[2024.04.04.목] 인천인력개발원 하만 세미콘 아카데미
전자회로 해석 및 설계
실습 1: 최대 전력 전달 측정
1. 새 프로젝트 생성(MaxPwr) - Create Blank Project
2. 20일차 참고하여 변수 선언 및 회로 구성
- 오실로스코프
출처: SparkFun Learn - 프로브를 이용하여 전압 측정
- 디스플레이에 전압을 파형으로 표시
- OrCAD에서는 다음 아이콘으로 측정 가능
3. 파워 마커를 오른쪽 저항에 클릭
4. New Simulation Profile - DC로 이름 설정
5. Analysis 에서 Analysis Type을 DC Sweep로 설정
6. Sweep Variable의 글로벌 파라미터 선택 - 이름 입력
7. 저항을 1~1k까지 100옴씩 증가시키기 위해 Sweep Type에서 설정
8. 시뮬레이션 실행(F11)
9. x축 숫자 더블클릭 - X Grid - Major Grids를 Dots로 변경, Y Grid도 동일하게 변경 - 하단 Save as Dafault 클릭 - OK
10. 결과 확인
- 배경 색 변경 방법: 상단 메뉴 Tools - Options - Color Settings
11. Mark Data Points 클릭하여 결과 확인: 흰색 점 표시
12. Schematic 상단 Edit Simulation Profile에서 수정 가능
13. 정확한 결과값 도출 가능
14. 최댓값인 저항값을 알기 위해 Toggle Cursor 클릭
15. 최댓값 위치를 찾아 빨간색 커서 위치시킨 후 좌우 방향키를 통해 최대 위치 찾기
- 다음 아이콘으로 최댓값 검색 가능
- 다음 아이콘으로 라벨 설정 가능
- 다음 아이콘으로 텍스트 추가 가능, 텍스트 더블클릭하여 폰트, 색상 변경 가능
- 문서로 그래프 옮기는 방법
- Window - Copy to Clipboard - change white to black
- PPT에 붙여넣기하여 사용 가능
캡처시 검정색 배경이지만, 이 방법으로 복사하면 깔끔한 배경으로 복사가 가능 - 글씨가 안보이므로 resize를 위해 우상단의 가운데 버튼 클릭하여 사이즈 작게 수정
- 다시 위 과정 반복 후 문서에 붙여넣기(Ctrl+Alt+V: 원본 붙여넣기)
- 다음과 같이 잘 출력되는지 확인
- Window - Copy to Clipboard - change white to black
- Schematic Redraw: F5, Simulation Redraw: Ctrl+L (화면에 불필요한 정보의 잔상이 남아있을 때 초기화)
1. 회로해석 이론
1. 최대 전력 전달
- 부하 RL에 최대 전력을 공급하는 조건: 회로의 테브난 등가저항 Rs와 RL이 같을 때
Rs = Source Resistance, RL = Load Resistance - 무선통신 시스템에서 전달이 용이하기 위해 최대 전력 전달을 사용
- 일반적인 통신 시스템에서는 신호 전달이 중요 -> RL과 RS이 동일 x, RL이 커야 함
2. 정현파
- 각속도: 1초동안 회전한 각도, ω [rad/sec]
- t초동안 θ [rad]만큼 회전했을 때의 각속도 -> ω = θ / t [rad/sec]
- 주기(Period): 1바퀴 회전에 필요한 시간(같은 위상으로 돌아오는 데 걸리는 시간) T = 2π / ω [sec]
- 주파수(Frequency): 1초 동안에 반복되는 회전수, f[Hz] T = 1/f [sec] or f = 1/T [Hz] or ω = 2πf [rad/s]
- 진폭(Amplitude or Magnitude): 진동 중심으로부터 꼭대기까지 거리
- Peak to Peak: 꼭대기~꼭대기 값 (Vpp로 사용)
- 사인파 표현(Vm = 진폭): v(t) = Vm*sin θ [V] = Vm*sin ωt [V] = Vm*sin 2πft [V]
- RPM(Revolutions Per Minute): 분당 공전수, 분당 회전수. 1RPM = 60Hz
3. 위상과 위상차
- 위상(phase): 사인파의 시간적 지연 현상을 각으로 표현
- v = Vm*sin (ωt + θ), θ는 위상
4. 실효값( effective value, root mean square value: rms)
- 주기파를 이용하여 직류와 동일 열량 발생 시의 값
- 대부분 전류계, 전압계는 실효값을 지시(국내 정격전압 220V = 전압의 실효값)
- 국내의 콘센트 교류전압 실효값 220V = 직류 220V와 같은 에너지를 가짐
- 정현파의 실효값
위 식을 통해 국내 전압의 Vm은 약 311V임을 알 수 있음
2. 에너지 저장소자
1. 캐패시터(Capacitor)
- 캐패시터 = 콘덴서
- 평행 극판 사이 절연체 위치
- 역할: 전하 충전 기능 = 전기(전계) 에너지 저장
- 평행 금속판에 전압 인가 -> 같은 양의 양전하와 음전하가 금속판 표면에 축적
- 기호: -||-
- 전하를 충전할 수 있는 능력(용량)
- 기호: C
- 단위: [F] (Farad, 패럿)
- 1[F]: 1[V]의 전압을 인가했을 때, 캐패시터가 충전한 전하량이 1[C]인 상태
- 정전용량에 영향을 미치는 요소
- ε: 유전체 유전율
- A: 극판의 면적
- d: 극판 사이의 거리 - 충전된 전하량 Q = CV
2. 캐패시터의 에너지 저장
- 인가한 전압의 방향과 동일한 방향으로 전압 충전
- 저항에서는 열로 에너지를 소모
- 충전된 에너지 = 전기에너지
실습 2: 캐패시터 동작
1. 프로젝트명 RLC로 새 프로젝트 생성
2. 회로 구성
- VPULSE(Pulse Wave 전압원)
- V1: 최초 stage값
- V2: 두 번째 stage값
- TD: 지연시간(Delay Time)
- TR: 상승시간(Rising Time)
- TF: 하강시간(Falling Time)
- PW: 펄스 폭(Pulse Width)
- PER: 주기(PERiod)
- V1: 최초 stage값
- PWM(Pulse Width Modulation)
- OrCAD에서 PW를 변수로 PW = {pw}로 설정하여 구현 가능
- Duty Rate = PW / PER = 펄스 폭 / 주기 (%)
3. simulation 생성: tran으로 작성 후 다음과 같이 설정
4. 시뮬레이션 실행
5. Schematic에서 Place Net Alias 기능을 이용해 node(=net)에 이름 설정
6. F11눌러 시뮬레이션 실행 후 이름 변화 확인
7. Wire에 Current Marker 찍어보기 -> 오류 발생
8. Current Marker은 핀 끝에 찍기
9. 결과 확인
10. Plot-Add plot to window
11. 전압 그래프를 클릭, Ctrl+X, 위쪽에 Ctrl+V
12. 결과 확인
- 그래프 분석
- 충전순간 - V증가, I 감소 시작 / 방전순간 - V감소, I증가
- 전압 미분 -> 전류 그래프
- V 일정구간(Vdc) -> 전류 = 0, 저항 = 무한 -> Open Circuit (충전, 방전 완료)
- V 변화구간(Vac) -> 전류 ≠ 0 -> 교류전압에서 축전기의 전류가 흐름 = 충전, 방전하는동안 전류 흐름