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안녕하세요! 오늘은 OP AMP에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

OP APM는 Operation Amplifier 입니다. 연산 증폭기를 뜻합니다.

간단히 설명하자면 연산 증폭기는 신호를 증폭하는 기능과 연산을 할 수 있는 기능을 가진 하나의 집적 회로입니다.

그럼 연산증폭기가 어떤 특서잉 있고 어떤 증폭기가 있는지 알아보도록 하겠습니다.

1. 연산증폭기와 특성

OP AMP의 기본 개념도입니다.

증폭기의 목적은 다음과 같습니다.

첫번째 : 전원전압으로 최대한 많은 전압을 받아 RL(VL)에 보내주기 위함 입니다.

두번째 : 전압이득(A)를 적절히 조절하기 위함 입니다.

연산 증폭기의 회로기호는 다음과 같습니다.

보통 디지털회로에서 3각 기호는 버퍼를 의미하지만, 아날로그 회로에서는 증폭기를 의미합니다.

OP AMP는 2개의 입력 단자와 1개의 출력 단자를 가진 증폭기입니다.

입력 신호를 +단자에 가하면 출력에는 입력과 동위상의 출력이 나타나고,

-단자에 가하면 입력과는 역상의 신호가 출력됩니다.

그러므로, -단자를 반전 입력 단자, +단자를 비반전 입력단자라고 합니다.

위 그림은 연산증폭기의 등가모델입니다. 이 그림으로 연산증폭기의 특징을 알아보겠습니다.

먼저 연산 증폭기에서 큰 전압을 끌어오기위해서는 Rin에 걸리는 전압이 최대한 커야합니다.

그렇기 때문에 Rin은 최대한 커야하고 그래서 이상적인 연산증폭기의 입력 임피던스는 무한대입니다.

그다음 비슷하게 Vout에 전압을 온전히 보내주기 위해서는 Rout에 걸리는 전압이 최대한 낮아야하고,

그렇기 때문에 이상적인 출력 임피던스 Rout은 0입니다.

그리고 이상적인 OP AMP에서 이렇게 얻어지는 증폭 전압의 이득의 크기는 무한하다고 봅니다.

정리하자면

(1) 입력 임피던스는 무한대다.

(2) 출력 임피던스는 0이다.

(3) 전압이득은 무한대이다.

2. 연산증폭기 종류

1) 반전 증폭기

반전 입력 단자 (-)에 입력을 가하여 증폭 작용을 하는 회로를 '반전 증폭 회로'라고 합니다.

왼쪽 그림과 같이 (-)에 저항을 접속하고 (+)단자를 접지하여 사용합니다.

우선 증폭회로를 해석하기 전에 알아두어야 할 사항이 있습니다.

OP AMP에 전류는 거의 유입되지 않습니다.  그 이유는 앞서 말한 OP AMP의 입력 임피던스가 무한대에 가깝기 때문입니다.

그리고 OP AMP의 단자 사이는 마치 단락된 것과 같은 상태로 작용합니다. 이를 가상단락(imaginary short)라고 합니다.

그렇기 때문에 Vn = Vp로 볼 수 있습니다.

전압증폭도를 계산하는 방법입니다.

반전 증폭 회로의 입력 단자에서 전류 i1이 흐르는데 앞서 말했듯이 OP AMP의 큰 임피던스 때문에 앰프로 전류가 흐르지 않습니다.

그러므로 i1의 전류는 if와 같다고 볼 수 있습니다.

그래서 R1에 흐르는 전류와 if에 흐르는 전류가 같다는 식을 세우면

(V1 - Vn) / R1 = (V1 - V0) / Rf 라는 식이 나옵니다.

여기서 가상단락에 의해 Vn = Vp 인데 (+)단자는 접지 역할을 하므로 Vn = Vp = 0 가 됩니다.

그래서 위 식을 정리하면 V0 = - (Rf/R1)*V1 이 됩니다.

여기서 -는 반전을 뜻하고, (Rf/R1)은 전압증폭도를 뜻 합니다.

