회로이론 1: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 14개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

저항의 직렬·병렬

저항의 직렬 연결
Req = R1 + R2 + …
저항의 병렬 연결
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
두 저항의 병렬
Req = R1R2 / (R1 + R2)
옴의 법칙
V = I·R
전력
P = V·I = I²R = V²/R

방법

  1. 단자에서 가장 먼 회로망 끝에서 시작하세요.
  2. 직렬 저항은 더하고, 병렬 저항은 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …로 합성하세요.
  3. 단계마다 회로를 다시 그리세요.
  4. 단자 사이에 저항이 하나 남을 때까지 반복하세요.

마디 해석

키르히호프 전류 법칙
ΣIin = ΣIout
가지 전류
I = (Va − Vb)/R
기준 마디
Vground = 0

방법

  1. 기준 마디(접지)를 정하고 나머지 마디 전압에 이름을 붙이세요.
  2. 미지의 마디마다 키르히호프 전류 법칙을 쓰세요. 각 가지로 나가는 전류의 합은 들어오는 전류의 합과 같습니다.
  3. 모든 가지 전류를 (Va − Vb)/R로 나타내세요.
  4. 연립방정식을 푼 다음 필요한 전류를 구하세요.

망 해석

키르히호프 전압 법칙
모든 루프에서 ΣV = 0
공유 저항
전류 = I1 − I2
망 안의 전류원
그 망 전류가 정해짐

방법

  1. 회로의 모든 망(창)에 시계 방향 전류를 그리세요.
  2. 각 망을 따라 키르히호프 전압 법칙을 적용하세요. 전압 강하의 합은 0입니다.
  3. 두 망이 공유하는 저항에 흐르는 전류는 두 망 전류의 차입니다.
  4. 방정식을 푸세요. 결과가 음수이면 전류가 반대 방향으로 흐릅니다.

중첩의 원리

중첩의 원리
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
제거한 전압원
단락 (0 V)
제거한 전류원
개방 (0 A)
전압 분배
V2 = V·R2/(R1 + R2)
전류 분배
I1 = I·R2/(R1 + R2)

방법

  1. 독립 전원의 수를 세세요. 전원 하나마다 더 간단한 회로를 하나씩 풉니다.
  2. 전원 하나만 남기고 나머지는 끄세요. 전압원은 단락(도선)이 되고, 전류원은 개방(끊어진 부분)이 됩니다.
  3. 간단해진 회로에서 필요한 전압이나 전류를 구하고, 그 방향을 기록하세요.
  4. 모든 전원에 대해 반복한 뒤, 각 기여분을 부호와 함께 더하세요.

테브난·노턴

테브난 전압
Vth = Vopen circuit
테브난 저항
Rth: 모든 전원을 제거하고 a–b에서 본 저항
노턴 전류
IN = Vth/Rth
부하 전류
IL = Vth/(Rth + RL)
최대 전력 전달
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

방법

  1. 부하를 떼어 내고 두 단자를 a와 b로 표시하세요.
  2. a와 b 사이의 개방 전압을 구하세요. 이것이 Vth입니다.
  3. 모든 독립 전원을 끄고 a–b에서 본 저항을 구하세요. 이것이 Rth입니다.
  4. 부하를 등가 회로에 다시 연결합니다: Vth와 Rth의 직렬.
  5. 노턴 등가 회로로 변환합니다: IN = Vth/Rth, RN = Rth를 병렬로.

연산 증폭기 회로

반전 증폭기
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
비반전 증폭기
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
가산 증폭기
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
이상적인 연산 증폭기
V+ = V−, Iin = 0

RC·RL 과도 현상

시정수
τ = RC | τ = L/R
응답
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
직류에서의 커패시터
개방; vC는 갑자기 변할 수 없음
직류에서의 인덕터
단락; iL은 갑자기 변할 수 없음
정상 상태 값
t ≈ 5τ

방법

  1. 스위칭 직후의 초깃값을 구하세요. 커패시터 전압과 인덕터 전류는 갑자기 변할 수 없습니다.
  2. 스위칭 후 충분히 지난 뒤의 최종값을 구하세요. 커패시터는 개방 회로, 인덕터는 단락 회로처럼 동작합니다.
  3. 커패시터나 인덕터에서 본 저항을 이용해 시정수 τ = RC 또는 τ = L/R을 구하세요.
  4. x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ를 쓰세요.

2연습 문제

1.저항의 직렬·병렬보통
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​3 ΩB

전원이 공급하며 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 2 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​6 ΩBR6​10 Ω

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩR4 = 6 ΩR5 = 20 ΩR6 = 10 Ω
Req = Ω
3.마디 해석보통
R1​12 Ω+−V1​12 VI1​R2​10 Ω+−V2​6 VR3​5 ΩA

그림과 같이 마디 A와 접지 사이에 세 가지가 연결되어 있다. 마디 해석법을 이용해 가지 1에서 화살표 방향으로 마디 A를 향해 위로 흐르는 전류 I1을(를) 구하시오.

