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전기전자공학개론
김동욱 교수
인천대학교 대학원 전자공학과 석사과정
인하대학교 대학원 전자공학과 박사수료
인천대학교 대학원 전자공학과 석사과정
인하대학교 대학원 전자공학과 박사수료
서울과학기술대학교
차의과학대학교
여주대학교
현) 유니와이즈 전임교수
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총 3개 챕터, 31강으로 구성되어 있습니다.
| 제목 | 강의시간 | 상세내용 |
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[1강] 전기전자공학 오리엔테이션
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전기전자공학 개론: 4대 핵심 분야(전자기학, 회로, 반도체, 디지털)
• 전자기학: 전기장과 자기장의 상호작용을 통해 전자기파가 진행하는 기본 원리 • 전기·전자회로: RLC 소자를 이용한 회로 해석과 반도체 소자(다이오드, 트랜지스터)의 스위칭·증폭 기능 • 디지털 공학: 조합·순서 논리회로의 구분 및 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하는 원리 |
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| 1장. 전기전자통신공학의 물리적 기초 | ||
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[2강] 전기전자통신의 기초, 전기의 이해
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전기전자공학 기초: 전하, 전기력, 전계의 이해
• 전하와 대전: 전기 현상의 근원이 되는 물리량과 전자의 이동으로 물체가 전기를 띠는 현상. • 쿨롱의 법칙: 두 점 전하 사이의 전기력(인력, 척력) 크기를 전하량의 곱과 거리의 제곱으로 정량화. • 전계와 전기력선: 전하가 힘을 미치는 공간의 성질이며, 그 분포와 방향을 가상의 선으로 시각화. |
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[3강] 자기의 이해
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자성의 개념과 전류에 의한 자기장 및 자기력
• 자성의 개념과 특징: 전자의 운동에서 기인하며, 전하와 달리 N/S극 분리가 불가능한 자기쌍극자 특성을 가짐. • 전류와 자기장의 관계: 전류가 흐르는 도선 주위에 동심원 형태의 자기장이 형성되며, 그 방향은 암페어의 오른손 법칙으로 결정됨. • 평행 도선 간 자기력: 전류 방향에 따른 자기장 중첩(보강/상쇄) 원리로 인력과 척력이 발생하며, 전동기 구동의 기본 원리로 응용됨. |
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[4강] 전계, 자계에 의한 물질의 반응특성
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전계 및 자계에 의한 물질의 반응: 도전율, 유전율, 투자율
• 도전율 (σ) : 전계(E)에 대한 물질의 도전(conduction) 반응 특성으로, 전하 운반체의 흐름 정도를 나타내는 물리량. • 유전율 (ε) : 전계(E)에 대한 유전체의 분극(polarization) 반응 특성으로, 전하 저장 능력을 결정하는 척도. • 투자율 (μ) : 자계(H)에 대한 자성체의 자화(magnetization) 반응 특성으로, 자속밀도(B) 형성 능력을 나타내는 상수. |
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[5강] 전자기파의 이해
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맥스웰 방정식과 전자기파의 원리 및 특성
• 맥스웰 방정식: 전기와 자기 현상을 통합하는 4가지 법칙으로, 시변 전계와 시변 자계의 상호 유도 관계를 설명 • 전자기파: 가속 전하에 의해 발생하며, 매질 없이 광속으로 전파되는 전기장과 자기장의 횡파 • 전자기파 특성: 주파수(f)와 파장(λ)은 λ=c/f 관계를 가지며, 무선 전파부터 감마선까지 넓은 스펙트럼을 형성 |
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| 2장. 수동소자의 조합 및 반응 해석(전기회로) | ||
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[6강] 기초물리개념, 전기단위의 개념
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기초 물리 개념과 전기 단위의 핵심 원리
