 

 

 

왼쪽의 그래프는 전하의 양이며, 오른쪽의 그래프는 순간 전류의 양이다. 전하의 양을 시간에 대해 미분하여 전류의 양을 수할 수 있다. t = 3s일떄의 q(t)의 기울기의 값이 전류 i(3)이라 할 수 있다. 즉,  I =dq/dt의 관계를 가진다. 

 

 

 

3. 전압 (Voltage)

 

1C의 전하를 A에서 B로 이동시키는데 1J의 일이 필요할 때, A와 B 사이에는 1V의 전압이 존재한다. 

전압에는 크기와 극성(polarity)이 존재한다. 

 

 

 

 

4. 전력 (power)

전력(p)은 전류(i)가 전압(v)을 통해 흐를 때 필요한 에너지의 비율로 정의된다. 여기서, 전류(i)는 단위 시간당 전하의 흐름(C/s)을 의미하고, 전압(v)은 전하 당 에너지(J/C)를 나타낸다. 따라서 전력(p)은 전압(v)과 전류(i)의 곱으로 표현된다.  단위는 와트(W)이다. (W = J/s).  

•p = iv [W = J/s]

4.1 Power Absorbed

에너지 흡수

전력이 양수일 경우, p > 0 

해당 전기 소자는 에너지를 흡수하고 있는 상태이다. 이는 전기 회로 내에서 해당 요소가 에너지를 소비하고 있음을 의미한다. 즉, 저항 소자의 경우 양의 전력을 가진다. 

 

 

4.2 power supplying

에너지 방출

전력이 음수인 경우, p < 0

해당 소자는 에너지를 공급하고 있으며, 배터리 등이 이에 해당된다. 배터리와 같은 전원은 전기 회로에 에너지를 제공 한다. 회로에 에너지를 공급하며, 배터리가 가진 에너지는 감소된다. 

 

 

 

 

 5. 에너지 (energe)

에너지는 power를 적분해서 구할 수 있다. 

 

에너지는 총 전력 수요 (총 전력이 필요한 양) 및 배터리 지속 시간을 결정한다. 

 

5.1 에너지의 단위

• 줄(Joule, J): 에너지의 국제단위계(SI) 단위로, 일(work)이나 열(heat)의 양을 나타낸다. 
• 와트시(Watt-hour, Wh): 전력 사용량을 나타내는 단위로, 1와트의 전력을 1시간 동안 사용했을 때의 에너지 양이다. 
  • 1 Wh = 3600 J

5.2 배터리 용량 단위

• 암페어시(Ampere-hour, Ah): 배터리가 일정 전류를 일정 시간 동안 공급할 수 있는 능력을 나타내는 단위이다. 예를 들어, 2Ah 배터리는 1암페어(1A)의 전류를 2시간 동안, 또는 2암페어(2A)의 전류를 1시간 동안 공급할 수 있음을 의미한다. 
•  

5.3 에너지 계산 예

• 배터리의 총 에너지 계산: 배터리의 전압(V)과 용량(Ah)을 곱하여, 그 배터리가 저장할 수 있는 총 에너지를 와트시(Wh) 단위로 계산할 수 있다.
  • 예: 1.5V의 배터리가 2Ah의 용량(capacity)을 가지고 있다면, 이 배터리의 총 에너지는 1.5V × 2Ah = 3Wh이다.
  • 이를 줄(J)로 변환하면, 3Wh × 3600J/Wh = 10,800J 즉, 10.8kJ(킬로줄)의 에너지를 저장할 수 있다.
• 배터리의 사용 시간 계산: 배터리가 특정 전류를 얼마나 오래 공급할 수 있는지는 배터리의 용량(Ah)을 해당 전류(A)로 나누어 계산할 수 있다.
  • 예: 2Ah 용량의 배터리가 200mA(0.2A)의 전류를 공급하는 회로에 사용된다면, 이 배터리는 2Ah / 0.2A = 10시간 동안 전류를 공급할 수 있습니다.

 

 

6. source(전원)

회로에 사용하는 source는 다음과 같은 4가지가 존재한다고 볼 수 있다. 전원은 전압원과 전류원으로 나눌 수 있으며, 독립전원 (independent)과 종속( dependent )전원으로 분류할 수 있다. 독립 전원은 일반적으로 동그라미로 사용하며, 종속 전원은 마름모 모양의 기호를 사용한다. 

 

6.1 Voltage Sources(전압원)

독립 전압원의 경우 회로에 일정한 전압을 공급한다. 전류의 양은 다른 회로 요소에 의해 결정되지만 해당 전압원의 전압은 일정한 값을 유지한다. 

실제 배터리는 최대 정격을 가지게 되지만 회로이론1에서 다루게 될 전압원은 일정한 dc전압(직류전압)을 공급한다. 

 

 

6.2 Current Sources (전류원)

 이상적인 전류원은 일정한 전류의 흐름을 유지한다. 전압은 다른 회로 요소에 의해 결정되지만 해당 노드에 흐르는 전류의 양은 일정한 양을 유지한다. 

 

 

6.3 Dependent Sources

종속 전압/전류원은 다른 회로 요소에 의해 결정된 전압/전류의 값을 유지하는 전압원이다. 마름모 모양의 기호를 사용한다. 

회로이론 1에서 다루게 될 전원은 아니며, 이들은 실제로 MOSFET과 BJT와 같은 트랜지스터를 사용한 회로를 등가화할 때 사용된다. 

예를들어 MOSFET의 경우 Vgs의 값에 따라 gmV1에 해당하는 전류원으로 등가화할 수 있다.