Ⅲ. 전자 기계 기술

1차시 01. 전기·전자의 이해 (p104)

1-1. 우리 생활과 전기·전자

【생각열기】

전기는 생활속에서 편리하게 이용되는 에너지임.

발전소에서 만들어진 전기는 전기·전자 기기의 종류에 따라

빛, 열, 동력, 전자파 등 다양한 형태로 이용됨

1. 전기·전자의 뜻

1) 전기의 개념 :

전기는 자유 전자가 이동하면서 발생되는 에너지

전기는 원자 핵 주변을 일정한 궤도로 도는 작은 입자인 전자가

원자 핵 궤도에서 이탈하여 자유롭게 된 자유 전자의 움직임에

의해 발생되는 에너지의 한 형태임.

<자유 전자>

(2) 전자의 개념

① 전자 : 물질을 이루는 원자 내에서 원자 핵 주변을 일정한

궤도로 도는 매우 작은 입자를 말함.

② 자유 전자 : 원자 핵 바깥쪽 궤도에 있는 전자는 비교적 결합력이 약함.

바깥 쪽에 있는 전자가 외부로부터 열, 빛, 마찰 등의 에너지를 받으면

돌고 있던 궤도에서 이탈하여 자유롭게 되는데, 이 전자를 자유 전자라 함

③ 자유 전자는 전기·전자 기기 안의 전기 회로 속을 이동하면서

각종 전기·전자 부품을 작동시켜 일을 하게 함

(3) 전기의 특성

① 빛, 열, 동력, 전파 등 다양한 형태로 바꿀 수 있다.

② 다른 에너지에 비해 사용하기 편리하고 안전하다.

③ 수송이 편리하고 빠르게 전달 가능하다.

④ 풍력, 수력, 화력 원자력, 태양광 등 다양한 에너지 자원에서

얻을 수 있다.

⑤ 친환경 에너지로 사용할 때 공해가 발생하지 않는다.

2. 전기의 생산과 전달 ▶ PPT 27쪽 참고

<전기의 생산과 전달>

전기의 생산^⇒송전 선로^⇒1차 변전소^⇒송전 선로^⇒배전 변전소

^⇒주상 변압기^⇒가정(수용가)

^⇒ 공장 / 철도

(발전소) ☞ (송전) ☞ (배전)

<전기의 생산과 전달>

(1) 발전소 : 생활에서 사용하는 대부분의 전기를 생산하는 곳.

발전소에서 다양한 형태의 에너지를 이용하여 터빈을 회전시키는데,

터빈의 회전력은 발전기에서 전자기 유도 현상에 의해서 전기로 바뀌게 됨.

☞ 전자 유도 현상 : 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때

전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상이다.

<발전소에서 만들어진 교류 전기>

① 수력 발전소의 발전 원리

② 화력과 원자력 발전소의 발전 원리

(2) 변전소 : 발전소에서 생산한 전기를 송·배전하는 과정에서

전압의 크기를 적절하게 바꾸어 주는 시설

① 1차 변전소 : 송전 선로에 있는 첫 번째 변전소로 송전 상황에

알맞는 전압으로 낮추어 배전 변전소로 보낸다.

② 상황에 따라 배전 변전소 사이에 2차, 3차 변전소를 설치하기도 함

③ 배전 변전소 : 송전 선로의 마지막에 있는 변전소로, 전압을

22.9 [㎸] 또는 3.3 [㎸]∼ 6.6 [㎸]로 낮추어 주상 변압기나

대규모 공장, 전기 철도 등으로 나누어 보낸다.

(3) 송전선로 : 고압의 전류를 견딜 수 있는 송전선을 통해

발전소와 변전소 간에 전기를 전달

(4) 주상 변압기 : 배전 변전소에서 공급받은 전기를 일반 주택이나

빌딩 등에서 사용하는 전압인 220[V] 또는 380[V]로 낮추어

각 장소로 보낸다.

< 우리가 살고 있는 주택의 배선 >

< 태양광 발전으로 우리가 살고 있는 주택 >

(5) 전기를 높은 전압으로 송전하는 이유는 전기가 이동하는 중에

손실이 발생하기 때문에 높은 전압으로 전송하면 손실이 줄어 듦

3. 전기의 이용 (p110)

각 가정에 공급된 전기는 전기 부품과 전자 부품으로 만들어진

전기·전자 기기에 의해 빛, 열, 동력, 전자파 에너지 등 다양한

형태로 바뀌어 이용된다.

1) 빛을 이용하는 전기·전자 기기

전기 에너지를 빛으로 바꾸는 기기를 조명 기구라고 한다.

조명 기구는 형광등, 백열전구, 수은등, 네온등 등이 있으며,

최근에는 발광 다이오드 (LED) 조명의 사용이 점점 증가하고 있다.

(1) 형광등

형광등은 가정, 학교, 사무실 등에서 가장 널리 사용되고 있는

조명 기구. 수명이 7,000시간 이상으로 백열전구보다 매우 길다.

형광등은 형광 방전관, 안정기, 점등관, 콘덴서로 구성되어 있다.

전기가 흐르면 방전관 안에서 자외선이 발생하여 형광 물질을

자극해서 빛을 냄.

형광등이 빛을 내는 이유는 형광 방전관의 내부에 형광 물질이

칠해져 있기 때문.

(2) 백열등

백열전구는 오래전부터 사용한 조명 기구로 필라멘트를 가열(2000℃ 이상)

하여 빛과 열을 내기 때문에 형광등보다 전력 소비가 크고, 빛의 양은 적다.

