회로 소자 (Circuit Element, Circuit Device)의 개요

회로 소자 (Circuit Element, Circuit Device)의 개요

 

 

1. 회로의 정의

1) 회로란?

① 전기 회로(Electric Circuit)

· 전류가 흐르는 길

② 자기 회로(Magnetic Circuit)

· 자류(자속)이 흐르는 길

③ 전자 회로(Electronic Circuit)

· 회로소자(수동,능동)를 이용하여 증폭, 발진, 필터링, 스위칭 등 연산을 수행하는 전기회로

- 다이오드, 트랜지스터와 같이 비선형적 특성을 갖는 능동소자에 대한 이해가 필수적

- 이때의 해석 방법은, 각 동작영역 마다 전원, 수동소자 만으로 구성된, 등가회로에 의해 수행

 

2)회로소자 및 전기량

① 회로 소자(회로 소자(Circuit Element))

· 회로를 구성하는 요소

- 수동 소자 : 저항기, 인덕터, 커패시터 등

- 능동 소자 : 다이오드, 트랜지스터, 증폭기 등

② 회로 전기량(Circuit Quantity)

· 전류, 전압, 저항 / 임피던스(저항의 주파수 효과 고려) 등

 

3) 회로 정리/법칙

- 회로에 대한 주요 정리/법칙들

· 오옴의법칙, 키르히호프의 법칙(KCL, KVL), 태브냉정리, 노튼정리 등

 

4) 회로 방정식(Circuit Equation) 또는 회로 미분방정식 (Circuit Differential Equation)

- 전기 회로시스템의 동작 특성을 방정식 형태로 표현한 것

· 주로, 수학적인 모델인 미분방정식으로 표현됨

· 예) KCL, KVL, 마디해석법, 루프해석법 등

 

5) 회로 망 (Circuit Network)

① 복잡한 회로 구성을 일컬음

· 2포트 또는 2 이상의 에너지 저장 소자(LC)에 의한 복잡한 회로 구성

② 회로망 합성 (Network Synthesis)

· 설계명세조건이 주어졌을 때 이에 적합한 회로망 함수를 구한 후, 그 함수를 회로 소자로 실현하는 것

 

6) 회로 해석 (Circuit Analysis)

① 주어진 회로로부터 전압, 전류를 구하려는 것 임

- 관심있는 회로의 동작을 묘사하는 전류, 전압 미분 방정식을 작성하고, 그 해를 구함

- 예) 마디 해석법, 망로 해석법 등

- 회로 구성 및 동작 특성을 일반화시켜, 입력이 주어지면 그 출력을 예측함

- 여기서, 전압, 전류에 대해 공간은 정적으로 보고, 시간의 함수로 만 국한시켜 표현

② 회로 해석 소프트웨어 예) ☞ SPICE 참조

- 회로 해석을 위한 범용의 시뮬레이션 프로그램

 

7) 회로 설계 (Circuit Design)

- 목적하는 동작이 수행되는 회로를 구성하여 평가하는 것

 

8) 회로 이론 (Circuit Theory)

① 회로소자(능동소자, 수동소자)로 구성된 회로망 해석 및 설계를 위한 이론

※ 공학적 이해 및 시각화를 위해 간단한 형태로 만들어진 이론

- 물리계의 전기회로적 등가 해석

- 일반적으로, 시간/공간적인 복잡한 물리 현상을, 단지 시간에 만 의존하는 단순한 전기회로로 근사시켜, 이로부터 실용적인 공학적 응용이 얻어질 수 있음

 

9) 회로 이론 및 전자기장 이론 비교

※ ☞ 회로이론 전자기장이론 비교 참조

- 회로 이론 (Circuit Theory)

· 공간은 정적으로 보고, 전압, 전류에 대해 시간의 함수로 만 국한시켜 표현

- 전자기장 이론 / 전자계 이론 (E&M Field Theory)

· 시간 및 공간 변수(전계, 자계 등)를 모두 고려하여 함수로 표현

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2. `회로 이론` 및 `전자기장 이론` 비교

1) 회로 이론 (Circuit Theory)