• 기초 물리 개념: 원자·전자 등 물질의 기본 구성 요소와 전도체·절연체·반도체의 전기적 특성 정의 • 핵심 전기 원리: 전압(V)·전류(A)·저항(Ω)의 상호 관계를 설명하는 옴의 법칙과 전류를 흐르게 하는 기전력(EMF) 개념 • 전력과 에너지: 단위 시간당 에너지 비율인 전력(W)과 총 사용량인 에너지(Wh)의 개념, 직류(DC)와 교류(AC)의 차이 구분 |
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[7강] 계측기
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계측기의 종류와 원리: 전류계, 전압계, 저항계
• 전류계와 전압계: 전류계는 낮은 내부 저항으로 직렬 연결, 전압계는 높은 내부 저항으로 병렬 연결하여 측정 • 디지털 및 아날로그 계측기: 디지털은 정밀한 수치 측정, 아날로그는 신호의 변화 추이 파악에 유리 • 오실로스코프: 시간 흐름에 따른 전압 변화를 파형으로 시각화하여 주파수, 주기 등 신호를 종합 분석하는 장비 |
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[8강] 직류회로의 기초
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직류 회로의 기초: 옴의 법칙, 저항의 직/병렬 연결
• 옴의 법칙: 직류 회로의 전압(E), 전류(I), 저항(R) 간의 관계(E=IR)를 정의하는 기본 원리. • 저항의 직렬·병렬 연결: 직렬은 전류가 일정하며 저항값을 합산하고, 병렬은 전압이 일정하며 컨덕턴스(1/R)를 합산하여 총저항을 계산. • 직류 회로 전력: P=EI 공식을 기반으로, 직렬 회로(P=I²R)와 병렬 회로(P=E²/R)에서 저항값에 따른 전력 소모 및 분배 원리 분석. |
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[9강] 직류회로의 해석(1)
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직류 회로 해석: 직렬 저항 연결과 KVL
• 직렬 회로 기본 원리: 회로 내 모든 지점에서 전류는 동일하며, 전체 전압은 각 저항에 걸리는 전압 강하의 총합과 같음. • 키르히호프의 전압 법칙(KVL): 임의의 폐회로(closed loop)에서 모든 전압의 대수적 합은 0이라는 원리를 이용한 회로 해석 법칙. • 전압 분배 법칙: 전체 전압이 직렬 연결된 각 저항의 크기에 비례하여 분배되는 원리를 이용한 특정 지점의 전압 계산. |
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[10강] 직류회로의 해석(2)
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직류 병렬회로 해석: 전압, 전류 및 KCL 법칙
• 직류 병렬회로: 각 소자에 동일 전압이 인가되고, 전체 전류는 저항에 반비례하여 각 지로로 분배되는 회로 구조. • 키르히호프 전류법칙(KCL): 회로 내 임의의 접점에서 전하량 보존 법칙에 따라 들어오는 전류 총합과 나가는 전류 총합이 같다는 원리. • KCL 회로 해석 절차: 접점 탐색, 옴의 법칙 적용, 연립방정식 풀이를 통해 회로의 미지 전압과 전류를 계산하는 체계적 방법. |
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[11강] 저항기, 전지와 배터리
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저항기의 종류와 목적, 전지와 배터리의 원리
• 저항기(Resistor): 회로의 전압 분배, 전류 제한, 바이어싱, 임피던스 정합 기능을 수행하는 핵심 소자 • 저항기 종류: 재료 및 구조에 따라 탄소, 권선, 박막형 등 고정 저항기와 온도(서미스터), 전압(배리스터) 등 외부 요인에 반응하는 비선형 저항기로 분류 • 전지와 배터리: 전기화학 반응으로 전기를 생성하며, 재충전 불가(일차전지)와 가능(이차전지) 여부 및 리튬, 납-산, 연료전지 등 원리에 따라 구분 |
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[12강] 교류의 기초
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교류의 기초: 정의, 주기, 주파수 및 파형
• 교류(AC) 기본 개념: 시간에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 신호로, 반복 주기(T)와 1초당 반복 횟수인 주파수(f)를 핵심 요소로 함. • 정현파 신호의 수학적 표현: 신호의 최대 크기인 진폭(A), 주파수와 비례하는 각주파수(ω), 시작점을 결정하는 위상(φ)으로 구성된 일반식으로 정의. • 주요 비정현파 교류 파형: 정현파 외 신호 형태로, 순간적 극성 전환을 갖는 방형파, 선형적 상승 또는 하강을 보이는 톱니파 및 삼각파를 포함. |
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[13강] 교류의 주파수 스펙트럼과 주기, 진폭
