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전기전자 공학개론

전기전자 공학개론. 강원대학교 기계 . 메카트로닉스 공학부 담당교수 : 장인배 담당조교 : 변헌환. 강의에 앞서 … 유의사항. 메카트로닉스 전공 에 진입하신 것을 환영합니다 . 공학교육인증 ( ABEEK ) 교과목 대학 강의의 예절 전공 담당교수 핸드폰은 반드시 … 강의중 소란행위 이메일 수업에 관련된 모든 사항은 담당조교와 상의 모든 공지사항은 게시판 및 홈페이지에 공고. 교과목 개요. 강의목표 – 전기 및 전자공학의 기초지식 습득

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전기전자 공학개론

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  1. 전기전자공학개론 강원대학교 기계.메카트로닉스 공학부 담당교수 : 장인배 담당조교 : 변헌환 전기전자공학개론

  2. 강의에 앞서…유의사항 메카트로닉스 전공 에 진입하신 것을 환영합니다. • 공학교육인증(ABEEK)교과목 • 대학 강의의 예절 • 전공 담당교수 • 핸드폰은 반드시… • 강의중 소란행위 • 이메일 • 수업에 관련된 모든 사항은 담당조교와 상의 • 모든 공지사항은 게시판 및 홈페이지에 공고 전기전자공학개론

  3. 교과목 개요 • 강의목표 –전기 및 전자공학의 기초지식 습득 • 후속 연계 과목들의 수강에 필요한 기초 전공과목-심화전공의 기반지식 • 담당교수 –장 인 배 inbae@kangwon.ac.kr • 교 재 –전기전자공학의 길라잡이(신윤기 저 인터비젼 출판) • 보조교재 – Principles of Electronics (Colin D. Simpson 영한출판사) • 강의자료 - www.msdlab.net의 강의자료 • 다운로드하여 프린트… • … • 강 의 실 – 6호관 310호 • 강의시간 –월3/목3 • 성적처리 –출석(10%), 리포트(20%), 중간고사(30%), 기말고사(40%) • 리 포 트 - 1주 후 제출, 정답은 다음주에 게시 • 기 타 –모든 사항은 담당 조교와 상의할 것, • 대리출석 적발 시 F 전기전자공학개론

  4. 전기의 역사 • 1600-William Gilbert : 정적인 전기학 연구 • 1745-Pieter van Musscenbroech : Lyden jar 발명(최초의 커패시터) • 1752-Benjamin Franklin : 양전하와 음전하 정의 • 1784-Charles Coulomb : 전하 사이의 작용력 규명 • 1791-Luigi Galvani : 동물 체내의 전기현상 발견 • 1799-Alessandro Volta : 최초의 배터리 제작 • 1820-Hans Christian Oersted : 전기와 자기사이의 연관관계 발견 • 1820-Andre Ampere : 도전체의 자기효과(인력및 척력) 규명 • 1827-Georg Ohm : 전압, 전류 및 저항 상호간의 관계 발견 • 1831-Michael Faraday : 코일에서의 자기유도현상 설명 • 1850-Gustav Robert Kirchhoff : 전압평형 법칙, 전류연속 법칙 발견 • 1883-Thomas Edison : 진공관 발명 • 1887-Heinrich Herts : Radio wave 전송 • 1896-Guglielmo Marconi : 공중으로 tlelgraph 전송 • 1901-Marconi : 대서양 횡단 무선통신 성공 • 1904-John Ambrose Fleming : 최초의 다이오드 개발 • 1906-Lee De Forest : 최초의 증폭기 발명 • 1915-무선신호의 미국대륙 횡단 성공 • 1928-Baird : 무선으로 TV 신호 전송 • 1939-RCA 가 최초로 방송 시작 • 1960년대 : 컬러 TV Titanic-Apr.14/1912 전기전자공학개론