V1 = 12 VR1 = 12 ΩV2 = 6 VR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
I1 = A
4.마디 해석어려움
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​3 ΩAR4​30 ΩBIs​?

마디 A의 전압이 VA = 10.5 V가 될 때까지 전류원을 조정한다. 마디 해석법을 이용해 전원 전류 Is(방향은 그림과 같음)을(를) 구하시오.

V1 = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 ΩVA = 10.5 V
Is = A
5.망 해석보통
R1​ = 2 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​6 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

망 해석법을 이용해 망 전류 I2 (시계 방향)을(를) 구하시오.

V1 = 12 VV2 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
I2 = A
6.망 해석어려움
R1​ = 2 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR4​15 ΩAR5​5 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

망 해석법을 이용해 망 전류 I1 (시계 방향)을(를) 구하시오.

V1 = 30 VV2 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 ΩR4 = 15 ΩR5 = 5 Ω
I1 = A
7.중첩의 원리보통
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

중첩의 원리를 이용해 화살표 방향으로 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
8.중첩의 원리어려움
R1​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩIR3​AIs​1 AB−+V2​24 V

중첩의 원리를 이용해 화살표 방향으로 R3에 흐르는 전류 IR3을(를) 구하시오.

V1 = 6 VIs = 1 AV2 = 24 VR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 30 Ω
IR3 = A
9.테브난·노턴보통
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAab

단자 a–b에서 본 테브난 저항 Rth을(를) 구하시오.

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
10.테브난·노턴어려움
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​1.5 ABRL​10 ΩIL​

a–b 사이에 부하 RL = 10 Ω을 연결한다. 테브난 등가 회로를 이용해 부하에 전달되는 전력 PL을(를) 구하시오.

V1 = 10 VIs = 1.5 AR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩRL = 10 Ω
PL = W
11.연산 증폭기 회로보통
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 47 kΩVin​ = 1.5 VRa​ = 100 kΩRb​ = 47 kΩ

연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.

Vin = 1.5 VRa = 100 kΩRb = 47 kΩR1 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
12.연산 증폭기 회로어려움
−+Vout​R2​ = 1 kΩV1​ = −0.7 VR1​ = 10 kΩV2​ = 0.9 VR3​ = 4.7 kΩR4​ = 1 kΩ

연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 저항비가 맞지 않는다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.

V1 = −0.7 VV2 = 0.9 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩR3 = 4.7 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
13.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​24 Vt = 0R = 47 ΩL100 mHi(t)

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 5 ms에서 인덕터에 저장된 에너지 W을(를) mJ로 구하시오.

Vs = 24 VR = 47 ΩL = 100 mHt = 5 ms
W = mJ
14.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​6 Vt = 0에 열림R1​ = 1 kΩR2​ = 10 kΩC10 µF+−vC​

스위치가 오랫동안 닫혀 있었으므로 회로는 정상 상태이다. t = 0에 스위치가 열린다. t = 75 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.

Vs = 6 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µFt = 75 ms
vC = V

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: IR1 = 2.495 A

직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.

R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​3 ΩB

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R3 + R4 = 6 + 3 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 5·9/(5+9) = 3.214 Ω
Req = R1 + 3.214 = 4 + 3.214 = 7.214 Ω

전원 전류

전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.

IR1 = V1/Req = 18/7.214 = 2.495 A

답

IR1 = 2.495 A
2.저항의 직렬·병렬

답: Req = 14 Ω

직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.

R1​ = 2 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​6 ΩBR6​10 Ω

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R5 + R6 = 20 + 10 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 5 Ω
R3 + 5 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 12 Ω
Req = R1 + 12 = 2 + 12 = 14 Ω

답

Req = 14 Ω
3.마디 해석

답: I1 = 0.6522 A

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

마디 A에서의 KCL

아래 도선을 접지로 잡습니다. 각 가지는 A에서 나가는 방향으로 (VA − Vk)/Rk의 전류가 흐르며, Vk는 그 가지 전원의 전압입니다(저항만 있으면 0). A에서 나가는 전류의 합은 0입니다.

(VA − 12)/12 + (VA − 6)/10 + VA/5 = 0

VA 구하기

VA = (12/12 + 6/10 + 0/5) / (1/12 + 1/10 + 1/5) = 1.6/0.3833 = 4.174 V

가지 전류

화살표는 가지를 따라 위쪽, 마디 A로 향합니다.

I1 = (12 − VA)/R1 = (12 − 4.174)/12 = 0.6522 A

답

I1 = 0.6522 A

결과가 음수이면 실제 전류는 화살표와 반대로 흐릅니다.

