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​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​15 ΩB

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​30 ΩBR6​30 Ω

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 ΩR4 = 30 ΩR5 = 5 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
3.마디 해석보통
−+Vs​ = 5 VIs​4 AAR1​10 ΩR2​6 ΩB

A와 B 사이의 전압원 Vₛ는 + 단자가 B에 있으므로 VB − VA = Vₛ가 됩니다. 슈퍼노드를 이용한 마디 해석법으로 마디 전압 VB (접지 기준)을(를) 구하시오.

Is = 4 AVs = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 6 Ω
VB = V
4.마디 해석어려움
R1​ = 15 ΩIR1​R2​ = 12 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩAR5​6 ΩBIs​1.5 A−+V2​36 V

마디 해석법을 이용해 화살표 방향으로 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 12 VIs = 1.5 AV2 = 36 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 ΩR5 = 6 Ω
IR1 = A
5.망 해석보통
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

망 해석법을 이용해 망 전류 I1 (시계 방향)을(를) 구하시오.

V1 = 15 VV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
I1 = A
6.망 해석어려움
R1​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR4​30 ΩAR5​2 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

망 해석법을 이용해 망 전류 I3 (시계 방향)을(를) 구하시오.

V1 = 18 VV2 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 25 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 ΩR5 = 2 Ω
I3 = A
7.중첩의 원리보통
선형 회로Vs​Is​IRL​

선형 저항 회로에 전압원 Vs 하나와 전류원 Is 하나가 있다. 부하 저항의 전류 I를 두 번 측정했다: Vs = 4 V, Is = 5 mA일 때 I = 4 mA이고, Vs = 8 V, Is = 2 mA일 때 I = 4.8 mA이다. Vs = 6 V, Is = 4 mA일 때의 부하 전류 I을(를) 구하시오.

4 V, 5 mA → 4 mA8 V, 2 mA → 4.8 mAVs = 6 V, Is = 4 mA
I = mA
8.중첩의 원리어려움
R1​ = 15 ΩR2​ = 12 Ω−+VR2​R4​ = 25 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩAIs​6 AB+−V2​6 V

중첩의 원리를 이용해 표시된 극성에서 R2 양단의 전압 VR2을(를) 구하시오.

V1 = 10 VIs = 6 AV2 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 25 Ω
VR2 = V
9.테브난·노턴보통
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAab

노턴 전류 IN을(를) 구하시오: 단자를 단락했을 때 a에서 b로 흐르는 전류.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
10.테브난·노턴어려움
R1​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAIs​1.5 ABab

노턴 전류 IN을(를) 구하시오: 단자를 단락했을 때 a에서 b로 흐르는 전류.

V1 = 18 VIs = 1.5 AR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
11.연산 증폭기 회로보통
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4.7 kΩVin​

이 비반전 증폭기의 전압 이득이 10이(가) 되도록 하는 귀환 저항 Rf을(를) 고르시오.

R1 = 4.7 kΩAv = 10
Rf = kΩ
12.연산 증폭기 회로어려움
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = −0.2 VR1​ = 100 kΩV2​ = −1.4 VR3​ = 1 kΩR4​ = 2 kΩ

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

V1 = −0.2 VV2 = −1.4 VR1 = 100 kΩR2 = 22 kΩR3 = 1 kΩR4 = 2 kΩ
Vout = V
13.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 4.7 kΩC68 µF+−vC​

전원 Vₛ가 R₁을 통해 커패시터를 충전하며, R₂는 C와 병렬로 연결되어 있습니다. t = 0에서 스위치가 닫힐 때 커패시터는 충전되어 있지 않다. t = 20 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.

Vs = 20 VR1 = 1 kΩR2 = 4.7 kΩC = 68 µFt = 20 ms
vC = V
14.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​20 VR1​ = 5 ΩR2​ = 47 Ωt = 0에 닫힘L47 mHi(t)

R2 양단의 스위치가 오랫동안 열려 있었으므로 인덕터 전류는 정상 상태이다. t = 0에 스위치가 닫혀 R2을(를) 단락한다. t = 20 ms에서의 인덕터 전류 i을(를) 구하시오.