  5. Solid State와 컴퓨터의 시대 • 1642-Blaise Pascal : 기계적인 가감산기 발명 • 1673-Gottfried Wilhelm von Leibniz : 곱셈과 나눗셈 추가 • 1823-Charles Babbage : 삼각함수 추가 • 1937-IBM 이 최초의 컴퓨터 회사 설립 • 1946-펜실바니아 대학이 최초의 전기적 컴퓨터(ENIAC) 발명-진공관 18,000개 • 1947-Willam Shockley등 : 트랜지스터 발명 • 1958-Texas Instrument 사(Jack St. Clair Kilby)가 최초의 IC 개발-Micromodule 계획 • 1959-1cm의 게르마늄 기판에 5개의 부품을 모은 세계 최초의 IC를 발표 • 1961-Fairchild Instrument 사가 최초의 상업용 IC 개발 • 1972-Intel 사가 최초의 마이크로 컴퓨터 개발 전기전자공학개론

  6. The Babbage Difference Engine (1832) 25,000 parts ENIAC - The first electronic computer (1946) Intel 4004 microprocessor Pentium II microprocessor 전기전자공학개론

  7. 전기/전자공학의 응용분야 • 응용분야 : 컴퓨터, 통신, 자동차, 산업현장, 의료, 계측 및 가전 등 현대산업 전반 • 응용사례 소프트웨어 신호증폭 D/A 전력전자 A/D 마이크로프로세서 센서 작동기 Honda-ASIMO Robot(2002) • Robot, Machine tools, F/A & O/A machineries, automobiles 등 기계산업 전반에 전기/ 전자공학 기술들이 깊숙하게 접목되어 있다. • Bio-engineering+Electronics+Mechanics 등과 같은 새로운 학문간의 접목이 진행 중 전기전자공학개론

  8. ASIMO 2007 • 시속 6km/h • 두 발이 모두 땅에서 떨어진다. • 배터리 기술의 발달로 배낭(배터리팩)이 소형화 되었다. 전기전자공학개론

  9. 공학의 기본-단위계 • 단위계 기본단위 : 길이[meter : m] 질량[kilogram : kg] 시간[second : s] 온도[kelvin : K] 전류[ampere : A] 보조단위 : 각도[radian : rad] • 기계적 단위계 면적[m2] 체적 [m3] 속도[m/s] 가속도[m/s2] 각속도[rad/s] 각가속도[rad/s2] 에너지(일) [Joule : J = N.m] 에너지밀도[J/m3] Power [watt : W = J/s] 힘 [newton : N = kg.m/s2] 압력,응력[Pascal : Pa = N/m2] 모멘트[N.m] 점도[Pa.s] 질량밀도 [kg/m3] • 전기적 단위계 전하량[coulomb : C = A.s] 커패시턴스[farad : F = C/V] 전압 [volt : V = W/A] 전기저항[ohm : W = V/A] 전기 전도도[siemens : S = A/V] 주파수[hertz : Hz = 1/s] 자속[weber : Wb = V.s] 자속밀도 [tesla : T = Wb/m2] 인덕턴스[henry : H = Wb/A] 전기전자공학개론

  10. Multiplying Factors 승수 표기 기호 발음 1018 exa E 엑사 1015 peta P 페타 1012 tera T 테라 109 giga G 기가 106 mega M 메가 103 kilo k 키로 102 hecto h 헥토 10 deka da 데카 10-1 deci d 데시 10-2 centi c 센티 10-3 milli m 밀리 10-6 micro m 마이크로 10-9nano n 나노 10-12 pico p 피코 10-15 femto f 펨토 10-18 atto a 아토 전기전자공학개론

  11. 제 1 장전기(Electricity) 1.1전기 1.2옴(Ohm)의 법칙 1.3저항 1.4직렬 및 병렬회로 1.5 전원 1.6전력 George Simon Ohm 전기전자공학개론

  12. 전기와 전도 • 도체내의 전자를 움직이게 하는 힘-전기적 에너지가 형성된다. • 도전체는 자유전자를 갖는 물질 • 전형적인 도전체는 구리 이다. • 전기는 전하 의 흐름이다. • 전자는 음 으로 충전된 입자이다. • 전자는 양 전하에 견인력을 받는다. • 전류- 일정 시간동안 특정 점을 통과하는 전하의 Coulomb 값 • 1 Coulomb = 6.242 x 1018개의 전자가 갖는 전하이다. • 전류[A]는 1초간 흐른 전하의 Coulomb 값[Coulomb/sec] 예제]어떤 도체내에서 1 초당 24.968 x 1018 개의 전자가 흐르고 있을 때 전류의 세기가 몇 암페어인지 계산하여라 • 전지의 두 단자 사이에는 전위차 (혹은 전압차)가 존재한다. • 전지의 두 단자 사이에 도전체를 연결하면 전위차이에 의해서 전자가 -ve 로부터 +ve 로 이동한다-즉, 전류가 흐른다. • 흐르는 전류의 양은 전위차에 비례한다. 전기전자공학개론

