전기회로의 재료, 전기소자

다이오드

 다이오드는 한쪽으로는 전자를 통과시켜 전류를 흐르게 하지만 다른 방향으로는 전자를 방해하여 전류를 막는 역할을 합니다. 정확한 한 방향으로 전류를 흘려보내는 것을 정류작용이라고 합니다. 다이오드는 (+)전하를 띄는 p형 물질(p형 반도체)과 (-) 전하를 띄는 n형 물질(n형 반도체)을 접합하여 만들게 됩니다. p형 물질은 인듐, 갈륨과 같은 물질을 실리콘과 합성하여 정공을 많게 만든 물질입니다. 정공이란 쉽게 말해 전자가 있어야 할 자리에 전자가 빠져있어 상대적으로 (+) 전하를 띄게 만듭니다. 반대로 n형 물질은 비소나 안티몬 등의 물질과 결합하여 있어야 할 전자보다 더 많은 전자를 포함해 상대적으로 (-) 전하를 띄게 만든 것입니다. 이렇게 양공, 전자가 많게 만드는 기술을 도핑이라고 합니다. 이 두 물질을 접합한 것을 PN 접합이라고 합니다.

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 다이오드의 p형 물질에 (+)전압을, n형 물질에 (-)전압을 흘려보내는 것을 순방향 전압이라고 합니다. 순방향 전압을 다이오드에 걸게 되면 전자가 PN 접합된 중앙 부분에 모이게 되어 전자가 쉽게 이동합니다. 그렇게 전류가 흐르게 되는 것입니다. 반대로 p형 물질에 (-)전압을, n형 물질에 (+)전압을 흘려보내는 것을 역방향 전압이라고 합니다. 역방향 전압을 걸게 되면 순방향과는 반대로 전자들이 다이오드의 양 끝부분으로 이동하게 됩니다. 그럼 접합 면에서 전자의 이동이 쉽지 않게 되어 전류가 흐르지 않게 됩니다. 만약 다이오드 1개만 포함된 회로에서 교류전류를 흘리게 되면 순방향일 때만 전류가 흐르게 되어 (+) 파형만 나오게 되어서 전류가 반토막이 됩니다.

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 다이오드의 종류에는 일반적인 다이오드 이외에도 빛을 발산하는 발광다이오드, 터널다이오드, 정전압 다이오드 등 8~9종류의 다이오드가 있습니다. 발광다이오드는 흔히 LED라고 불리는 전기소자입니다. PN 접합 부분에서 에너지의 차이가 있기 때문에 이 차이에서 광자가 발산하여 빛을 내게 되는 것입니다.

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트랜지스터

 트랜지스터는 다이오드의 기능을 포함하면서 증폭, 스위치 등의 기능을 수행하는 전기소자입니다. 다이오드와 마찬가지로 p형 물질과 n형 물질을 접합시켜 만들지만 1개씩 접합하는 것이 아니라 p형 2개, n형 1개 / p형 1개, n형 2개씩 결합합니다. 이를 각각 PNP와 NPN으로 불립니다. 이 이름과 같이 1개 있는 물질이 중간에 끼이도록 접합시킵니다. 트랜지스터의 장점으로는 저전압, 소 전력으로 동작시킬 수도 있고, 크기가 매우 작음에도 수명이 길어 현대의 전자회로에는 거의 빠지지 않고 들어갑니다.

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 트랜지스터는 3개의 물질이 접합되어서 3개의 출입구가 있습니다. 각각 베이스(Base), 컬렉터(Collector), 이미터(Emitter)라고 부릅니다. 베이스는 트랜지스터를 가동하기 위한 약한 전류 신호를 보내는 자리로 일종의 스위치 버튼입니다. 약 0.6~0.7V의 전압을 가하면 스위치가 닫혀 트랜지스터의 전류가 흐르게 만듭니다. 컬렉터는 메인 전기신호가 들어오는 자리입니다. 베이스에 약한 전류가 흘러 스위치가 닫히면 컬렉터에 큰 전류가 흘러들어오게 됩니다. 이미터는 베이스와 컬렉터에 들어온 전류들을 합쳐서 내보내는 단자입니다. 앞서 설명한 것처럼 트랜지스터는 스위치 역할을 합니다.

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능동소자와 수동소자

 위의 다이오드와 트랜지스터는 전기부품의 능동소자에 해당합니다. 능동소자란 전기를 가한 것으로 입력과 출력에 일정한 관계를 가지는 소자들입니다. 전원으로부터 전기신호를 만드는 등의 에너지를 변환시키는 소자를 일컫습니다. 그렇기 때문에 1개의 전기신호가 더 필요하게 되는 경우도 있습니다. 트랜지스터는 스위칭 작용뿐만 아니라 증폭작용도 하기 때문에 능동소자입니다. 다이오드는 모든 종류의 다이오드가 능동소자는 아닙니다. 하지만 발광다이오드나 터널다이오드와 같이 특정 상황에서 에너지를 증폭시키거나 스위치 작용을 하는 다이오드가 능동소자에 포함됩니다.

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 수동소자는 능동소자와 반대로 단지 소비, 축적, 혹은 그대로 통과시키는 작용을 하고, 수동적으로만 작동합니다. 수동소자는 다른 전기신호가 필요 없어 단독적으로 동작이 가능하며, 만들어진 후에는 입력 조건에 의한 소자의 특성 변화가 불가능합니다. 여기에는 저항, 인덕터(코일), 콘덴서(캐퍼시터)가 있습니다.

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저항

 도체에서 전류의 흐름을 방해하는 정도로 단위는 옴[Ω]입니다. 반대로 전기가 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 전기전도도는 저항의 역수이며, σ로 나타냅니다. 전기를 잘 전달할수록 비저항이 낮다고 하고, 반대로 저항이 높을수록 비저항도 높다고 합니다. 전기저항은 물질에 따라서로 다르며, 단면과 길이와도 관계가 있습니다. 물질의 저항 R은 비저항(ρ)이 클수록, 길이(L)가 길수록, 단면적(A)이 작을수록 커지게 됩니다. 이에 관계식은

R = ρ L/A

가 됩니다. 전기 회로에서의 저항값은 전압에 비례하고, 전류에 반비례하므로

R = V/I

가 됩니다.

 

 저항은 온도와도 관계가 있습니다. 온도에 따른 비저항의 변화 비율을 저항온도계수라고 표현하며 일반적으로 α로 나타냅니다. 온도변화를 Δ t라고 하면 상온에서의 비저항 R에 대한 변화된 비저항 R`는 다음과 같은 수식을 따릅니다.

R` = R + α x Δ t

저항온도계수는 1℃를 100만개로 나눈 ppm/℃로 나타냅니다.

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코일

 코일은 전선을 감은 꼴의 수동소자입니다. 전선을 원통 형태로 감아서 내부가 비어있거나 그 원통을 원처럼 말려있는 코일도 있습니다. 코일은 전류를 흘려보내서 전자기유도로 자기장을 형성해내는 소자입니다. 그렇기에 인덕턴스(전류의 변화로 기전력이 유도되는 성질)를 가집니다. 코일의 종류에는 공심코일, 코어 코일, 링 코일이 있습니다.

 

 

전기의 기본, 옴의 법칙

 

 

둘이서 함께, 전기장과 자기장