Vs = 20 VR1 = 5 ΩR2 = 47 ΩL = 47 mHt = 20 ms
i = A

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: Req = 9.969 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​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​15 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 = 2 + 15 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 15·17/(15+17) = 7.969 Ω
Req = R1 + 7.969 = 2 + 7.969 = 9.969 Ω

답

Req = 9.969 Ω
2.저항의 직렬·병렬

답: Req = 22.99 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​ = 12 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​30 ΩBR6​30 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 = 5 + 30 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 16.15 Ω
R3 + 16.15 = 41.15 Ω
R2 ∥ 41.15 = 10.99 Ω
Req = R1 + 10.99 = 12 + 10.99 = 22.99 Ω

답

Req = 22.99 Ω
3.마디 해석

답: VB = 16.88 V

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.

슈퍼노드 만들기

A와 B 사이의 전압원에는 미지의 전류가 흐르므로 A나 B에서 따로 KCL을 쓸 수 없습니다. A, B와 전원을 하나의 슈퍼노드로 묶으세요. 들어오는 전류와 나가는 전류가 같습니다.

VB = VA + Vs = VA + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is

풀기

VA/10 + (VA + 5)/6 = 4
VA = (4 − 5/6)/(1/10 + 1/6) = 11.88 V
VB = 11.88 + 5 = 16.88 V

답

VB = 16.88 V
4.마디 해석

답: IR1 = 0.9479 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.

R1​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​12 VR3​15 ΩAR5​6 ΩBIs​1.5 A−+V2​36 V

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 12 V, V2 = −36 V). 미지수: VA, VB.

마디 A에서 KCL

저항을 통해 A에서 나가는 전류는 전원이 A(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/15 + (VA − 12)/15 + (VA − VB)/12 = 0
0.2167·VA − 0.08333·VB = 0.8

마디 B에서 KCL

저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/6 + (VB − VA)/12 + (VB − (−36))/4 = 1.5
−0.08333·VA + 0.5·VB = −7.5

풀기

Δ = (0.2167)(0.5) − (−0.08333)(−0.08333) = 0.1014
VA = Δ1/Δ = −0.225/0.1014 = −2.219 V
VB = Δ2/Δ = −1.558/0.1014 = −15.37 V

답

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − −2.219)/15 = 0.9479 A
5.망 해석

답: I1 = 0.2 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​ = 3 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩA+−V2​24 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
3·I1 + 8(I1 − I2) = 15
11·I1 − 8·I2 = 15

망 2의 KVL

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 8(I2 − I1) = (−24)
−8·I1 + 14·I2 = −24

풀기

Δ = (11)(14) − (−8)(−8) = 90
I1 = Δ1/Δ = 18/90 = 0.2 A
I2 = Δ2/Δ = −144/90 = −1.6 A

답

I1 = 0.2 A

음의 망 전류는 반시계 방향으로 흐릅니다.

6.망 해석

답: I3 = −1.612 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​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR4​30 ΩAR5​2 ΩB+−V2​36 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
12·I1 + 30(I1 − I2) = 18
42·I1 − 30·I2 = 18

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 + 30(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 57·I2 − 2·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
20·I3 + 2(I3 − I2) = (−36)
−2·I2 + 22·I3 = −36

풀기

Δ = 계수 행렬의 행렬식 = 32700
I1 = Δ1/Δ = 20340/32700 = 0.622 A
I2 = Δ2/Δ = 8856/32700 = 0.2708 A
I3 = Δ3/Δ = −52704/32700 = −1.612 A

답

I3 = −1.612 A

음의 망 전류는 반시계 방향으로 흐릅니다.

7.중첩의 원리

답: I = 4.6 mA

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.

응답을 기여분의 합으로 쓰기

각 기여분은 자기 전원에 비례하며, 그 상수는 저항에만 의존합니다.