  13. 옴(Ohm)의 법칙 • 1827년 Georg Ohm(독일)은 일정한 온도에서 도체를 흐르는 전류I는 도체 양단의 전위차 V에 비례한다는 사실을 발견-전압, 전류 및 저항 상호간의 관계 V = I . R • 물질 내에서 전하의 흐름을 방해하는 인자를 저항이라고 부른다. • 저항은 재료, 길이, 단면적 및 온도에 의존적이다. R = r l / A • 저항 R, 저항율 r, 길이 l, 단면적 A • 저항율이 낮은 금속 : 은(Ag), 동(Cu) • 저항율이 높은 금속 : 니크롬(Ni-Cr) [예제] 좌측의 회로에 인가된 전압 V=10 [Volt]에서 전류 I = 0.1 [A]일 때 저항 R 의 값을 구하여라 전기전자공학개론

  14. 저항 • 약자 : R • 단위 : ohm [W] • 역할 : 저항은 자신을 통과하는 전자로부터 에너지를 흡수하여 열로 발산 • 전자기기가 작동중일 때는 만지지 말 것 - 뜨거울 수도 있다. • 용도 : 전기 회로에 공급될 전류 (전자의 흐름)의 양을 제어 • 저항의 사용 예 • 전기난로에서 저항선(전열선)은 열을 발산한다. • 전구에서 저항선(필라멘트)은 가열되어 빛을 발산한다. • DC모터의 속도(전류)를 조절하기 위하여 저항을 사용한다. 전기전자공학개론

  15. 저항의 식별 • 색상기호 • 색 흑 갈적등황 초청보 회백 • 수 0 123456789 • 승 1 101102103104105 106107108 109 • 저항의 용량 : 1,2선은 수로 3선은 승으로 읽는다 전기전자공학개론

  16. 저항식별 연습 • 저항의 오차-우측 마지막 선의 색으로 판별 • 갈색 1%, 금색 5%, 은색 10% • 저항의 용량 : 일반 기판용 저항은 1/4W • 예1 등백적 = 3900 = 3.9kW • 예2 황보갈 = 470 W • 예3 회적초 = 82x105 =8.2MW • 예4 청회등 = 68x103 = 68kW 전기전자공학개론

  17. 저항의 수열 • 모든 종류의 저항이 생산되는 것은 아니다. • 로그수열을 사용하여 생산되는 저항값을 규정 • 위의 수열표에 승수(x1, x10, x102, x103….)를 곱한 값의 저항은 일반적으로 용이하게 구할 수 있으나 그 외의 크기는 구하기 용이치 않음 • 정밀저항(오차율 1%이하)의 식별시에는 1,2,3선을 수로 4선을 승으로 읽는다. 전기전자공학개론

  18. 가변저항(potentiometer 또는 전위차계) • 저항값을 변화시킬 수 있는 가변형 저항(전위차계) • ½회전, 1회전, 10회전형 및 직선 운동형 등 정밀도와 용도에 따라 다양한 유형 • 고정형 저항에 비하여 저항 안정성이 취약 • 고정형 저항과 직렬로 연결하여 가변성과 정밀도를 동시에 획득할 수 있다. 전기전자공학개론

  19. 직렬회로 • 회로는 다수의 전기 요소들이 연결된 것이다. • 최소한 하나 이상의 닫힌 경로가 있어야만 전하가 흐를 수 있다. • 전원을 통과하면서 전압이 상승하며 저항을 통과하면서 전압이 하강한다. • 직렬연결-두 요소가 한 점에서 연결되며 접점에 제 3의 요소가 연결되지 않는 경우 • 직렬회로 내부 전체에서 전류는 동일하게 흐른다. • 병렬연결-두 개의 전기요소가 두 점에서 서로 접속되어 있는 경우 • 병렬회로에서 회로 내를 통과하던 전류는 두 저항에 의해 나뉜다. 단일회로 직렬회로 병렬회로 전기전자공학개론