최근에는 백열전구 사용이 점차 줄어들고 있다. 수명이 1,000시간 정도이며,

전구의 수명을 늘리기 위하여 필라멘트(저항선, 텅스텐)를 2중 코일로 사용.

(3) LED(Light Emitted Diode)등

LED는 발광 다이오드로 전압이 흐르면 LED가 빛으로 전환하는

화합물 반도체(p-n접합 구조를 이용)를 말한다.

☞ 발광 다이오드는 순방향의 전류를 통하면 p-n 접합면에서 발광하는 다이오드

장점 ☞ LED는 기존 백열전구에 비하여 소비전력 적다(1/10 정도).

극소형이며, 빠른 반응 속도(기존 1000배 정도). 자외선과 같은 유해파의

방출이 없고, 수명이 길고 수은과 같은 중금속을 사용하지 않아 친환경적인 광원임.

발광색은 사용하는 재료에 따라 빨강, 파랑, 초록, 주황 등으로 나누어짐.

발광 다이오드는 조명뿐만 아니라 휴대 전화, 자동차 부품, 텔레비전 등

우리 생활의 여러 분야에 사용되고 있다.

<발광 다이오드 조명>

(4) 수은등과 네온등

수은등은 진공 유리관 속에 수은 증기를 넣어 만든 것으로,

자외선이 들어 있어서 의료나 위생용 등으로 사용됨.

용량이 큰 것은 매우 밝아서 주로 공장 조명이나 운동 경기장 조명으로 이용.

네온등은 대기 중에 존재하는 가스 상태의 네온을 사용한 전구로,

방전관에 넣으면 아름다운 색을 낸다.

자동차가 다니는 터널이나 항구, 공원의 조명으로 이용.

<수은등> <네온등>

<경기장의 수은등과 터널의 네온등 조명>

2) 열을 이용하는 전기·전자 기기

열을 이용한 가전 기기를 전열 기구라고 한다.

전열 기구에는 전기밥솥, 전기다리미, 전기난로, 전기레인지 등이 있다.

전열 기구는 사용이 편리하지만, 전기 소비량이 많은 것이 단점.

(1) 전기다리미

전기다리미는 전기 에너지를 열로 변환시켜 옷감을 다리는 가전 기기임.

전기다리미의 안쪽 바닥에는 발열체가 있고, 바이메탈을 이용한

자동 온도 조절기는 다리미의 온도를 자동으로 조절하며, 온도 조절 레버는

원하는 옷감 온도에 맞추어 다림질을 할 때에 사용한다.

최근에는 기능이 더하여진 스팀다리미도 개발되어 사용되고 있다.

☞ 바이메탈 : 열팽창률이 서로 다른 두 종류의 금속을 접합한 것으로,

온도의 차이에 의해 휘어짐.

☞ 작동원리 : 전기스위치 켜면 ⇒ 전기공급 ⇒ 니크롬선 가열 ⇒

밑판 온도 상승 ⇒ 바이메탈 작동 ⇒ 전기 공급 차단 ⇒ 자동 온도 조절

(2) 전기밥솥

전기밥솥은 전기 에너지를 열로 변환시켜 밥을 짓는 가전 기기임.

전기밥솥은 내부 솥, 열판, 자동 온도 조절기, 스위치 등으로 구성되어

있으며, 바닥의 열판에 전기를 가하여 열을 발생시킨다.

최근에는 전기밥솥에 열을 가하기 위하여 전자 유도 가열 방식

(IH 방식:Induction Heating)을 사용의 새로운 전기밥솥도 사용되고 있음.

(3) 전기 난로

전기난로는 추운 겨울에 난방용으로 사용하는 가전 기기임.

① 전기난로의 발열체는 니크롬선을 사용하며, 반사판은 열의 반사를

돕는 데 사용한다.

② 시즈히터

금속관 속에 니크롬선을 코일 형태로 넣고, 절연 충전물을 넣은 것.

③ 발열체인 니크롬선을 코일 모양으로 만드는 이유

니크롬선이 길고 가늘수록 저항이 커지고, 저항이 커지면 열이 많이

발생하기 때문임.

(4) 전기레인지

전기레인지는 열선을 이용하여 상판을 가열하므로 평편한 것이

특징이며, 청소하기가 쉽다.

어떤 물질을 태워 불을 일으키는 것이 아니라 전기 저항으로

☞ 장점 : 열선 온도를 높이는 방식으로 열전도율이 빠르고, 열효율이

높아 친환경 녹색 생활을 이끌어 갈 수 있는 가전 기기임

유해 가스가 발생하거나, 가스가 누출하여 폭발을 하거나,

실내에 그을음이 생길 염려 없이 안전하게 사용할 수 있음.

(5) 토스터와 헤어드라이기

3) 동력을 이용하는 전기·전자 기기

전기 에너지를 동력 에너지로 변환시켜 사용하는 가전 기기에는

세탁기, 냉장고, 선풍기등이 있음.

(1) 전기세탁기

세탁기는 아랫부분의 전동기가 동작하면서 세탁 날개를 회전시켜

물의 마찰로 세탁을 하는 가전 기기임.

<세탁기의 구조>

(2) 냉장고

냉장고는 보통 냉장실과 냉동실로 구분되며, 일정한 온도가

자동으로 유지된다. 냉장고는 압축 ⇒ 응축 ⇒ 팽창 ⇒ 증발의

4단계를 거쳐 냉장고 내부의 온도를 낮춘다.