- 공간을 정적으로 보고, 시간의 함수로 만 국한시켜 표현

· 시간만 관련된 변수(전압, 전류) 만 필요

- 회로의 전기적 성질을 나타내는 회로 상수

· 저항, 도전율, 커패시턴스, 인덕턴스 등

- 전압, 전류에 대한 저항적 성질

· 회로 임피던스 [Ω] = (전압 페이저 [V]) / (전류 페이저 [A])

 

- 회로 관점에서, 소자 간 에너지 흐름의 양적인 표현

· 전력 [W] = 전류 [A] x 전압 [V]

. [참고] ☞ 전력 구분(복소 전력, 유효전력, 무효전력 등) 참조

 

2) 전자기장 이론 / 전자계 이론 (E&M Field Theory)

- 시간 및 공간 변수를 모두 고려하여 함수로 표현

· 시간, 공간 모두가 관련된 변수(전계, 자계)가 필요

- 공간의 전기/자기적 성질을 나타내는 매질 상수

· 유전율, 투자율 등

- 전계, 자계에 대한 저항적 성질

· 전파 임피던스 [Ω] = (전기장 페이저 [V/m]) / (자기장 페이저 [A/m])

- 장 관점에서, 공간을 통한 에너지 흐름의 양적인 표현

· 전력 밀도 [W/㎡] = 전기장 [V/m] x 자기장 [A/m]

. [참고] ☞ (순시전력) 포인팅전력밀도, (평균전력) 방사전력, (전력보존) 포인팅 정리 참조

 

 

3. `회로 이론` 및 `전송선로 이론` 비교

1) 차이점 : 전기적인 크기

- 회로 이론 : 회로의 크기가 파장에 비해 훨씬 작음

. 회로가 집중정수회로로써 취급됨

. 회로 내 전압, 전류가 소자의 물리적인 크기에 따라 달라지지 않음

- 전송선로 이론 : 전송선로 크기가 1 ~ 수 파장 정도

· 회로가 분포정수회로로써 취급됨

· 전송선로 내 전압, 전류가 전송선로 길이에 따라 진폭, 위상이 변하는 전압파, 전류파로써 다뤄짐

 

※ 한편, 전송선로 이론(Transmission Line Theory) 이란?

- 전자기장 이론과 약간 다르게, 시간, 공강 변수를 모두 고려하되, 공간은 1차원 만 취급함

- 역할 : `전자파 계에 대한 해석` 및 `회로 해석` 과의 틈을 연결하여주는 역할을 함

- 용도 : 마이크로파 회로(안테나 급전선 등)의 해석에 매우 많이 쓰임

 

 

4. 소자의 정의

1) 소자란?

- 소자 (Element, Device) - 장치 내 부품 구성의 최소 단위 요소

- 회로 소자 (Circuit Element, Circuit Device)

- 신호처리(증폭,필터링,변조,스위칭 등)를 위한 회로 구성 요소

 

2) 회로 소자 구분

① 에너지 소모 여부에 따른 구분

- 수동 소자 (Passive Device) : 주로, 선형적 특성을 갖음

· 소자 내 에너지 원천을 갖지 않음

· 에너지 소비 가능 소자

· 예) 저항기, 인덕터, 커패시터 등 ☞ 선형수동소자 참조

※특징

· `저렴` (부가적인 전원 등이 불필요)

· 원하는 `소자 값`을 비교적 정확히 얻을 수 있음

· 연결시 `극성`과는 거의 무관함

 

- 능동 소자 (Active Device) : 주로, 비선형적 특성을 갖음

· 증폭 또는 전력 이득을 제공할 수 있는 소자 (예: 트랜지스터 증폭기 등)

· 한편, 터널 다이오드 등은 부성저항 영역에서 전력 이득을 제공

· 에너지를 공급할 수 있는 소자 (예: 전원 등)

· 전류 제어를 할 수 있는 소자

· 전류 흐름 방향 제어 (예: 다이오드 등)

· 전류 흐름 크기 제어 (예: 트랜지스터 등)

※ 특성

· 수동소자 보다는 다소 비쌈

· 원하는 소자 값 보다는 일정 범위에서의 동작 특성이 중요함

· 연결시 극성에 유의해야 함, 선형적 동작 특성을 주려는 아날로그 능동소자로는 연상증폭기 참조

 

