기초전자실험 - with PSpice / part 01. 기초 및 직류 실험 / 전압과 전류 결과보고서

┃실험 02. 전압과 전류 결과보고서

 

 

2.1 실험 목표

· 직류전원 공급 장치를 사용할 수 있다.

· 브레드보드에 실험 회로를 구성할 수 있다.

· 멀티미터로 전압과 전류를 측정할 수 있다.

 

 

2.2 기초 이론

직류 전원 공급 장치와 브레드보드에 대해 살펴보고, 멀티미터를 이용해 전압 및 전류를 측정하는 방법을 알아보자.

 

 

2.2.1 직류전원 공급장치

직류전원 공급장치(DC Power supply)는 교류 전기로부터 직류 전기를 만들어 회로에 공급하는 장치이다. 여기에서 교류의 ‘AC’는 ‘Alternating Current’를 줄인 말이고, 직류의 ‘DC‘는 ’Direct Current‘를 줄인 말이다. [그림 2-1]은 교류와 직류의 파형으로, 교류는 시간에 따라 전류의 크기와 흐르는 방향이 바뀌고, 직류는 일정한 전류가 한쪽 방향으로만 흐르는 것이 특징이다.

교류와 직류

 

 

[그림 2-1]의 교류에서 같은 상태로 돌아올 때까지의 시간 간격을 주기(Period)라 하고, 0으로 부터의 변화 폭은 진폭(Amplitude)이라 한다. 직류는 시간에 따라 변하지 않으므로 0을 기준으로 크기만을 결정한다.

 

[그림 2-2]는 직류전원 공급장치이다. 장치 제조사에 따라 차이가 있지만, 일반적으로 정전압/정전류 출력단 및 2개의 가변 출력단을 가지고 있다.

직류전원 공급장치

 

 

2.2.2 멀티미터를 이용한 전압 및 전류 측정

전압

전압(Voltage)이란 두 점 사이의 전기적인 에너지의 차이로, 전위차(Potential Difference)라고도 한다. 전압의 단위는 [V](Volt)이고, 1[V]는 1[C]의 전하에 1[J]의 에너지가 주어질 때 생기는 전압의 크기이다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것처럼 전류는 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 즉 전압은 전류가 흐르는 데 필요한 에너지를 제공한다. 전압은 지표면의 전압(접지, 0[V])를 기준으로 크기를 표시한다.

 

전압 측정

전압을 측정하려면, 먼저 멀티미터를 전압 측정모드로 설정해야 한다. 설정이 끝나는 적색과 흑색프로브를 회로에 연결하여 전압을 측정한다. 직류일 경우에는 극성에 맞춰야 하며, 적색 프로브는 (+)쪽에, 흑색 프로브는 (-)쪽에 연결한다.

 

전류

전류 (Current)란 전하가 연속적으로 이동하는 것으로, 단위 시간에 도선의 단면을 지나간 전하의 양으로 정의된다. 전류의 단위는 [A](Ampere)이고, 1[A]는 1초 동안에 1[C]의 전하가 이동할 때의 전류 크기이다, 전류가 흐르려면 전기적인 에너지의 높낮이인 전압이 인가되어야 한다. 아무리 많은 전하가 모여 있어도 전압이 인가되지 않으면 전류는 흐르지 않는다.

 

전류 측정

전류를 측정하려면 멀티미터를 전류 측정모드로 설정해야 한다. 설정이 끝나면, 적색과 흑백 프로브를 회로에 연결하여 전류를 측정한다. 직류일 경우에는 극성에 맞추어 적색 프로브는 (+)쪽에, 흑색 프로브는 (-)쪽에 연결한다. 

 

 

 

2.3 실험

 [실습 장비]

실험 기기	직류전원 공급장치	1대
	멀티미터	1대
	브레드보드	1대
실험 부품	저항	200[Ω] , 330[Ω], 470[Ω], 1.2[Ω]	각 1개
	임의의 저항	브레드보드를 이용한 회로 구성 실습용	16개

 

 

2.3.2 멀티미터를 이용한 전압 및 전류 측정

1. [그림 2-16]의 실험 회로를 브레드보드에 구성하라. 회로에서 저항

R₁ = 200[Ω], R₂ = 330[Ω], R₃ = 470[Ω]이다.