2) 비반전 증폭 회로

비반전 증폭기는 입력 단자 (+)에 입력을 가해 증폭 작용을 하는 회로입니다.

반전 입력 (-)측에 저항을 접속하여 접지합니다.

앞서 설명한 반전 증폭기와 같이 앰프에 전류가 흐르지 않으므로 i1 = if가 됩니다.

그러므로 n에 걸리는 전압은 저항에 분압된 전압과 같게 됩니다.

그러므로 Vn = ( R1 / (R1 + Rf) ) *V0 가 됩니다.

근데 가상 단락으로 인하여 Vn = V2가 되므로

V2 = ( R1 / (R1 + Rf) ) *V0가 되고 정리하면

V0 = ( (R1 + Rf) / R1 ) * V2가 됩니다.

즉 전압 증폭도는 (R1 + Rf) / R1가 됩니다.

3) 차동 증폭 회로

차동 증폭 회로는 두개 입력 차를 종폭하는 증폭기입니다.

차동 증폭기에서 전압증폭도를 계산하는 과정은 위 그림에 잘 나타나져있습니다.

간단하게 말하자면 v1 입력에서는  전류가 일정하다는 것으로 식을 하나 구하고

v2 입력에서는 분압된 전압을 구하는 식으로 식을 하나 구해서 연립하면

V0 = (Rf / R1) * (V2 - V1)라는 식이 나옵니다.

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이번글에서는 OP AMP가 무엇인지, 또 그 증폭기가 종류와 전압증폭도에 대해서 알아보았습니다.

감사합니다.

안녕하세요. 이번 글에서는 포토커플러에 대하여 간단히 알아보도록 하겠습니다.

전자공학과 이거나 공학도이면 포토커플러를 접하신 적이 있을 것 입니다.

처음에 들을때는 생소하지만 널리 많이 쓰이고 있습니다.

쉽게 설명하자면 포토커플러란 전기신호를 빛으로 전달 시킬 수 있는 부품입니다.

그러면 자세히 알아보도록 하겠습니다.

1. 포토커플러의 뜻과 원리

위의 그림은 포토커플러를 가장 간단하게 표현한 회로입니다.

앞서 말했듯이 포토커플러란 전기신호를 빛으로 전달 시키는 역할을 합니다.

포토커플러는 빛을 전달해주는 발광 다이오드와 스위치 역할을 해주는 다이오드(트랜지스터)로 구성됩니다.

다음과 같이 발광소자, 수광소자로 구성됩니다.

여기서 발광소자는 빛을 전달하는 발광 다이오드이고, 수광소자는 스위치 역할을 해주는 다이오드입니다.

동작원리는 다음과 같습니다.

일반적인 트랜지스터 같은 경우에는 Base에 전류가 흐르면 Collector 에서 Emitter 로 강한 전류가 흐르게 됩니다.

여기서 포토커플러는 Base에 전류가 흐르는 대신 발광소자이 IRED 광출력을 Photo TR에 신호를 보내서 스위치 역할을 하게 합니다.

즉, 전기신호를 빛을 이용하여 전달하는 것 입니다. 

그러면 전기신호를 빛으로 전달하면 무엇이 좋고 포토커플러의 용도가 무엇인지 알아보겠습니다.

2. 포토커플러의 용도

포토커플러를 사용하게된 배경은 다음과 같습니다.

동작 전원이 다른 두 회로의 경우

예를 들어, PLC의 메모리의 경우 5v를 쓰고 입력 출력은  24v를 쓰게 되니 신호를 전달하면 많이 손상됩니다.

그래서 빛으로 전기 신호를 주고 받게 된 것 입니다.

그래서 포토커플러의 용도는

첫번째로 전원이 다른 두 회로를 완전히 분리 시키는 것 입니다.

발광소자와 수광소자 사이에는 절연 물질이 있기때문에 전류가 흐르지 않기 때문입니다.

두번째로 잡음에 아주 강합니다. 