4.마디 해석

답: Is = 4.817 A

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

마디 A에서의 KCL

VA를 알고 있으므로 이 방정식에서 VB가 나옵니다.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(10.5 − 5)/8 + 10.5/3 = (VB − 10.5)/2
4.188 = (VB − 10.5)/2 → VB = 18.88 V

마디 B에서의 KCL

저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (18.88 − 10.5)/2 + 18.88/30 = 4.817 A

답

Is = 4.817 A
5.망 해석

답: I2 = −0.6667 A

망 해석법: 평면 회로의 각 창에 고유한 루프 전류를 주고, 각 루프에서 키르히호프 전압 법칙(전압 강하의 합 = 전압 상승의 합)을 세워 풉니다. 가지 전류는 망 전류이거나, 공유 가지에서는 두 망 전류의 차입니다.

R1​ = 2 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​6 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

망 전류 정하기

각 창마다 시계 방향 전류를 그립니다: I1, I2. 두 망이 공유하는 저항에는 두 전류의 차가 흐릅니다.

망 1의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
2·I1 + 6(I1 − I2) = 12
8·I1 − 6·I2 = 12

망 2의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 6(I2 − I1) = (−18)
−6·I1 + 18·I2 = −18

풀기

Δ = (8)(18) − (−6)(−6) = 108
I1 = Δ1/Δ = 108/108 = 1 A
I2 = Δ2/Δ = −72/108 = −0.6667 A

답

I2 = −0.6667 A

음의 망 전류는 반시계 방향으로 흐릅니다.

6.망 해석

답: I1 = 2.291 A

망 해석법: 평면 회로의 각 창에 고유한 루프 전류를 주고, 각 루프에서 키르히호프 전압 법칙(전압 강하의 합 = 전압 상승의 합)을 세워 풉니다. 가지 전류는 망 전류이거나, 공유 가지에서는 두 망 전류의 차입니다.

R1​ = 2 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR4​15 ΩAR5​5 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

망 전류 정하기

각 창마다 시계 방향 전류를 그립니다: I1, I2, I3. 두 망이 공유하는 저항에는 두 전류의 차가 흐릅니다.

망 1의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
2·I1 + 15(I1 − I2) = 30
17·I1 − 15·I2 = 30

망 2의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 15(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 45·I2 − 5·I3 = 0

망 3의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
3·I3 + 5(I3 − I2) = (−15)
−5·I2 + 8·I3 = −15

풀기

Δ = 계수 행렬의 행렬식 = 3895
I1 = Δ1/Δ = 8925/3895 = 2.291 A
I2 = Δ2/Δ = 2325/3895 = 0.5969 A
I3 = Δ3/Δ = −5850/3895 = −1.502 A

답

I1 = 2.291 A

음의 망 전류는 반시계 방향으로 흐릅니다.

7.중첩의 원리

답: IR1 = −0.5873 A

중첩의 원리: 선형 회로에서 모든 전압이나 전류는 각 독립 전원이 단독으로 작용할 때의 응답을 합한 것입니다. 전원을 끄려면 이상 전압원은 단락으로, 이상 전류원은 개방으로 바꿉니다. 저항은 그대로 둡니다.

R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​15 ΩB개방

경우 1 · V1만 작용

Iₛ가 개방되므로 R₃와 R₄는 A에서 접지까지 하나의 직렬 가지를 이루고, 이 가지는 R₂와 병렬입니다.

R3+R4 = 2+15 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·17/(10+17) = 6.296 Ω
VA = 15·6.296/(6+6.296) = 7.681 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7.681·15/17 = 6.777 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (15 − 7.681)/6 = 1.22 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω단락R2​10 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

경우 2 · Is만 작용

V₁이 단락되므로 R₁은 R₂와 병렬입니다. Iₛ는 B에서 R₄와 R₃를 지나는 경로로 나뉩니다.

R1 ∥ R2 = 6·10/(6+10) = 3.75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 5.75 = 4.157 Ω
VB = Is·Req = 4·4.157 = 16.63 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 16.63·3.75/5.75 = 10.84 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 10.84)/6 = −1.807 A

성분을 더하기

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1.22 + (−1.807) = −0.5873 A

결과가 음수이면 실제로는 전류가 화살표와 반대로 흐른다는 뜻입니다.

8.중첩의 원리

답: IR3 = −0.2337 A

중첩의 원리: 선형 회로에서 모든 전압이나 전류는 각 독립 전원이 단독으로 작용할 때의 응답을 합한 것입니다. 전원을 끄려면 이상 전압원은 단락으로, 이상 전류원은 개방으로 바꿉니다. 저항은 그대로 둡니다.