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교류의 주파수 스펙트럼, 주기, 진폭의 이해
• 주파수 스펙트럼 분석 : 시간 도메인(오실로스코프)과 주파수 도메인(스펙트럼 분석기)을 통해 기본 주파수 및 고조파를 식별하는 교류 신호 해석법. • 교류 진폭 표현 : 순간, 피크, 피크-피크 진폭과 직류 등가 전력 기준인 실효(RMS) 진폭의 정의 및 상호 관계. • 교류 파형의 위상과 직류 중첩 : 한 사이클을 각도(degree)와 라디안(radian)으로 분할하여 표현하고, 직류 성분 추가 시 파형이 이동하는 원리. |
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[14강] 인덕턴스
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인덕턴스의 정의, 특징 및 회로 연결 계산
• 인덕턴스(L): 전자기 유도 원리에 따라 자기장에 에너지를 저장하는 소자의 용량으로, 코일의 투자율(μ)·권선수(N)·단면적(A)에 비례. • 전자기 유도 법칙: 패러데이 법칙(자속 변화가 유도기전력 발생)과 렌츠의 법칙(유도 전류는 자속 변화 방해)을 통해 인덕터의 동작 원리 규명. • 인덕터 회로 연결: 등가 인덕턴스 계산은 저항 회로와 동일하며, 직렬은 합산하고 병렬은 역수의 합으로 계산. |
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[15강] 커패시턴스
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[전기전자공학개론] 커패시턴스의 정의, 특징 및 직병렬 연결
• 커패시턴스(Capacitance): 전하를 저장하는 능력(Q=CV)으로, 도체 면적(A)·유전율(ε)에 비례하고 도체 간격(d)에 반비례. • 커패시터 충전·방전: RC 시정수(time constant)에 의해 결정되는 지수 함수적 전하량 변화 과정. • 커패시터 직병렬 연결: 등가 커패시턴스 계산 시 직렬은 저항의 병렬, 병렬은 저항의 직렬 계산법을 따름. |
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[16강] 위상과 페이저
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교류 회로의 위상, 벡터, 페이저 표현법
• 교류 회로의 위상: 순시값·위상차(앞선/뒤선 위상) 개념과 이를 시각화하는 회전 벡터 표현법. • 페이저(Phasor) 변환: 교류 신호에서 시간 항을 제거하고 진폭·위상만으로 표현하여 회로 해석을 단순화하는 기법. • 페이저 연산 및 응용: 복소수 사칙연산을 통한 위상차 비교, 임피던스 및 전력 계산 절차. |
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[17강] 유도성 리액턴스
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유도성 리액턴스의 개념과 RL 회로 분석
• 유도성 리액턴스 (XL): 교류 회로에서 인덕터가 전류 흐름을 방해하는 저항 성분으로, 주파수(f)와 인덕턴스(L)에 정비례($X_L = 2\pi f L$). • 복소 임피던스 (Z): 저항(R)과 유도성 리액턴스(XL)의 벡터 합으로, 회로의 전체 저항 성분을 R-XL 평면에 표현($Z = R + jX_L$). • RL 회로 위상각 (φ): 전압 대비 전류가 뒤처지는 위상 지연 각도로, 저항과 리액턴스의 비율에 따라 결정($\phi = \arctan(X_L/R)$). |
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[18강] 용량성 리액던스
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용량성 리액턴스의 개념과 주파수 특성
• 용량성 리액턴스(Xc): 커패시터의 교류(AC) 저항 성분으로, 주파수(f)와 커패시턴스(C)에 반비례하는 음(-)의 값을 가짐. • 복소 임피던스와 주파수 특성: 복소 평면 4사분면에 위치(Z = R - j|Xc|)하며, 고주파는 통과(단락)시키고 저주파는 차단(개방)하는 필터 역할 수행. • RC 회로 위상 특성: 전류(I)가 전압(V)보다 위상이 앞서며, 위상각(φ)은 저항(R)과 리액턴스(Xc)의 비율로 결정. |
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[19강] 임피던스와 어드미턴스(1)
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임피던스와 어드미턴스: 복소수와 RX 반평면
• 복소 임피던스: 저항(R)을 실수부, 리액턴스(X)를 허수부로 갖는 복소수(Z=R+jX)로 정의. • RX 반평면: 복소 임피던스를 크기와 위상을 갖는 벡터로 시각화하는 좌표 평면(1, 4사분면). • 절대값 임피던스: 임피던스 벡터의 크기(|Z|=√R²+X²)를 나타내며, 회로의 주요 특성 파라미터로 활용. |