I = k₁·Vs + k₂·Is
4·k₁ + 5·k₂ = 4
8·k₁ + 2·k₂ = 4.8

상수 구하기

Δ = (4)(2) − (5)(8) = −32
k₁ = Δ1/Δ = −16/−32 = 0.5
k₂ = Δ2/Δ = −12.8/−32 = 0.4
k₁ = 0.5 mA/V, k₂ = 0.4

새 전류 예측

I = 0.5·6 + 0.4·4 = 4.6 mA

답

I = 4.6 mA
8.중첩의 원리

답: VR2 = 47.93 V

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​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩA개방B단락

경우 1 · V1만 작용

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

R3 ∥ (R2+R4) = 2 ∥ 37 = 1.897 Ω
VA = 10·1.897/(15+1.897) = 1.123 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.123·25/37 = 0.7587 V
VR2′ = VB − VA = 0.7587 − 1.123 = −0.3642 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 25 Ω단락R3​2 ΩAIs​6 AB단락

경우 2 · Is만 작용

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

R1 ∥ R3 = 1.765 Ω, 따라서 왼쪽 경로는 R2+1.765 = 13.76 Ω
Req = R4 ∥ 13.76 = 8.877 Ω
VB = Is·Req = 6·8.877 = 53.26 V
VA = VB·1.765/13.76 = 6.829 V
VR2″ = VB − VA = 53.26 − 6.829 = 46.43 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 25 Ω단락R3​2 ΩA개방B+−V2​6 V

경우 3 · V2만 작용

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

R1 ∥ R3 = 15·2/(15+2) = 1.765 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·13.76/38.76 = 2.131 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2.131·1.765/13.76 = 0.2731 V
VR2‴ = VB − VA = 2.131 − 0.2731 = 1.857 V

성분을 더하기

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−0.3642) + 46.43 + 1.857 = 47.93 V

결과가 음수이면 실제로는 극성이 표시와 반대로 되어 있다는 뜻입니다.

9.테브난·노턴

답: IN = 1.5 A

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​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω단락R2​6 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 3 = 6 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 R₃에 전류가 흐르지 않으므로 전압 강하가 없고 V_b = V_A입니다. R₁과 R₂는 전압 분배기를 이룹니다.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 18·6/(6+6) = 9 V
IN​1.5 ARth​6 Ωab

노턴 등가 회로

노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.

IN = Vth/Rth = 9/6 = 1.5 A
10.테브난·노턴

답: IN = −1.112 A

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​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω단락R2​15 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

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

R1 ∥ R2 = 25·15/(25+15) = 9.375 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 9.375 + 8 = 17.38 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​15 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) = 6.75 + (−1.5)·9.375 = −7.313 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −7.313 + (−1.5)·8 = −19.31 V
IN​1.112 ARth​17.38 Ωab

노턴 등가 회로

노턴 전원은 같은 회로를 R_th와 병렬인 전류원으로 본 것입니다. 그 전류는 a–b의 단락 전류입니다.

IN = Vth/Rth = −19.31/17.38 = −1.112 A
11.연산 증폭기 회로

답: Rf = 42.3 kΩ

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.

비반전 증폭기의 이득

V₋ = V₊ = Vin이고 R₁의 전류는 Rf에도 흐르므로 Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (10 − 1)·4.7 = 42.3 kΩ

답

Rf = 42.3 kΩ
12.연산 증폭기 회로

답: Vout = −1.095 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) = −1.4·2/(1 + 2) = −0.9333 V

두 입력의 중첩

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

Vout = −(22/100)·(−0.2) + (1 + 22/100)·(−0.9333) = 0.044 + (−1.139) = −1.095 V

답

Vout = −1.095 V
13.RC·RL 과도 현상

답: vC = 4.948 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.

커패시터에서 본 테브난 등가 회로

Rth를 구하려면 전원을 단락하고, 최종 전압을 구하려면 커패시터를 개방하세요.

Rth = R1 ∥ R2 = 1·4.7/(1 + 4.7) = 0.8246 kΩ
vC(∞) = 20·4.7/(1 + 4.7) = 16.49 V

시정수

τ = Rth·C = 0.8246·68 = 56.07 ms

충전 곡선

vC(t) = 16.49·(1 − e−20/56.07) = 4.948 V

답

vC = 4.948 V
14.RC·RL 과도 현상

답: i = 3.569 A

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.

초기값, 최종값, 시정수

t = 0 전에는 두 저항이 모두 루프에 있고, 그 후에는 닫힌 스위치가 R₂를 우회합니다.

i(0) = 20/(5 + 47) = 0.3846 A
i(∞) = 20/5 = 4 A
τ = L/R = 47/5 = 9.4 ms
i(t) = 4 + (0.3846 − 4)·e−t/τ

주어진 시각의 전류

i(20) = 4 + (−3.615)·e−20/9.4 = 3.569 A

답

i = 3.569 A

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