구성 요소 : 전동기, 압축기, 응축기, 증발기, 자동 온도 조절기 등이다.

<냉장고의 구조 및 작동 원리>

(3) 선풍기

선풍기는 전동기의 축에 연결된 날개가 회전하면서 시원한

바람을 만드는 가전 기기이다.

4) 전자파를 이용하는 전기·전자 기기

전기 에너지를 전자파로 이용한 가전 기기는 전자레인지이다.

< 전자기파의 발생 원리 >

(1) 전자레인지

전자레인지는 짧은 시간에 음식을 데울 수 있기 때문에 일상생활에서

많이 이용된다.

① 전자레인지의 원리 : 마그네트론에서 방출되는 극초단파(2,450[MHz])의

전자파가 음식 속의 물 분자를 진동시켜 내부에서 마찰열이 발생하도록

하여 음식을 가열한다.

< 전자레인지의 작동 원리 >

② 사용 가능 용기

유리나 도자기, 내열성 플라스틱과 같이 전자파를 쉽게

통과시키는 그릇을 사용해야 한다.

③ 사용 불가능 용기 : 금속 그릇이나 은박지는 전자파를 반사하므로

사용해서는 안 된다.

(2) 라디오

라디오는 방송국에서 보내온 전파를 수신하여 음성으로 재생하는

가전 기기로, 방송국에서 보내온 전파를 수신 안테나로 받아들여 음성 신호와

고주파를 분리하고, 음성 신호를 본래의 음파로 재생하는 역할을 함.

< 라디오파 수신 과정 >

4. 전기 회로의 기본의 생산과 전달 ▶ P112

일상 생활에서 사용하는 모든 전기·전자 기기는 전기 회로로 구성되어

있으며, 일정한 양의 전기를 소비하여 필요한 일을 함.

1) 전기회로의 구성

(1) 전기회로 : 전기가 흐를 수 있도록 구성된 통로

<전기 회로 : 전류가 흐르는 통로>

☞ 전류는 (+)극에서 (-)극으로 흐르고, 전자는 (-)극에서 (+)극으로 흐른다.

전기회로에서 전구에 불이 켜진 것은 전자의 이동 때문이다.

(2) 전기 회로 구성 요소 - 전원, 도선, 부하, 스위치

전기를 공급하는 전원, 전기가 흐르는 도선, 전기가 지나가면서

일을 하는 부하로 구성

▶ 전원(electric source) : 건전지와 같이 전기를 공급해 주는 것으로

교류[AC] 전원과 직류[DC] 전원이 있음.

① 직류(Direct Current [DC]) : 시간이 경과 하여도 크기와 방향이

변하지 않는 전기

예) 직류전원 : 건전지, 축전지, 수은 전지, 태양 전지

② 교류( Alternating Current [AC]) : 시간이 경과함에 따라 크기와 방향이

주기적으로 변하는 전기

예) 교류 전원 : 발전소의 발전기, 자전거의 발전기

③ 가정용 상용 전원 : 전압은 220[V], 주파수는 60[㎐]인 교류 전원

▶ 부하(Load) : 전원으로부터 전기를 공급 받아 여러 가지 일을 하는 기계나

전기 기기 장치

예) 전등, 전열 기기, 가전 기기, TV 등 전자제품

▶ 도선 : 전원과 부하를 연결하여 전기가 흐를 수 있게 하는 전선

① 전류 : 전기의 흐름을 전류라 함. 단위 [A] '암페어', 기호 I 임

② 전압 : 전기가 흐르도록 전원에서 나오는 전기적인 압력을 전압이라 함

단위 [V] '볼트'로 표시, 기호 V 임

③ 저항 : 전기의 흐름을 방해하는 요소를 저항이라 함

단위 [Ω] 'ohm 옴', 기호 R 임.

2) 옴(Ohm)의 법칙

전기 회로에 흐르는 전류[A]의 양은 전압[V]의 크기에 비례하고,

저항[Ω]의 크기에 반비례 하는 것임.

3) 전력과 전력량

(1) 전력

① 전력은 전기가 단위 시간 동안 하는 일의 양

② 전기·전자 기기의 소비 전력을 나타낼 때 사용

③ 단위로는 와트(Watt)를 사용하며, [W]로 표시한다. 기호로 P를 사용함.

④ 전력 P는 전압과 전류의 곱으로 구해짐

(2) 전력량

① 전력량은 전기가 일정 시간 동안 하는 일의 양

② 전기·전자 기기의 소비 전력량을 나타낼 때 사용

③ 단위로는 와트시(Watt Hour)를 사용하며, [Wh]로 표시한다.

기호로 W를 사용함.

④ 전력량 W는 전력(P)과 시간(t)의 곱으로 구해짐

⑤ 일상 생활에서 소비 전력량을 나타내기에 와트시는

매우 작은 단위이므로 일반적으로 킬로와트시 [kWh]를 사용한다.

<전기·전자 기기의 소비 전력 표시와 전력량계의 소비 전력량 표시>

(3) 전력과 전력량

(4) 전력량계와 전력량계의 원리

☞ 전력량계 : 일정 기간 동안 사용한 전력의 총량을 측정·기록하는 계기.

1-2. 전기·전자 부품의 이해

전기·전자 기기는 다양한 부품으로 구성되어 있음.