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[20강] 임피던스와 어드미턴스(2)
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특성 임피던스, 컨덕턴스, 서셉턴스, 어드미턴스
• 특성 임피던스 (Z₀): 전송선의 물리적 구조로 결정되는 고유 규격으로, 임피던스 부정합 시 에너지 손실을 유발. • 어드미턴스 (Y): 임피던스의 역수(1/Z)로, 교류 전류의 흐름 용이성을 나타내며 병렬 회로 해석을 간소화. • 컨덕턴스(G)와 서셉턴스(B): 어드미턴스의 실수부(1/R)와 허수부(1/X)로, 리액턴스(X)를 변환 시 허수부 부호가 반전됨. |
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[21강] 직렬 복소 임피던스와 RLC 회로
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직렬 복소 임피던스와 RLC 회로 분석
• 직렬 복소 임피던스: 저항(실수부)과 리액턴스(허수부)의 벡터 합으로 교류 회로의 총 저항을 계산하는 방식 • 직렬 RLC 회로: 주파수에 따라 유도성($X_L > |X_C|$) 또는 용량성($X_L < |X_C|$) 특성을 보이며 임피던스가 변동하는 회로 구조 • 직렬 공진: 특정 주파수에서 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스가 상쇄되어 임피던스가 최소(순수 저항)가 되고 전류는 최대가 되는 현상 |
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[22강] 병렬 복소 어드미턴스와 병렬 RLC(GLC)회로
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병렬 복소 어드미턴스와 병렬 RLC(GLC) 회로 분석
• 병렬 복소 어드미턴스: 컨덕턴스(G)와 서셉턴스(B)의 복소수 합(Y = G + jB)으로, 병렬 회로의 전류 흐름 용이도를 나타내는 물리량. • 병렬 공진: 병렬 RLC 회로에서 유도성 서셉턴스와 용량성 서셉턴스의 합이 0이 되는 상태로, 이때 임피던스는 최대, 전류는 최소가 됨. • 어드미턴스-임피던스 변환: 병렬 회로의 복소 어드미턴스(Y = G + jB)를 등가 직렬 회로의 복소 임피던스(Z = R + jX)로 상호 변환하는 공식. |
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[23강] 복합 RLC회로의 분석
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복합 RLC 회로 분석: 임피던스, 옴의 법칙, 페이저
• 복합 RLC 회로 단순화: 직렬 및 병렬 회로를 단일 등가 임피던스(Z) 또는 어드미턴스(Y)로 변환하여 분석하는 기법. • 교류 회로 옴의 법칙: 복소 임피던스를 이용해 전압-전류 관계(V=IZ)를 정의하고, 위상차에 따른 벡터 합산 원리 적용. • 페이저 변환 및 다이어그램: 시간 영역의 정현파 신호를 진폭과 위상을 갖는 페이저 벡터로 변환하여 회로 내 위상 관계를 시각적으로 분석. |
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| 3장. 능동소자의 조합과 동작 해석(전자회로) | ||
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[24강] 반도체 개론
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반도체 개론: 재료, 도핑, 전하 반송자
• 반도체 재료: 특정 조건에서 전도성을 조절할 수 있는 물질로 실리콘(Si), 갈륨-비소(GaAs)가 대표적임. • 도핑(Doping): 순수 반도체에 불순물(도너/억셉터)을 첨가하여 전하 반송자 농도를 조절하고 전기 전도성을 높이는 공정. • N형 및 P형 반도체: 도핑을 통해 생성되며, 전자가 다수 반송자인 N형과 정공이 다수 반송자인 P형으로 구분됨. |
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[25강] 반도체 PN접합
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PN 접합 반도체의 구조, 원리 및 바이어스 특성
• PN 접합 구조: P형과 N형 반도체 접합 시 캐리어 확산으로 공핍층과 전위장벽이 형성되는 기본 원리 • PN 접합 바이어스: 순방향·역방향 전압 인가에 따라 전위장벽 높이와 공핍층 폭을 조절하여 전류 흐름을 제어하는 원리 • 다이오드 항복 현상: 과도한 역전압 인가 시 애벌란치 또는 제너 현상으로 역방향 전류가 급증하는 특성 |
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[26강] 반도체 PN 접합과 PN접합 다이오드
