원자구조와 전자의 특성을 관찰한다.

전기의 발생을 살펴본다.

전자의 에너지 상태와 에너지 준위 특성을 관찰한다.

전자의 방출 특성을 관찰한다.

직류와 교류의 특성을 관찰한다.

Y결선과 △결선의 특성을 관찰한다.

반도체의 특성을 관찰한다.

다이오드의 스위칭 특성을 관찰한다.

트랜지스터의 스위칭 특성을 관찰한다.

사이리스터의 스위칭 특성을 관찰한다.

자동제어의 개념을 살펴본다.

유접점과 무접점의 차이를 알아본다.

센서 스위치의 역할을 알아본다.

액정 프로젝터, 컨텐츠, OHP, TP자료, 기타 영상자료 및 관련화보

전기의 발생

원자구조와 전자

물질들은 분자들로, 또 분자는 원자들의 집합체로 알려져 있다. 다시 또 원자 안을 살펴보면 전자와 핵자(원자핵)로 구성되어 있다. 원자핵은 내부에 양성자와 중성자를 가지고 있다.

전자는 (-)의 전하를 가지며 원자핵 안에서 (+)의 전하를 지닌 양성자에 이끌려 원자 안에 전기적으로 속박되어 있다.

그림  원자구조와 전자

전자는 빛의 광자처럼 입자이면서 동시에 파동인 양성적 성질을 가진 것으로 관측된다. 전자에 대한 상수는 다음과 같다.

전하량 : [eqn: q=-1.6 times 10 sup -19 [□]]

질  량 : [eqn: m=9.1 times 10 sup -31 [□]]

전자의 에너지는 대단히 작기 때문에 전자볼트[[eqn: rm eV]]라는 단위를 사용한다.

[eqn: 1 rm eV = 1.6 times 10 sup -19 [ J]]

모든 물질은 외부의 영향이 없으면 전기적으로 중성이라고 볼 수 있다. 따라서 원자핵 내부의 양성자는 부호가 반대인 전자의 전기적인 양을 가지고 있다.

따라서 외부의 어떤 영향을 받지 않는 원자의 전기적인 양은 □영□이 된다.

전기의 발생

외부의 어떤 영향에 따라 전기적인 평형상태가 무너지고 전자가 이동하게 된다면 전기적으로 중성인 상태가 무너지게 된다. 따라서 전자가 있다가 없어진 곳은 상대적으로 (+)를 전자가 이동한 곳은 (-)의 전위를 가지게 된다. 즉 전기가 발생하게 되며 전기는 전자의 이동에 의하여 발생된다고 할 수 있다.

그림  전자의 이동에 의한 전기의 발생

또한 물질에 따라서 전자의 이동이 쉽게 일어나는 것(도체), 전자의 이동이 거의 일어나지 않는 것(부도체), 그 중간정도의 특성을 가지는 것(반도체)이 있을 수 있다.

전자의 에너지 상태

전자는 에너지 상태에 따라 속박전자, 전도전자, 자유전자로 분류할 수 있다. 전도 전자는 도체 안에서의 자유전자이며, 도체를 통하여 열과 전기에너지를 전달할 수 있다. 자유전자는 도체의 밖으로 방출된 전자로서 독립된 입자처럼 공간을 자유롭게 움직인다.

(가) 속박전자

원자핵의 전기적 인력과 전자의 공전에 의한 원심력, 기타 여러 가지 힘과 평형을 이루며 원자 안에 구속되어 거의 외부로 방출되지 않는 전자이다.

(나) 전도전자

금속의 최외곽 전자와 같이 외부의 영향을 받아 자유상태를 가지는 전자로서 특정 원자로부터 해방되어 있으나 물체에서 빠져 나올 수는 없다.

(다) 자유전자

어떤 전자는 외부로부터 충분한 에너지를 받아 소속된 원자와 물체로부터 방출되어 모든 속박에서 완전히 벗어날 수 있다. 이렇게 벗어난 전자를 말한다.