② 선형성에 따른 구분

- 선형 소자 : 저항기, 인덕터, 커패시터

· 전압 전류 관계가 선형적

- 비선형 소자 : 다이오드, 트랜지스터, 사이리스터 등

· 전압 전류 관계가 비선형적

 

③ 응용에 따른 구분

- 광 소자(광 능동소자, 광 수동소자)

· 광통신 능동소자 (발광소자, 수광소자, 광증폭기, 광변조기, 광트랜시버, 광스위치 등)

· 광통신 수동소자 (광커플러, 광필터, 광섬유격자, 분파기, 광아이솔레이터, 광커넥터 등)

 

- RF 소자 (RF 능동소자, RF 수동소자)

 

④ 선로 길이에 따른 전압, 전류의 크기, 위상이 변하는지 여부

- 집중소자

- 분포소자

 

⑤ 집적성에 따른 구분

- 이산소자/개별소자

· 모든 부품들이 제각각 분리,삽입,연결됨으로써 하나의 완전한 회로 구성

- 집적소자/집적회로

· 하나의 반도체 기판 위에, 트랜지스터와 회로 구현에 필요한 수동소자인 저항, 커패시터 등 모든 부품들을 동시에 집적화시킨 회로 구성

· 견고성, 소형화, 저 전력, 저가의 대량 생산 등에 유리

 

⑥ 논리연산에 기본이 되는 회로소자

- 논리소자 (NOT게이트, AND게이트, OR게이트 등)

 

 

3) 집중 소자 및 분포 소자 (각 모델 간의 비교 관점)

① 집중 정수 회로 모델 (Lumped Constant Circuit)

※ 유한개 요소 만으로 시스템방정식이 표현됨

- 선로 길이가 전송 신호 파장에 비하여 무시할 수 있다면, 선로의 전기 저항(R), 인덕턴스(L), 정전용량(C)등 회로 정수 들이 전선(선로, 회로)의 어느 한부분에 집중되어 있는 것으로 간주하는 모델

- 회로 내 전압, 전류가 모두 동시적인 변화를 함

- 공간적인 개념 없이, 시간적인 변화 만 관심 있음

 

② 분포 정수 회로 모델 (Distributed Constant Circuit)

※ 공간적으로 연속된 분포 형태가 시스템방정식에 기술되어 표현됨

- 선로길이가 전송 신호 파장에 비하여 무시할 수 없게되면, (1 ~ 수 파장 정도) 회로 내 전압, 전류는 더이상 균일하고 동시적인 변화가 없어짐(보통, 도선 길이가 파장의 1% 이상일 때) 이때의 전압, 전류 및 회로정수 등은 전송선로 위치에 따라 변하게 되어, 회로 정수가 전선의 길이 방향으로, 분포되어 있는 것으로 간주하는 모델

- 전송선로, 도파관 등이 `길이`,`전파정수`, 특성 임피던스`에 의해 취급됨

- 공간, 시간 개념 모두 관심을 갖음. (단, 공간은 길이 관점 만 갖음)

 

 

4) 분포정수회로의 특징

① 선로 위치에 따라 전압 및 전류의 크기 및 위상이 달라짐

 

5) 분포정수회로의 회로 해석 방법

① 회로해석방법

- 분포회로의 차분 길이에 대한 집중정수회로적 해석에 기초함

- 이때 전송 특징을 나타내는 차분 특성값으로 R,L,G,C가 사용되며, 이들을 1차 정수라 함

 

· R : 양 도체에 대한 단위길이당 직렬 저항 (Ω/m)

- 저항성 손실

- 도체의 도전율이 유한이기 때문

· G : 단위길이당 병렬 컨덕턴스 (S/m)

- 두 도체 사이의 누설 전류에 의한 누설 콘덕턴스

· L : 양 도체에 대한 단위길이당 직렬 인덕턴스 (H/m)

· C : 단위길이당 병렬 커패시턴스 (F/m)

- 한편, 2차 정수는 1차 정수로부터 유도되는 파동적 특성량임