기본적인 부품으로 저항기, 다이오드, 트랜지스터, 콘덴서, 변압기 등이 있음

< 회로 기판에 연결된 전자 부품 >

1. 저항기

1) 저항기의 역할과 원리

저항이 있는 물질을 넣어 만든 전자 부품으로, 회로 내에서 전류

또는 전압의 크기를 조절하는 역할을 함

< 저항기의 원리와 이용 >

2) 저항기의 종류

저항값이 일정한 고정 저항기와 일정한 범위 내에서 저항값을

조절할 수 있는 가변 저항기가 있음. 단위는 옴[Ω]을 사용한다.

☞ 1[Ω] 이란 : 도체의 양단에 1[V]의 전압을 가할 때 1[A]의 전류가

흐르는 경우의 저항 값

(1) 고정 저항기

① 회로 내의 전류 또는 전압의 흐름을 조절하는 데 사용됨

② 고정 저항기의 기호와 종류

③ 저항값이 일정한 저항기로 색띠 저항기로 저항 값을 나타냄.

④ 색띠 저항기의 저항값 읽기(흑갈-무지개 색-회백)

⑤ 예제 : 색 띠 저항기 저항값 읽기

예제 1)

예제 2)

예제 3)

예제 4)

(2) 가변 저항기

① 텔레비전, 라디오 등의 음량이나 조명의 밝기 조절 등에 사용됨

② 가변 저항기의 기호와 종류

③ 일정한 범위 내에서 저항값을 변화 시킬 수 있음

회전축을 돌리면 저항값이 증가 또는 감소함

3) 전지의 접속

(1) 전지의 접속

① 직렬 연결 : 전지의 (+)극과 (-)극을 차례로 연결하는 방법

전체 전압 = 각 전지의 전압을 더한 값

② 병렬 연결 : 전지의 (+)극과 (+)극, (-)극과 (-극)끼리 연결하는 방법

전체 전압 = 전지 한 개의 전압

4) 저항의 접속

(1) 저항의 직렬 연결 :

① 전체 저항 R[Ω]은 각 저항을 합한것.

따라서 직렬 연결된 저항이 많으면 전체 저항의 값은 커진다.

② 합성 저항 : 여러 개의 저항을 하나의 저항으로 환산한 값

합성저항 R = R1 + R2

③ 각 저항에 흐르는 전류의 세기는 같다. I = I₁ = I₂

④ 각 저항에 걸리는 전압의 크기는 저항의 크기에 따라 달라짐.

전체 전압은 각 전압을 합한 것이다. V = V₁ + V₂ = I₁ · R₁ + I₂· R₂

예 1) 저항이 2개 직렬일때

R1 = 3 [Ω,옴], R2 = 6 [Ω,옴], 전류가 2 [A] 일 경우

합성저항 R 의 값과 전압 값은 ?

합성저항 R = R1 + R2 = 3 Ω + 6 Ω = 9 Ω

전압 V = I * R1 + I * R2 = 2 * 3 + 2 * 6 = 18 [v]

예 2) 저항이 4개 직렬일때

4개의 저항이 직렬 접속된 전기회로도이다.

각 저항 R1, R2, R3, R4에 흐르는 전류의 크기는?

합성저항 : R = R1 + R2 + R3 + R4 = 5 Ω + 15 Ω + 10 Ω + 20 Ω = 50 Ω

전류 I = V / R = 50 / 50 = 1 [A] 임. 전류 I = I₁ = I₂= I₃ = I₄

(2) 저항의 병렬 연결

① 전체 저항 R[Ω]의 역수는 각 저항의 역수의 합과 같다.

따라서 병렬 연결된 저항이 많으면 전체 저항의 값은 작아진다.

② 합성 저항 : 여러 개의 저항을 하나의 저항으로 환산한 값

③ 각 저항에 흐르는 전압의 크기는 같다. V = V₁= V₂

④ 각 저항에 걸리는 전류의 크기는 저항에 반비례하며,

전체 전류는 각 전류을 합한 것이다. I = I₁+ I₂

(3) 저항이 여러개 일 경우 합성 저항 구하는 방법

저항 = R1, R2, R3, R4,...Rn 이라면

(4) 합성 저항과 전류의 값 구하기

예 1) 저항이 2개 병렬일때

R1 = 3[Ω,옴], R2 = 6[Ω,옴] 이라면

합성저항 R 값은?

예 2) 저항이 2개 병렬일때

예 3) 저항이 3개 병렬일때

R1 = 4[Ω,옴], R2 = 5[Ω,옴], R3 = 10[Ω,옴] 이라면

합성저항

예 4) 저항이 병렬과 직렬로 연결되었을 때

전압이 14 [v] 일 경우 합성 저항 R과 전류 [I]는 얼마인가?

합성저항

전류 : V / R = 14 / 7 = 2 [A]

2. 콘덴서

두 개의 전극 판 사이에 전기를 담아 둘 수 있는 물질을 넣어

만든 것으로 전극 판 사이에 전기를 축적하였다 방전하는 작용을 함.

< 전자 제품에 사용되는 콘덴서 >

(1) 콘덴서의 원리

직류 전원을 공급하면 전극 판에 (＋), (－) 전하가 모이고,

전원을 제거하더라도 (＋), (－) 전하를 저장하게 됨.