전기신호를 빛으로 전달하고, 첫번째 경우와 같이 절연물질로 인해서 회로가 잡음으로 부터 안정적이게 됩니다.

세번째로, 회로가 아주 간단해지고 신뢰성이 높아집니다.

이번 글에서는 포토커플러에 대해서 간단히 알아보았습니다.

가장중요한 점은, 정리하자면 포토커플러는 전기신호를 빛으로써 전달시킬 수 있게 해주는 소자이고

이로 인해 회로가 간단해지고 전원이 다른 두 회로가 아주 안정적이고 신뢰성이 높아진다는 것 입니다.

참고로 포토커플러(photocoupler)는 Photo Isolator, Opto Coupler, Opto Isolator 라고도 합니다.

다음번에는 좀 더 유익한 글로 찾아뵙도록 하겠습니다. 감사합니다.

이번 글에서는 인덕터의 역할과 특성, 그리고 동작 원리에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

저항, 컨덕터(캐패시터) 그리고 인덕터는 회로에서 가장 많이 쓰이고 기본적인 수동소자 입니다.

인덕터를 간단하게 설명하자면 회로에서 전류가 변하면 그것을 방해하는 방향으로 전압을 유도하는 코일입니다.

그러면 이것이 정확히 무엇이고 특성과 동작원리에 대하여 자세히 알아보도록 하겠습니다.

1. 인덕터와 인덕턴스의 정의

인덕터란 위의 그림과 같은 코일모양으로 회로에 표현됩니다.

인덕터는 전류의 변화량에 비례해서 전압을 유도하는 코일입니다.

즉 회로에서 전류가 변하면 그것을 방해하려고 하는 성질을 지닌 소자입니다.

그래서 실생활에 쓰이는 전자기기에서 전류의 량이 급격히 변하면 회로를 망가뜨릴 수 있기 때문에,

이를 방지하기 위해 인덕터를 이용하여 보호회로를 만들곤 합니다.

인덕턴스는 전류의 변화를 방해하는 도체의 성질을 뜻 합니다.

보통 인덕터는 코일로 회로에 표현되어서 '인덕터 = 코일'로 알고 계시는 분들이 있습니다.

하지만 모든 도체들은 인덕턴스의 성질을 가지고 있습니다.

위의 그림에서 보이는 직선형태의 도선에 전류가 흐르기 시작하면 자기장이 형성되고 

원래의 전압에 대항하려는 전압이 도체 내에 유도되어 기존의 전류가 변화됩니다.

하지만 직선 도체에서는 그 효과가 아주 미미합니다.

2. 인덕터의 동작원리

인덕터의 동작원리는 '렌츠의 법칙'과 일맥상통 합니다.

즉, 코일에 흐르는 전류가 변하면 전류의 변화를 방해하는 방향으로 유도 기전력이 코일 양단에 생성됩니다.

첫번째 그림에서는 전체회로의 전류가 저항 R1에 의하여 일정하게 유지됩니다.

회로의 전류는 변하지 않으므로 코일에서 유도기전력이 생성되지 않습니다.

위 그림에서의 스위치가 닫히게 되면 저항 R2가 회로에 병렬로 연결됩니다.

그러면 회로의 전류가 증가하게 됩니다. 이때, 코일에서 전류의 변화를 방해하는 방향으로 유도 기전력이 형성됩니다.

그래서 스위치가 연결되고 짧은 순간동안은 전류가 변하지 않고 유지됩니다.

그리고 시간이 어느정도 지나면 코일에 유도된 전압이 감소하고 전체 전류는 증가합니다.

이런식으로 전류가 증가하거나 감소하거나 변화를 하면 코일에서는 이를 방해하는 쪽으로 유도 기전력을 생성합니다.

3. 인덕턴스에 영향을 미치는 요소

인덕턴스에 영향을 미치는 요소는 4가지 입니다.

코어의 재료의 투자율, 권선수, 코어 길이, 코어의 단면적입니다.

투자율은 자기장이 얼마나 쉽게 형성되는지를 결정하는 수인데, 투자율이 크면 인덕턴스도 커집니다.