전자기파의 발생

외부의 에너지를 받으면 전자내의 에너지가 축적되어 여기상태가 되고 다시 에너지를 내놓으며 복귀를 반복하게되는데 이때 방출하는 에너지에 따라 빛, 열 등의 여러 가지 형태의 에너지로 나타나게 된다. 이 상태를 전도전자라 할 수 있다. 더욱 강한 외부 에너지를 받으면 원자의 구속에서 벗어나 물체 내부를 떠다니게 되는 상태를 전리라고 하며 이런 전자를 자유전자라고 한다.

그림  원자로부터 전기기파의 발생

전자의 에너지 준위

(가) 에너지 장벽

금속 내부의 원자에 속박되어 있는 전자가 원자의 구속에서 벗어나기 위해서는 상당한 양의 에너지 장벽이 존재한다. 구속전자에서 전도전자로 가기 위한 제1의 장벽과 전도전자에서 방출전자로 가기위한 제2의 장벽이 존재한다.

(나) 에너지 준위

전자가 가지는 에너지는 원자핵으로부터 멀어지는 정도에 따라 단계적으로 커지고, 그 중간의 에너지를 가지는 전자는 존재하지 않는다. 이와 같은 에너지의 불연속적인 관계를 에너지 준위라 하고 최저의 준위를 기저(바닥)준위라고 한다.

여기서 절대온도 영도(0 [。K ])에서 가장 바깥 궤도의 전자(가전자)가 가지는 에너지 준위를 페르미 준위라고 한다.

장벽의 윗부분은 전자가 금속면을 탈출하는데 필요한 에너지 준위에 해당하며 탈출준위 또는 이탈 준위라고 한다.

그림  에너지 준위와 장벽

전자의 방출

(가) 열전자 방출

금속을 고온으로 가열하면 전도 전자의 운동 에너지가 커지며, 그 중에는 탈출 준위를 넘어서 금속체 밖으로 튀어나가는 전자가 있다. 이 현상을 열전자 방출이라 하고, 이렇게 방출된 전자를 열전자라고 한다.

(나) 전기장 방출

금속면에 전자를 방출시키는 방향으로 [eqn: 10 sup 8 [rm V/m ]] 정도의 아주 강한 전기장을 가하면 전자가 방출된다. 이러한 현상을 전기장 방출이라고 한다.

그림

(다) 2차 전자방출

금속면에 가속된 전자를 충돌시키면 충돌전자와 가까이 있던 전자가 그 운동에너지를 받아 공간으로 방출된다. 이 현상을 2차 전자방출이라고 한다.

(라) 광전자 방출

금속에 빛을 비추면 그 부분에서 전자가 공간으로 방출된다. 이것을 광전자 방출이라 하며 이때 방출된 전자를 광전자라고 한다.

직류와 교류

방출된 전자가 많이 발생하여 흘러간다면 전기가 강한 것이라고 볼 수 있다. 실질적으로 이 전자의 이동에 의하여 전기가 발생하였다고 생각할 수 있다.

그림  전자의 흐름과 전류의 흐름

이 발생된 전기의 이동이 전류인 것이다. 이 전류를 그래프에 그리는 방법을 생각하여 보자.

아침에는 오른쪽으로 전자 100개, 점심에는 오른쪽으로 전자 200개, 저녁에는 오른쪽으로 전자 300개가 흘렀다면 다음 그림의 (a)와 같이 될 것이다. 이와 같이 시간에 관계없이 항상 같은 방향으로 전자가 이동한다면 X축을 기준으로 위나 아래로 한쪽에만 그래프가 나타나게 된다. 이와 같은 전류의 흐름을 직류(DC-Direct Current)라고 한다.

그림  직류와 교류의 그래프

만약, 점심에 왼쪽으로 전자 200개가 흘렀다면 그림 (b)와 같이 될 것이다. 그렇게 되면 X축을 기준으로 위아래로 교차되는 그래프가 될 것이다. 이와 같이 전자의 흐름이 시간에 따라 변하는 전류의 흐름을 교류(AC-Alternating Current)라고 한다.