(2) 콘덴서의 역할

① 전기 회로에서 전압을 일정하게 유지하는 일

② 전기 신호에 섞인 잡음을 제거하는 일

③ 특정한 주파수를 골라 내는 일 등에 사용됨

④ 직류는 차단하고 교류만 통과시키는 일

(3) 콘덴서의 용량

① 축적되는 전기의 양으로 결정됨. 이를 정전 용량이라 함

정전 용량은 콘덴서가 전기를 저장할 수 있는 용량을 말함

② 정전 용량의 단위 : 패럿(Farad), [ F ]

마이크로패럿[ ㎌ ] 이나 나노패럿[ ㎋ ], 피코패럿[ ㎊ ]을 사용

③ 전극판의 면적이 클수록 또는 전극판 사이의 간격이 좁을수록

정전 용량은 커진다.

(4) 콘덴서의 종류

콘덴서의 종류는 고정 콘덴서와 가변 콘덴서로 구분됨

① 고정 콘덴서

정전 용량을 변화시킬 수 없는 고정 콘덴서로 전기 용량이 정해져 있음

☞ 종류 : 세라믹 콘덴서, 마일러 콘덴서, 전해 콘덴서 등이 있음

전해 콘덴서는 극성이 있으므로, 연결 시 주의를 요함

② 가변 콘덴서

전기 용량을 변화시킬 수 있는 콘덴서를 가변 콘덴서로

바리콘이라함. 주로 라디오 주파수 조정에 사용됨

☞ 더 알고 가기

3. 다이오드

다이오드는 (+) 극성을 가진 p형 반도체(애노드)와 (-) 극성을 가진 n형

반도체(캐소드)를 접합하여 만든 것으로, 전류를 한 방향으로만 흐르게

하는 정류 작용을 함

< 다이오드의 구조 >

☞ p형 반도체 쪽 단자는 A(anode:양극 +)

- 전자가 부족해 (+)극성을 가지는 반도체

- 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) + 불순물 3가 원소(붕소(B), 인듐(ln), 갈륨(Ga))

☞ n형 반도체 쪽 단자는 K(cathode:음극 -)

- 전자가 남아서 (-)극성을 가지는 반도체

- 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) + 불순물 5가 원소(인(P), 비소(As), 안티몬(Sb))

1) 다이오드의 작동 원리

① 순방향 : n형 반도체의 자유 전자는 건전지의 (－)극에서 나온 전자에

밀려 p형 반도체의 양공으로 이동한다. 이러한 원리로 전류가 흐른다.

② 역방향 : p형 반도체의 양공은 (－)극으로 끌려가고, n형 반도체의

자유 전자는 (＋)극으로 끌려가서 p형 반도체와 n형 반도체의 간격이 커짐.

이때 자유 전자의 이동이 없어 전류가 흐르지 않는다.

2) 다이오드의 역할

① 정류 작용 : 교류를 직류로 변환 하거나, 전기회로에서

전류의 흐름을 조절하는 일 등을 함

② 검파 작용 : 라디오 방송의 전파 내에서 저주파(음성 신호)를 분리하는

검파 작용한다.

③ 전기 에너지를 빛으로 방출하는 소자로 발광 다이오드가 있음.

3) 다이오드의 종류와 이용 분야

(1) 정류용 다이오드 작용 : 교류를 직류로 바꾸어 줌

< 교류를 직류로 바꾸어 주는 전자 제품(어뎁터)에 사용되는 다이오드 >

(2) 발광용 다이오드작용

순방향의 전압을 가하면 빛이 나는 다이오드. 전력 소비 및 발열이

적으며 수명이 길다. 차세대 조명 및 디스플레이 등의 재료로 사용

① 발광 다이오드의 원리

② 발광 다이오드의 이용 분야

☞ 더 알고 가기 :

반도체 : 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)의 단결정은 원자 주위의

전자가 주변의 다른 원자와 공유 결합을 하여 안정한 상태가 되는데,

이러한 상태를 진성 반도체라고 한다.

반도체는 전기가 흐르는 도체(구리, 알루미늄 등)와 전기가 흐르지 않는

부도체(고무, 도자기 등)의 중간 성질을 가지는 물질임.

여기에 ① 빛을 비추거나 ② 열을 가하거나 ③ 첨가하는 불순물의 종류에

따라 (-) 극성을 가진 전자가 남거나 부족하여 극성을 띠는 현상이 발생함.

(1) n형 반도체

① 실리콘(Si) + 불순물(전자가 5개인 5가 원소)을 첨가

불순물 : 전자가 5개인 5가 원소, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등을 첨가

② 실리콘(4가 원소)에 5가 원소를 넣으면 전자가 남아서(과잉전자)

(-) 극성을 가지는 반도체가 되며, 여기에 전압을 걸면 이 여분의 전자들이

움직여 전류가 흐르게 된다.

(2) p형 반도체

① 실리콘(Si) + 불순물(전자가 3개인 3가 원소, 붕소(B), 인듐(In),

갈륨(Ga) 등) 첨가

② 실리콘(4가 원소)에 3가 원소를 넣으면 전자가 1개 부족해 전자가

들어갈 자리에 구멍(정공)이 생긴다.

전자가 부족하여 생기는 정공에 의해 (+) 극성을 가지는 반도체가 됨.

여기에 전압을 걸면 인접한 전자가 정공을 채우면서 전류가 흐르게 된다.

4. 트랜지스터

트랜지스터는 p형 반도체와 n형 반도체를 교대로 접합하여 만든 것임.

전류의 흐름을 조절하여 증폭 작용과 스위치 작용을 함.

가볍고 소비 전력이 적어 대부분의 전자 회로에 사용됨.

1) 트랜지스터의 기호와 종류

반도체의 접합 순서에 따라 pnp형과 npn형 트랜지스터가 있음.

