[L1] 1 전기의 3대 요소와 옴의 법칙 [L2] 1) 전압, 전류, 저항의 공학적 정의 (Definitions & Characteristics) [L4] - 전압 (Voltage, V): 전위차(Potential Difference)라고도 하며, 전하(Charge)를 이동시키는 원동력임. 단위는 볼트(V)를 사용함. [L5] * 기계공학의 유체역학에서 유체를 밀어내는 '수두(Hydraulic Head)' 또는 '압력(Pressure)'과 완벽히 대응되는 개념임. [L4] - 전류 (Current, I) : 도선을 따라 단위 시간당 이동하는 전하의 흐름(Flow of Electric Charge)임. [L5] *  1초 동안 1쿨롱($1\text{C}$)의 전하가 이동할 때 1암페어(A)로 정의됨. [L5] * 유체역학의 '유량(Flow Rate)'에 해당. [L4] - 저항 (Resistance, R): 전류의 흐름을 방해하는 물질의 고유한 성질임. 단위는 옴(Omega)을 사용함. [L5] * 유체가 배관을 지날 때 발생하는 '관마찰 손실(Pipe Friction Loss)'과 동일한 메커니즘을 가짐. [L2] 2) 옴의 법칙 (Ohm's Law) 및 전력 (Electrical Power) [L4] - 정의 : 도체에 흐르는 전류의 세기는 전압에 비례하고, 저항에 반비례한다는 전기공학의 가장 근본적인 법칙임. V = I R [L4] - 전력(P) 공식 : 단위 시간당 소비되는 전기 에너지로 P = V I (단위: W, 와트)로 표현됨. [L5] * 사례 및 특징 : 모터(Motor) 설계 사례 : 동일한 100W 출력을 내는 모터를 설계할 때, 전압(V)을 10V에서 20V로 높이면 전류(I)는 10A에서 5A로 감소함 [L5] * 전류가 줄어들면 도선의 굵기를 얇게 설계할 수 있어 장비의 경량화 및 원가 절감이 가능해짐. [L5] * 고전압 전기차(800V 시스템)가 등장하는 공학적 이유가 바로 이 옴의 법칙에 기반함. [L1] 2 직류(DC)와 교류(AC) [L2] 1) 직류 (DC: Direct Current) [L4] - 정의: 시간에 따라 전압의 크기와 전류의 방향이 변하지 않고 일정하게 유지되는 전기 방식임. [L4] - 장단점 및 사례 [L5] a. 장점 : 주파수(Frequency)가 없어 무효 전력(Reactive Power) 손실이 발생하지 않으며, 배터리(Battery)와 같은 에너지 저장 장치(ESS)에 직접 저장이 가능함- 정밀한 전자기기 제어에 유리함. [L5] b. 단점 : 고압으로 승압(Step-up)하거나 강압(Step-down)하는 변압기(Transformer) 설계가 복잡하고 전력 변환 비용이 높음. [L5] c. 적용 사례 : 스마트폰 배터리, 전기차(EV) 파워트레인, 태양광 발전(PV) 패널 출력, PC 내부의 마더보드(Motherboard). [L2] 2) 교류 (AC: Alternating Current) [L4] - 정의 : 시간에 따라 전압의 크기와 전류의 방향이 주기적으로(Sine wave 형태로) 바뀌는 전기 방식임. [L4] - 장단점 및 사례 [L5] a. 장점 : 전자기 유도 현상을 이용한 변압기(Transformer)를 통해 전압을 쉽게 높이거나 낮출 수 있어, 발전소에서 도심까지 수백 km를 이동하는 장거리 송전(Long-distance Transmission) 시 전력 손실을 극적으로 줄일 수 있음. [L5] b. 단점: 배터리에 직접 저장할 수 없으며, 컨버터(Converter)를 통해 직류로 변환(Rectification)하는 과정이 필수적임- 교류 특성상 표피 효과(Skin Effect)가 발생하여 도선 중심부의 효율이 떨어짐. [L5] c. 적용 사례: 한국전력(KEPCO) 송전망(220V / 60Hz), 공장용 대형 3상 유도 전동기(3-Phase Induction Motor). [L1] 3 회로 전자 소자 [L2] 1) 3대 수동소자 (Passive Components: R, L, C) [L4] - 정의: 외부에서 에너지를 공급받지 않고도 자체적으로 전압이나 전류를 소비, 축적, 지연시키는 소자임. [L4] - 저항기 (Resistor, R): [L5] a. 특징 : 전류를 제한하고 전압을 분배(Voltage Divider)함- 남는 에너지를 열(Heat)로 방출함. [L5] b. 사례 : LED 소자가 타버리지 않도록 적정 전류만 흘려보내는 전류 제한 저항, 히터(Heater)의 발열체. [L4] - 커패시터 (Capacitor, C): [L5] a. 특징 : 전하를 물리적으로 모아두는 '전기 창고' 역할을 함- 직류(DC)는 차단하고 교류(AC)는 통과시키는 특성(필터 역할)을 가짐- 용량 단위는 패럿(F)임. [L5] b.사례 : 전원부의 노이즈를 평활화(Smoothing)하는 바이패스 커패시터, 순간적으로 막대한 전력을 방출하는 카메라 플래시 및 전기차의 슈퍼커패시터(Supercapacitor). [L4] - 인덕터 (Inductor, $L$): [L5] a. 특징 : 도선을 나선형으로 감은 코일(Coil)로, 자기장(Magnetic Field)의 형태로 에너지를 저장함- 전류의 급격한 변화를 억제하려는 관성(Inertia) 특성을 가짐. [L5] b. 사례 : 직류를 교류로 변환하거나 전압을 승/강압하는 스위칭 파워서플라이(SMPS)의 초크(Choke) 코일, 무선 충전 패드. [L2] 2) 핵심 능동소자 (Active Components: Semiconductor) [L4] - 정의: 외부 전원을 공급받아 신호를 증폭(Amplification)하거나 스위칭(Switching)하는 등 능동적인 제어 기능을 수행하는 반도체 소자임. [L4] - 다이오드 (Diode): [L5] a. 특징: 전기를 오직 '한 방향'으로만 흐르게 하는 체크 밸브(Check Valve) 역할을 수행함. [L5] b. 장단점: 교류를 직류로 바꾸는 정류(Rectification) 작업에 필수적이나, 구동 시 약 $0.7\text{V}$의 순방향 전압 강하(Voltage Drop) 손실이 발생함. [L5] c. 사례: LED(발광 다이오드), 교류 어댑터의 정류기(Bridge Rectifier), 회로 역전압 방지 보호 소자. [L4] - 트랜지스터 (Transistor): [L5] a. 특징: 현대 전자기기의 뇌(Brain)를 구성하는 핵심 소자로, 미세한 입력 전류/전압으로 큰 출력 전류를 제어하는 '수도꼭지' 역할을 함- BJT와 MOSFET 계열로 나뉨. [L5] b. 사례: 0과 1의 디지털 신호를 처리하는 CPU 내 논리 게이트(Logic Gate)의 미세 스위치, 센서의 미세 신호를 증폭시켜주는 오디오 앰프(Amplifier). [L2] 참고) 관련 출처 (References) [L4] - Boylestad, R- L., & Nashelsky, L- (2012)- *Electronic Devices and Circuit Theory*- Pearson. [L4] - Alexander, C- K., & Sadiku, M- N- O- (2012)- *Fundamentals of Electric Circuits*- McGraw-Hill. [L4] - IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - Core Concepts in Electrical Engineering. [L4] - KEC (Korea Electro-technical Code) - 대한전기협회 전기설비기술기준.