권선수가 커질 수록 도선이 많아 지는 것이므로 유도 전압도 강해집니다.

코어의 단면적이 클 수록 유도 기전력이 커지고, 코어 길이에 반비례합니다.

이를 식으로 정리하면

인덕턴스를 다음과 같이 수치화 할 수 있습니다.

단위는 헨리를 사용합니다.

이번 글에서는 인덕터에 대하여 알아보았습니다.

기본적인 소자이므로 잘 알아두시면 큰 도움이 될 것 입니다.

감사합니다.

안녕하세요. 오늘은 캐패시터가 무엇인지, 그리고 캐패시터의 동작원리에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

캐패시터에 대하서 접해본적이 있을 것 입니다. 기본적인 회로이론을 배우거나, 고등과정에서도 다루는 내용입니다.

캐패시터는 기본적으로 전하를 축적하는 역할을 하는데, 이를 이용하여 회로에서 많은 역할을 합니다.

그럼 캐패시터에 대하여 자세히 알아보도록 하겠습니다.

1. 캐패시터란?

캐패시터는 전하를 축적할 수 있는 능력을 가진 전자 부품입니다.

캐패시터는 위의 그림과 같은 구성을 가지고 있습니다. 두개의 전도성 극판 사이에 유전체가 있는 형태입니다.

(유전체는 절연체입니다.)

그리고 이 캐패시터의 전하를 충전할 수 있는 양을 나타내는 캐패시턴스가 있습니다.

전하량은 전압에 비례합니다. 그래서 전하량에 전압을 나누면 일정 상수가 나오고 그것을 캐패시턴스라고 정의합니다.

2. 캐패시터의 전하 축적 원리

처음 전원을 연결하기 전에는 캐패시터가 중성 상태로 존재합니다.

양쪽 전도성 극판에는 동일한 수의 자유전자가 존재합니다.

캐패시터가 저항기를 거쳐 전원에 연결되면 전도성 극판 중 (+)전원에 가까운 극판에서 자유전자가

반대 쪽 극판으로 이동하게 되고 B극판에 자유전자가 축적되고 A극판은 B극판에 대해 양의 극성을 가지게 됩니다.

이러한 충전 동안, 연결된 리드와 전압원을 통해 전류가 흐르게 됩니다.

위의 그림 처럼 자유전자가 B극판에 계속 축적되어 전위차가 생기는데, 이 전위차가  전원 전압과 같아지면 충전이 중단됩니다.

만일 캐패시터 양단의 전압원이 제거 되어도 캐패시터는 일정 시간동안 전하를 유지할 수 있습니다.

실제로, 매우 큰 용량의 충전된 캐패시터는 임시 배터리로도 동작을 하며, 짧은 시간 동안 전류를 공급할 수 있습니다.

3. 캐패시턴스에 영향을 주는 요소

캐패시턴스에 영향을 주는 요소는 총 세가지 입니다.

전도성 극판의 면적, 전도성 극판 간의 거리, 절연체(유전체) 입니다.

첫번째는 당연히 전도성 극판의 면적이 클수록 전하를 축적할 수 있는 공간이 커지기 때문에 캐패시턴스는 증가합니다.

두번째는 전도성 극판의 거리 입니다. 극판 간의 거리가 짧아지면 극판 간의 반대되는 극성의 끌어 당기는 힘에 의해

전도성 극판 간의 전압이 감소하게 되어서 캐패시턴스가 감소합니다.

마지막으로 유전체의 유전율입니다. 캐패시터 내의 유전체는 원래의 전계와 반대되는 전계를 생성시키므로 캐패시턴스가 증가합니다.

이를 종합하면 캐패시턴스를 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있습니다.

앞의 상수는 공기의 유전율을 나타냅니다.

이번 글에서 캐패시터가 무엇인지, 그리고 전하가 축적되는 원리에 대하여 알아보았습니다.

다음 글에서는 좀 더 유익할 글로 찾아뵙겠습니다. 감사합니다.