  20. 예제 6 kW I + 20V 10 kW - 4 kW 직렬저항 • 직렬로 N 개의 저항이 접속되어 있으면 총 저항 RT는 RT = R1+ R2 + R3…. + RN • 총 저항이 계산되면 회로내를 흐르는 전류는 Ohm의 법칙으로 구할 수 있다. I = V / RT • 각 저항들을 통과하면서 발생하는 전압의 변화(하강)량은 V1=IR1, V2 =IR2, V3 = IR3 • 전압의 분배: 저항 Rx의 양단에 인가되는 전압 Vx = i .Rx 전기전자공학개론

  21. R I 2 T I = 1 R R + 1 2 I R 1 T I = 2 R + R 1 2 예제 I + 27V 9 kW 18 kW - R R 1 2 I 병렬저항 • 병렬회로에서 총 저항은 항상 병렬회로 내의 가장 작은 저항 값보다 작다. • 병렬회로 내에서 두 소자의 전압 강하량은 동일하다. • 저항 값이 R 인 저항 N 개가 병렬로 연결되어 있으면 RTotal = R/N • 두 개의 병렬저항에서 1/RTotal = 1/R1 + 1/R2 = (R2/R2).(1/R1) + (R1/R1).(1/R2) =R2/(R1.R2) + R1/(R1.R2) = (R2+R1)/R1.R2 RTotal = R1.R2/(R1+R2) • 전류의 분배: 병렬 연결된 저항사이의 전류 분할 비율을 정의 전기전자공학개론

  22. 직-병렬회로 • 직렬 및 병렬로 연결된 저항들은 일반적으로 하나 또는 두개의 저항으로 대체할 수 있다. • 여러 개의 직렬저항은 하나의 등가저항으로 대체할 수 있다. • 여러 개의 병렬저항도 하나의 등가저항으로 대체할 수 있다. • RA = R7//R8//R9 + R6 + R5 • RB = R3//R4+ R2 • RC = RA//RB • RTotal = R1 + RC • ITotal = E/RTotal • VR1 = R1.ITotal • IA = RB.ITotal/(RA+RB) • IB = ITotal - IA • VR2 = R2.IB • VR3 = E - VR1 - VR2 전기전자공학개론

  23. R 개방 개방 R R 단락 단락과 개방 • 단락 : 도선으로 연결되어 저항이 0인 상태 • 개방 : 도선이 끊어져 저항이 무한대인 상태 전기전자공학개론

  24. i i 1 R 기울기= S R S v ( t )= V + s S + v v ( t ) s - V v 0 - S 전압원 • 전원: 전기를 생산하는 에너지원(전압원, 전류원) • 전압의 단위 : Volt [V] • 전압원(or 배터리)의 역할 : 전기적 에너지의 공급. 에너지는 배터리 내부에서의 화학작용에 의해 발생된다. 배터리 양 극에 저항을 연결하면 일정한 전류가 저항을 통과하여 흐른다. • 배터리 전압 : AA 배터리(1.5 V),트랜지스터 배터리(9 V),자동차용 배터리(12 V) • 배터리의 사용 예 : 배터리는 이동식 에너지원으로 노트북 컴퓨터나 플래시의 전원공급에 사용된다. • AC/DC 전원공급장치 : 110/220V 교류전원으로부터 직류전원을 발생시킨다. • 이상적인 전압원: 사용전류가 변화해도 공급전압은 일정하다 • 실제적인 전압원: 전압원 내부저항에 의해 사용전류가 변화하면 전압이 낮아진다 교과서 그래프 틀림 전기전자공학개론

  25. 전압원의 직렬, 전류원의 병렬연결 • 전압원은 직렬로 연결할 수 있다. • 동일한 방향으로 연결된 전압원은 더하고 반대 방향으로 로 연결된 전압원은 뺀다. ET = E1 + E2 + E3 • 두 전압원의 발생전압이 동일하지 않으면 시도하지 말것! • 만약 전압이 동일하지 않다면 전압원의 병렬 연결은 어떤 법칙에 위배되는가? • 전류원은 병렬연결할 수 있다 • 전류원을 직렬연결하면 어떤 법칙에 위배되는가? Kirchhoff’s Law – 2장 전기전자공학개론