그림 2-16 실험 회로

2. 직류 전원 공급장치로 V=5[V]를 인가하라.
3. 멀티미터로 V₍R₁₎, V₍R₂₎, V₍R₃₎를 측정하여 [표 2-1]에 기록하라.
4. 멀티미터로 전류 I를 측정하여 [표 2-1]에 기록하라.
5. 실험 회로의 저항을 R₁ = 200[Ω], R₂ = 330[Ω], R₃ = 1.2[kΩ] 으로 바꾸고, 멀티미터로 V₍R₁₎, V₍R₂₎, V₍R₃₎를 측정하여 [표 2-1]에 기록하라.
6. 멀티미터로 전류 I를 측정하여 [표 2-1]에 기록하라.

 

 

 [표 2-1 전압 및 전류 측정]

실험 과정	V₍R₁₎	V₍R₂₎	V₍R₃₎
3	0.99[V]	1.65[V]	2.34[V]
4	전류 : 5.0 [mA]
5	0.88[V]	1.18[V]	2.97[V]
6	전류 : 2.0 [mA]

 

 

 

2.4 결과 및 검토

1. [그림 2-16]의 실험 과정 3에서 측정한 Vᵣ₁, Vᵣ₂, Vᵣ₃ 의 대소 관계를 표시하라.

Vᵣ₁ > Vᵣ₂ > Vᵣ₃ 으로 대소 관계를 표시할 수 있다.

 

2. Vᵣ₁, Vᵣ₂, Vᵣ₃ 의 크기가 서로 다른 이유를 설명하라.

V=IR에서 전압은 전류와 저항에 비례한다. R₁ > R₂ > R₃이므로 전류가 동일하다면 Vᵣ₁ > Vᵣ₂ > Vᵣ₃ 의 관계가 성립한다. 이에 따라 전압의 대소 관계가 결정된다.

 

3. [그림 2-16]의 실험에서 측정한 전류의 대소 관계를 아래의 빈칸에 표시하라.

실험 과정 4에서 측정한 전류 I   >  실험 과정 6에서 측정한 전류 I

 

4. 실험 과정 4와 6에서 측정한 전류의 크기가 다른 이유를 설명하라.

각 실험에서 전류의 크기가 다른 이유는 실험 과정 4와 실험 과정 6에서 사용된 저항값의 크기가 더욱 컸기 때문이다. 두 번째의 실험 과정에서는 저항이 더 크기 때문에 처음 실험 과정보다 회로에 흐르는 전류가 작아지게 된다.

 

 

검토

실험에서는 브레드보드에 회로를 구성하고 직류전원 공급 장치와 멀티미터를 이용하여 각 구성 요소의 전압과 전류를 측정했다. 200[Ω], 330[Ω], 470[Ω], 1.2[kΩ]의 저항을 사용하여 2회 측정을 하였으며, 측정값을 [표 2-1]에 기록하였다.

 

우선 실험에서 측정한 전압의 대소 관계를 확인하였다. 식 V=IR을 이용하여 저항이 서로 다른 저항 R₁, R₂, R₃을 통해 전압이 분배되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 이 실험의 전압의 크기는 각 저항에 걸리는 저항의 크기에 의해 결정되었다는 점을 이해할 수 있었다.

 

두 번째로, 실험 과정 간의 전류의 대소 관계를 비교했다. 실험과정4와 실험과정6에서 측정한 전류의 크기가 다른 이유는 저항값의 차이에서 비롯된 것으로 나타났다. 실험과정6에서 저항값이 더욱 컸고 실험과정4의 전류가 5.0mA, 실험과정6의 전류가 2.5mA로 측정되었다. 저항은 회로에서의 전류 흐름을 제어한다. 따라서 서로 다른 저항값이 전류의 크기에 영향을 미치게 되었다고 볼 수 있다.