- 대부분 npn형 트랜지스터를 많이 사용함. 이유는 처리 속도가 빠름

2) 트랜지스터의 작동 원리

각 다리의 명칭을 이미터(E), 베이스(B), 컬렉터(C)라고 함

베이스(B) 단자에 전류를 흘러 보내주게 되었을 때

① pnp형의 경우 이미터(E)에서 컬렉터(C) 방향으로 전류가 흐르게 됨.

(-)인 역상 신호에 반응하여 신호를 증폭 시킴

② npn형의 경우 반대로 컬렉터(C)에서 이미터(E) 방향으로 전류가 흐르게 됨.

이때 입력 값에 비해 출력값이 커지게 되는데 이를 증폭이라고 한다.

= (+)인 정상 신호에 반응하여 신호를 증폭 시킴.

만일 베이스(B)에 전류가 흐르지 않으면 트랜지스터는 동작을 하지 않는

기능을 이용해서 스위치 역할도 할 수 있다.

3) 트랜지스터의 증폭 작용과 이용

(1) 마이크로 폰

마이크로폰에 대고 소리를 내면 마이크로폰은 이 소리를 전기 신호로

바꾸어 주는데, 이 전기 신호는 강도가 매우 약함.

이런 작은 신호를 트랜지스터의 베이스에 입력하면, 신호가 증폭되어

컬렉터로 출력된다.이것을 몇 번 반복하면 점점 신호가 증폭되어 스피커를

울릴 만큼 강한 신호가 된다.

- 용도 : 방송용, 전화 송화기, 녹음기, 확성기 등

(2) 스피커

전기 신호를 음성 신호로 바꾸어 주는 전자부품

5. 코일

코일은 원통형이나 나선형으로 감은 도선으로, 자기장을 발생시키거나

전파를 수신하는 일을 한다.

코일은 전동기, 변압기 등의 전기·전자 부품이나 안테나를 만드는 데 사용됨.

1) 전동기 = 모터

두 개의 자석 사이에 코일을 감은 회전축을 넣어 만든 것.

전기를 이용하여 회전 운동을 하는 부품으로 전기에너지를 운동에너지로

바꾸는 역할을 함.

(1) 회전 원리 :

자기력선 안에 놓인 도체에 전류가 흐르면, 도체에 전자기력이 발생함.

이때 자기력선과 전류 및 힘의 방향 사이의 관계를 알기 쉽게 나타낸 것이

플레밍의 왼손 법칙이다.

< 전동기의 회전 원리 >

(2) 이용 분야

동력을 이용하는 전기·전자 기기에서 동력을 발생시키는데 사용함.

용도 : 세탁기, 선풍기, 믹서 등

(3) 모터에 직류 전원을 반대로 공급하면?

모터는 극성이 따로 없다. 극성을 바꿔서 공급하게 되면 전류의 흐르는

방향이 바뀌게 되므로 모터의 회전 방향이 바뀌게 됨.

2) 변압기

철심 양쪽에 코일을 감는 횟수를 다르게 하여 만든 것으로

전압의 크기를 바꾸는 일을 함.

(1) 변압기의 원리

① 1차 코일에 전류가 흐르면 코일을 감은 수의 비율 만큼 전압의

크기가 바뀌어 2차 코일에 흐른다.

② 승압 변압기와 강압 변압기의 입력, 출력 전압의 비는

입력, 출력 코일의 감긴 횟수의 비와 같다.

6. 황화카드뮴 셀(Cadmium Sulfide Cell, CdS)

황화카드뮴 셀(CdS)은 황화카드뮴을 주성분으로 하는 광전도 소자임.

주변의 밝기에 따라 전기 전도도가 변하는 저항기 종류의 전기·전자 부품임.

① 작동원리 : 주변이 밝으면 내부 저항이 감소하여 전기가 잘 흐르고,

주변이 어두워지면 내부 저항이 증가하여 전기가 잘 흐르지 않는

특성이 있는 저항기 일종임.

< 황화 카드뮴 셀의 원리 >

② 용도: 황화 카드뮴 셀은 주위가 어두워지면 자동으로 불이

들어오는 가로등이나 야간 조명등에 빛을 감지하는 센서로 사용된다.

7. 집적회로(IC = Integrated Circuit)

(1) 집적회로의 구조

집적 회로(IC)는 작은 기판에 저항, 콘덴서, 다이오드, 트랜지스터 등

여러 가지 전자 부품을 조합하여 복잡한 전기회로를 한 개의 작은 칩

안에 구성하여 특정 기능을 수행할 수 있도록 만든 부품.

(2) 집적회로의 특성

집적회로는 작은 크기, 적은 전력 소모, 뛰어난 성능으로 대부분의

전자 기기에서 중요한 부품으로 사용됨.

(3) 집적회로의 발달 과정

진공관 ⇒ 트랜지스터 ⇒ 고밀도 집적회로(LSI) ⇒

초고밀도 집적회로(VLSI) ⇒ 극초고밀도 집적회로(ULSI)순으로 발달됨

1-3. 가전 기기의 이용과 점검

가전 기기는 종류가 다양하고, 기능도 복잡해지고 있음.

가전기기를 합리적으로 선택하고, 바르고 안전하게 관리, 사용하며

유사시 간단한 점검을 할 수 있는 능력이 필요함.

1. 가전기기의 선택

가전기기는 세탁기, 냉장고, 텔레비전 등 가정에서 사용하는

전기·전자기기를 말함.