  26. i i 1 기울기= + R I i ( t )= I S S s S i ( t ) R v s S - 0 v 전류원 • 전압원을 이용하여 이차적인 처리과정을 거쳐 만든 전원 • 주로 작동기(모터, 솔레노이드 등)의 동력원으로 사용 • 이상적인 전류원: 사용 전압이 변해도 공급전류는 일정 • 실제적인 전류원: 내부 저항이 존재하여 사용 전압이 증가하면 공급전류는 감소한다. 교과서 그래프 틀림 전기전자공학개론

  27. 접지 • 회로 내에서 절대적인 전위를 정의할 수 없다. • 회로 내에서 임의의 한 점을 기준전위(0 Volt)로 삼고 다른 부분의 전위를 이에 대한 상대적인 차이로 나타낸다. • 일반적으로 음극 단자를 접지로 삼는다. • 대지접지(earth ground) : 대부분의 전기 기기는 대지(earth)를 통해 접지한다. • 섀시접지 : 차량 내부 회로들은 섀시(Chassis)를 기준접지로 사용 • 세탁기와 같은 경우는 섀시접지와 대지접지를 병행 전기전자공학개론

  28. 전력 • 전력은 단위시간당 얼마나 많은 일(어떤 종류의 에너지가 다른 종류의 에너지로 변환되는 과정)을 하는가를 표시하는 단위 • 전력의 전기단위는 watt 1 watt [W] = 1 joule/second [J/s] • 전력 : P=일/시간=전압x전류 • 전열선에 전류를 흘렸을 때 발열 에너지 • H = I2. R . t [J] = 0.24 I2. R . t [cal] • 1 [cal] = 물 1 gram 을 1 oC 높이는 데 필요한 열량 • 전열선에서 1초간 발열 되는 에너지:전력 • P = H/t = I2. R = V . I [W] • 예제 20oC의 물 1.2 리터를 500 W 의 전기 포터를 사용하여 60oC 까지 가열하는 데 걸리는 시간은? 전기전자공학개론

  29. 종속전원 • 회로 한 부분의 전압이나 전류가 회로 내 다른 부분의 전압이나 전원에 의해 제어받는 경우가 있다. • 이상적인 경우 내부저항이 없으나 실제적인 경우 내부저항 존재 • 반도체 소자의 4가지 종속전원 • 쌍극성 트랜지스터 : 전류종속 전류원 • 전계효과 트랜지스터 : 전압종속 전류원 • 연산증폭기 : 전압종속 전압원/전류종속 전압원 전기전자공학개론

  30. 정전기 • 동전기 : 도체 내의 전하운동 • 금속에서는 전기 발생시 도체를 타고 흐르기 때문에 정전기현상이 거의 일어나지 않는다. • 정전기 : 부도체의 마찰시 발생하는 마찰전기 • 명주, 유리봉, 모피, 플라스틱 등의 절연불질에 의해 잘 대전된다. • 전자를 잃은 물질은 양전하로 대전되고, 전자를 얻은 물질은 음전하로 대전된다. • 정전유도 : 양전하 또는 음전하로 대전된 물체에 도체를 가까이하면 반대극성의 전하가 유도된다. 이에 따라 정전 흡인력이 발생한다. • 쿨롱의 법칙 : 정전 흡인력의 정량화 된 계수 • 두 전하 사이의 전기력은 전기력선으로 표시 • 양전하에서 나와 음전하로 향함 • 분포 밀도에 의해 전장의 세기 표시 전기전자공학개론

  31. 리포트 • 홈페이지에 게시된 1장 연습문제를 풀어 제출하시오 • 작성방법 : A4용지를 반으로 나누어 앞뒷면 사용, 표지를 만들지 말것 • 제출기한 : 1주일 후 수업시간 시작전까지 • 제출장소 : 학과사무실 리포트 제출함 • 유의사항 : 기한이 지난 리포트는 받지 않습니다. • 정답공고 : 리포트 제출 마감직후 게시판에 게시 • 기타 : 문의사항은 담당조교에게 문의 전기전자공학개론

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