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PN 접합 다이오드의 등가 모델과 응용 회로
• PN 접합 다이오드 등가 모델: 비선형 I-V 특성을 이상적·정전압·부분 선형 모델로 근사화하여 회로 해석을 단순화하는 기법. • 정류기 회로: 다이오드의 단방향 전도성을 이용해 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 회로로, 반파 및 전파 정류기로 구분. • 리미터 회로: 다이오드의 도통/차단 특성을 이용해 신호 진폭을 특정 레벨 이하로 제한하는 회로로, 병렬형 및 직렬형 구조를 가짐. |
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[27강] 바이폴라 트랜지스터의 이해
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바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 구조, 동작 원리, 응용
• BJT(바이폴라 접합 트랜지스터) 구조: 이미터-베이스-컬렉터 3단자로 구성된 NPN/PNP 접합 구조로, 작은 베이스 전류($i_B$)로 큰 컬렉터 전류($i_C$)를 제어하는 전류 제어형 소자 • BJT 동작 모드: B-E와 B-C 접합의 바이어스 조건에 따라 순방향 활성(증폭기), 포화(ON 스위치), 차단(OFF 스위치) 모드로 구분 • BJT 전류 관계: 이미터 전류는 베이스와 컬렉터 전류의 합($i_E = i_B + i_C$)이며, 공통 이미터 전류 증폭률($\beta$)은 컬렉터와 베이스 전류의 비율($i_C = \beta i_B$)로 정의 |
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[28강] 디지털 개념 및 수체계
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디지털 개념 및 수 체계: 진법 변환과 디지털 코드
• 디지털 수 체계 및 진법 변환: 2진수·8진수·10진수·16진수의 가중치 기반 상호 변환 원리 및 절차 • 특수 목적 디지털 코드: 10진수 표현을 위한 BCD, 입출력 오류 감소를 위한 그레이 코드, 문자 표현용 ASCII 코드의 구조와 용도 • 오류 제어 코드: 데이터 오류 검출을 위한 패리티 비트와 오류 검출 및 정정이 가능한 해밍 코드의 기본 원리 |
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[29강] 디지털 시스템(1)
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디지털 시스템의 기본 및 응용 논리 게이트
• 기본 논리 게이트: NOT, AND, OR의 진리표와 논리식을 통해 논리곱, 논리합 등 디지털 시스템의 기본 연산 원리 분석 • 응용 논리 게이트: NAND, NOR, XOR, XNOR의 동작 원리와 패리티 비트 생성, 코드 변환 등 주요 활용 분야 요약 • NAND/NOR 범용성: 단일 게이트로 모든 논리 회로를 구현하는 원리 및 드모르강의 정리를 이용한 회로 설계 기법 |
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[30강] 디지털 시스템(2)
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디지털 시스템: 조합논리회로와 순서논리회로의 기능
• 조합논리회로: 메모리 기능 없이 현재 입력만으로 출력이 결정되며, 가산기·디코더·멀티플렉서 등을 포함하는 논리회로. • 순서논리회로: 플립플롭과 같은 기억소자를 사용하여 현재 입력과 과거의 상태(내부 상태)를 모두 이용해 출력을 결정하는 논리회로. • 플립플롭(Flip-Flop): 1비트의 정보를 저장하는 순서논리회로의 핵심 기억소자로, JK플립플롭의 토글(Toggle) 기능은 카운터 설계에 응용됨. |
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[31강] 디지털 통신 및 통신공학
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디지털 통신 시스템의 변조 방식과 신호 처리
• 변조 방식: 정보를 원거리 전송을 위해 반송파에 싣는 기술로, 아날로그 변조(AM/FM)와 디지털 변조(베이스밴드/PCM)로 구분 • PCM 변조: 아날로그 신호를 표본화(Sampling), 양자화(Quantization), 부호화(Coding) 3단계로 디지털 신호로 변환하는 핵심 과정 • 디지털 신호 처리(DSP): 베이스밴드 전송으로 표현된 디지털 신호를 고속 연산 처리하여 데이터 압축, 암호화, 오류 제어 등을 수행하는 기술 |
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김동욱 교수님
전기전자공학개론