1) 가전 기기 선택시 고려사항

① 적절한 용량의 제품

가전기기는 크기나 용량별로 가격 및 소비 전력에 차이가 있으므로

사용 인원 수를 고려하여 적절한 용량의 제품을 선택한다.

② 에너지 소비 효율 등급이 높은 제품

에너지 소비 효율 등급이 높은 제품일수록 전력 소비가 작다.

③ 품질 보증 표시가 있는 제품

해당 기관에서 안전하게 사용할 수 있는 제품이란 것을 인증하는

제품을 구입한다.

2. 가전 기기의 사용과 관리

가전기기의 전기회로는 매우 작고, 정교한 부품들로 구성되어 있어

외부의 충격이나 먼지, 습기, 열 등에는 매우 민감함.

잘못 사용시 효율이 떨어지거나 수명이 단축 될 수 있음.

1) 가전 기기의 일반적인 사용과 관리 방법

① 사용 설명서를 숙지하여 올바른 사용법을 익힌다.

② 장시간 직사광선을 받지 않도록 배치하여 사용한다.

③ 방열구나 통풍구에 먼지나 습기가 들어가지 않도록 한다.

④ 무거운 물건을 올려 놓지 않는다.

⑤ 무리한 조작을 하거나 충격을 주지 않는다.

⑥ 장시간 사용할 때에는 과열되지 않도록 한다.

3. 가전 기기의 안전한 이용

1) 화재 예방하기

전선이나 콘센트 등의 기구에는 전류가 흐를 수 있는 양이

정해져 있는데 이를 허용 전류라 한다.

① 허용 전류 이상의 많은 양의 전류가 흐르면 열이 발생하여

화재의 위험이 있음 - 과열

② 가전 기기의 접속 부분이 느슨하면 열이 발생할 수 있으므로

수리한 다음에 사용해야 함

2) 감전 예방하기

감전은 사람의 몸으로 전기가 흐르는 현상으로, 그 정도가 심하면

사망할 수 있으므로 주의 해야함

☞ 감전사고 뉴스 동영상

① 가전 기기를 수리, 점검하거나 청소할 때는 반드시 플러그를 빼고

하며, 젖은 손으로 가전 기기를 만지지 않도록 주의한다.

<감전 주의 > <정격 전압의 확인>

② 전기 세탁기나 전자 레인지와 같이 습기와 접촉이 많은 가전 기기는

누전에 의한 감전 사고를 예방하기 위해 접지하여 사용한다.

- 누전 : 전선 피복의 손상,절연이 불완전하여 전기가 전선 밖으로

새어 주변의 도체에 흐르는 현상

③ 접지 :

전기 기기를 대지와 도선으로 연결하여 대지의 전위와 같게 하는 것

3) 에너지 절약하는 가전 기기 사용 방법

4. 가전 기기의 점검

가전 기기는 겉으로 보기에 이상이 없더라도 내부이 회로에

이상이 생기면 제대로 작동하지 않거나 화재, 감전 등의

사고가 발생할 수 있음. 가전 기기를 점검 할 때 회로시험기를 사용함.

1) 회로시험기

회로시험기는 전압, 전류, 저항을 측정할 수 있는 계측기임.

여러 가지 전기 기구와 가전 기기의 회로 상태를 점검하는데 사용됨.

(1) 회로시험기의 구분

① 아날로그 방식

지침의 눈금으로 측정값을 가리키는 방식

② 디지털 방식

액정 화면에 측정값이 숫자로 나타나는 방식

<아날로그 시험기 > <디지털 시험기>

③ 회로시험기 구조

(2) 회로시험기 측정 방법

① 저항의 측정 및 직류 전압의 측정

② 교류 전압의 측정 및 직류 전류의 측정

(3) 아날로그 회로시험기 측정

① 저항[Ω] 측정 < OHMS > 방법

- 저항 측정시 두 시험막대를 접촉하여 지침이 0눈금에 오도록 조정

- 저항 값을 예상하고 측정 범위를 결정하여 전환 스위치를 맞춘다.

- 두 시험 막대를 접촉 시킨후 0[Ω] 조정기를 돌려 지침을 0[Ω]에 맞춘다.

- 시험 막대를 측정점에 댄다.

- 측정값을 읽는다. (저항값은 오른쪽에서부터 읽음 / 왼쪽은 무한대)

- 측정값 = 눈금값 × 배율

= 13 × 1

= 13 [Ω]

- 예 1) 눈금판을 보고 저항 측정값을 구하면 얼마인가?

( 전환손잡이를 저항의 측정범위인 X 1R 위치에 놓고 측정 )

답 : 30 x 1 = 30 [Ω]

- 예 2) 위 그림의 회로시험기의 전환손잡이를 저항의 측정범위인

X 100 R 위치에 놓고 측정하였더니 지침이 그림과 같이 눈금을

가리켰다. 이 회로의 저항값은 얼마인가?

답 : 30 x 100 = 3,000 = 3 k [Ω]

- 예 3) 회로시험기의 전환손잡이를 저항의 측정범위인 X 1000 R 위치에

놓고 측정하였더니 지침이 그림과 같이 눈금을 가리켰다.

이 회로의 저항값은 얼마인가?

답 : 8 x 1000 = 8 k [Ω]

② 직류 전압 <DC V> 측정 방법

• 측정하고자 하는 두 단자에 병렬로 접속.

• 극성 구별 : (＋)극 ⇒ ＋단자, (-)극 ⇒ -단자에 연결

- 직류 전압 <DC V> 영역에 전환 스위치를 맞춘다.