R1​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩA개방B단락

경우 1 · V1만 작용

V₂는 단락, Iₛ는 개방됩니다. A에서 보면 R₃는 직렬인 R₂+R₄와 병렬입니다.

R3 ∥ (R2+R4) = 10 ∥ 42 = 8.077 Ω
VA = 6·8.077/(25+8.077) = 1.465 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.465·30/42 = 1.047 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 1.465)/10 = −0.1465 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 Ω단락R3​10 ΩAIs​1 AB단락

경우 2 · Is만 작용

두 전압원이 모두 단락됩니다. Iₛ는 B에서 R₄(이제 접지로)와, R₁ ∥ R₃와 직렬인 R₂로 나뉩니다.

R1 ∥ R3 = 7.143 Ω, 따라서 왼쪽 경로는 R2+7.143 = 19.14 Ω
Req = R4 ∥ 19.14 = 11.69 Ω
VB = Is·Req = 1·11.69 = 11.69 V
VA = VB·7.143/19.14 = 4.36 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 4.36)/10 = −0.436 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 Ω단락R3​10 ΩA개방B−+V2​24 V

경우 3 · V2만 작용

V₁은 단락, Iₛ는 개방됩니다. R₁ ∥ R₃가 A에 연결되고, R₂와 직렬로 B로 돌아갑니다.

R1 ∥ R3 = 25·10/(25+10) = 7.143 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·19.14/49.14 = −9.349 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −9.349·7.143/19.14 = −3.488 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − −3.488)/10 = 0.3488 A

성분을 더하기

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−0.1465) + (−0.436) + 0.3488 = −0.2337 A

결과가 음수이면 실제로는 전류가 화살표와 반대로 흐른다는 뜻입니다.

9.테브난·노턴

답: Rth = 15.43 Ω

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω단락R2​6 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 8·6/(8+6) = 3.429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.429 + 12 = 15.43 Ω
10.테브난·노턴

답: PL = 3.969 W

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω단락R2​30 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 8·30/(8+30) = 6.316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.316 + 10 = 16.32 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​1.5 ABab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 Iₛ가 흐를 수 있는 경로는 R₃를 거쳐 마디 A로 가는 것뿐입니다. V₁과 Iₛ의 중첩으로 V_A를 구한 뒤 R₃의 전압 강하를 더합니다.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 7.895 + (−1.5)·6.316 = −1.579 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −1.579 + (−1.5)·10 = −16.58 V
Rth​ = 16.32 Ω−+Vth​16.58 VRL​10 ΩIL​

부하를 테브난 등가 회로에 연결하기

테브난 전원과 직렬 R_th는 a–b에서 원래 회로와 똑같이 동작하므로, 부하는 단순한 직렬 루프를 보게 됩니다.

IL = Vth/(Rth + RL) = −16.58/(16.32 + 10) = −0.63 A
PL = IL²·RL = −0.63²·10 = 3.969 W
11.연산 증폭기 회로

답: Vout = 1.5 V

이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.

+ 입력의 전압

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 1.5·47/(100 + 47) = 0.4796 V

비반전 이득

V₋ = V₊이고, R₁을 흐르는 전류는 Rf도 흐릅니다.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0.4796·(1 + 100/47) = 1.5 V

답

Vout = 1.5 V
12.연산 증폭기 회로

답: Vout = 0.2437 V

이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.

+ 입력의 전압

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0.9·1/(4.7 + 1) = 0.1579 V

두 입력의 중첩

V₂ = 0이면 V₁은 반전 증폭기로 보입니다. V₁ = 0이면 V₊가 비반전 이득 1 + R₂/R₁로 증폭됩니다.

Vout = −(1/10)·(−0.7) + (1 + 1/10)·0.1579 = 0.07 + 0.1737 = 0.2437 V

답

Vout = 0.2437 V
13.RC·RL 과도 현상

답: W = 10.67 mJ

1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.

시정수와 최종 전류

스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.

τ = L/R = 100 mH / 47 Ω = 2.128 ms
i(∞) = Vs/R = 24/47 = 0.5106 A

주어진 시각의 전류

i(t) = 0.5106·(1 − e−5/2.128) = 0.4619 A

저장된 에너지

W = ½·L·i² = ½·100·0.4619² = 10.67 mJ

답

W = 10.67 mJ
14.RC·RL 과도 현상

답: vC = 2.577 V

1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.

초기 커패시터 전압

정상 상태에서 커패시터는 개방 회로이므로 R₁과 R₂가 전압 분배기를 이룹니다. 스위치가 열릴 때 커패시터 전압은 급변할 수 없습니다.

vC(0) = 6·10/(1 + 10) = 5.455 V

스위치가 열린 뒤의 시정수

τ = R2·C = 10·10 = 100 ms

방전

vC(t) = 5.455·e−75/100 = 2.577 V

답

vC = 2.577 V

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