<측정값을 예상할 수 없을 때 – 최대 측정 범위>

- 측정 단자 : 검은색 ( - ) / 빨간색 ( + )

- 전환 스위치를 직류 전압 <DC V>의 예상 가능한 측정 범위에 위치시킨다.

<측정값이 2V 미만으로 예상 가능 – 2.5 범위에 위치 시킴>

- 측정 값을 읽는다.

< 눈금값이 150 V를 환산값 100으로 나누어 줌 >

- 설명: DC의 오른쪽 측정 눈금값이 250 V 기준에서 읽었을 때 150 V가

나오므로 100을 나누어 주어야 함. 이유는 전환스위치의 위치 값이 2.5 V에

두었기에 환산함. 2.5 V의 100배의 값이 250 V 이므로 100을 나누어 줌.

③ 교류 전압 <AC V> 측정 방법

• 가정, 학교, 공장 등에 공급되는 전압 측정

• 극성을 구별 안함, 회로에 병렬 접속

- 교류 전압 <AC V> 영역에 전환 스위치를 맞춘다.

<측정값을 예상할 수 없을 때 – 최대 측정 범위>

- 극성 구별 없이 시험막대를 교류 전압에 접촉

- 측정 값을 읽는다.

<전환 스위치를 AC 250 V에 두었기 때문에 환산 없이 그대로(1:1) 읽으면 됨>

④ 직류 전류 <DC mA> 측정 방법

• 건전지, 축전지 로부터 전기를 공급받아 부하에 흐르는 전류 측정

• 측정하고자 하는 두 단자에 직렬로 접속.

• 극성 구별 : (＋)극 ⇒ ＋단자, (-)극 ⇒ -단자

- 직류 전류 < DC mA >영역에 전환 스위치를 맞춘다.

<측정값을 예상할 수 없을 때 – 최대 측정 범위>

- 측정 값을 읽는다.

<전환 스위치를 DC mA 250m에 두었기 때문에 환산 없이 그대로(1:1) 읽으면 됨>

- 예) 다음 측정 값을 읽어 보세요

정답 : 측정값 = 눈금값 (100) / 10 = 10 [mA]

전환 스위치의 값이 25m 이므로 표시값의 최대치 250의 0.1배가 됨.

- 종합문제

다음 그림을 보고 저항 값과 전압 값, 전류 값을 구하여라.

1번. 저항 전환스위치(OHMS)를 100R에 놓았을때의 저항값(OHM)은 얼마인가?

1) 저항 눈금(맨위의) 눈금을 읽는다.

2) 바늘이 30을 가리키고 전환스위치를 100R에 놓았으므로

30*100=3000(Ω) 즉 답: 3 k(Ω)

2번. 직류 전압 전환스위치를 (DCV) 500에 놓았을때의 전압의 값은 얼마인가?

1) DC 눈금을 읽는다

2) 500에 놓았으므로 50 영역의 눈금을 읽는다. 바늘이 20을 가리키고 있음

3) 전환스위치를 500에 놓았으므로 20*10=200(V) 답 : 200(V)

3번.직류 전류 전환스위치(DCmA) 25에 놓았을때의 전류의 값은 얼마인가?

1) DC 눈금을 읽는다

2) 25에 놓았으므로 250 영역의 눈금을 읽는다.

3) 바늘이 100을 가리키고 전환스위치를 25에 놓았으므로 100/10=10(A)

답:10(A)

2) 통전 시험과 절연 시험

회로 시험기를 이용하여 가전 기기의 상태를 점검하는 방법으로

통전 시험과 절연 시험이 있음.

- 단선 : 전선 등이 끊어져서 전류가 흐르지 않게 된 것

- 절연 : 전기를 통하지 않도록 하는 것

- 단락 (= 합선 ) : 두 전극이 서로 맞닿은 상태

(1) 통전 시험(저항 측정)

가전 기기 내부의 전기 회로나 전선에 전기가 통하는지 여부(연결 상태)를

검사하는 것으로 회로가 끊어진 상태나 접속이 불량한 곳이 있는지 시험

① 시험 방법

저항의 가장 낮은 측정 범위에 두고 시험 막대를 가전 기기의

플러그 양 단자에 대고 측정함.

② 측정 결과

- 버저가 울리지 않으면, 회로가 끊어져 있거나(단선) 접속이 잘못됨

- 수치가 적당한 저항 값이면 정상임 / 수치가 0Ω이면 단락(합선)

수치가 무한 대(∞Ω) 또는 표시할 수 없는 최대값이면 단선 또는 접속 불량임

<정상> <단선>

<저항값이 적당한 수치를 나타냄> <저항값이 표시할 수 없는 무한대>

(2) 절연 시험

가전 기기의 절연 상태를 검사하는 것

전기가 누전되어 감전 사고를 일으키거나 합선으로 인한 화재의

위험이 있는지를 알아보기 위한 시험

① 시험 방법

저항의 가장 높은 측정 범위에 두고 시험 막대를 가전기기의

외부 표면의 한 곳과 플러그 한쪽 단자에 대고 측정함.

② 측정 결과

- 버저가 울리면 절연이 되어있지 않은 것으로 절연 상태를 점검 해야함

- 수치가 무한 대(∞Ω) 또는 표시할 수 없는 최대값이면 정상임

- 수치가 0Ω이면 단락(합선) 또는 수치가 특정 저항 값이면 절연불량(누전)임

<정상> <누전>

<저항값이 무한 대 값을 나타냄> <절연불량: 저항값이 특정 저항 값>