그림  직류와 교류의 파형

여기서, 시간에 관계없이 전압이 변화한다면 전압이 낮을 경우에는 전기 기기나 기구가 작동하지 않게 될 수도 있으며, 전압이 높을 경우에는 타버리게 될 수도 있다. 또한 교류에서는 전자의 흐름의 변화가 일정하지 않으면 사용할 수 없게 된다.

따라서 직류와 교류는 다음과 같이 정의한다.

직류는 시간에 관계없이 방향과 크기가 일정한 전기에너지를 공급하는 것이다. 교류는 규칙적으로 일정한 주기를 갖고 크기와 방향을 바꾸는 전원으로 보통 정현파(사인파)의 성격을 갖는다.

교류 사인파형의 제원을 살펴보면 다음과 같다.

그림  교류 파형의 제원

직류전원은 시간에 관계없이 일정하게 전압이 공급되므로 극성이 일정하고 위상이란 것이 존재하지 않는다. 그러나 교류전원은 일정한 주기로 전압의 값이 바뀌게 되므로 (+)와 (-)의 개념이 없다. 대신에 주파수라는 것을 가지게 되며, 위상이라는 것이 존재한다.

Y결선과 △결선

(가) Y결선

3상 교류 발전기에서는 3개의 코일이 하나로 묶여 회전하기 때문에 크기는 같지만 위상이 서로 120°만큼씩 차이가 나는 3상 교류가 발생된다. 그림과 같이 3상의 전원을 배치하면 가운데 세 개의 선이 겹쳐지고 [eqn: I sub a + I sub b + I sub c = 0]이 되어 세 개의 선을 묶어도 전류가 흐르지 않게 되어 묶은 선을 제거하여도 된다. 여기서 가운데 세 선을 묶어 하나로 한 것을 중성선이라 하고 중성선을 남겨두면 3상 4선식, 중성선을 제거하면 3상 3선식이 된다.

그림  Y 결선의 공통선의 생략

(나) △결선

3개의 단상교류들이 각각 하나의 삼각형의 한 변을 차지하도록 연결하고, 그 연결된 점에서 외부로 단자를 뽑아 낸다.

그림  △ 결선의 접속법

마찬가지로 부하측에서도 부하들이 각각 하나의 삼각형의 한 변을 차지하도록 묶은 다음 연결된 점에서 전선을 뽑아 내어 그림 (b)와 같이 전원과 연결하면, 전원과 부하와의 접속선은 3선으로 충분하다.

(나) 부하의 Y-△, △-Y 변환

Y회로로부터 △회로로 변환하기 위해서는 각 상의 임피던스를 3배로 하며, 또한 △회로로부터 Y회로로 변환하기 위해서는 각 상의 임피던스를 1/3배로 하면 된다는 것을 알 수 있다.

그림   부하의 Y-△, △-Y 변환관계

반도체

진성 반도체

순수하게 정제된 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)의 공유결합으로 이루어진 것으로, 아래의 그림은 실리콘의 원자구조와 공유결합의 상태를 보여주고 있다. 원자에 따라 전자의 수는 다르지만 전자 하나 하나는 모두 같은 성질을 가지고 있으며, 전자가 띠고 있는 □전기와 원자핵이 띠고 있는 □전기가 중화하여 원자자체는 전기적으로 중성이다.

그림 I- 실리콘(Si)의 원자구조와 에너지 준위

P형 반도체

4가의 실리콘이나 게르마늄의 결정에 3가의 금속인 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In)같은 불순물을 첨가한 것으로 결합시 전자가 1개 비어 있게 된다. 이 빈자리가 홀(Hole)이 되고 전자가 순차적으로 빈자리를 채우는 과정에 의하여 전도(傳導)된다. 여기서 불순물로 첨가되는 3가의 금속을 억셉터(Acceptor)라고 하고 정공이 다수 캐리어(Carrier)가 된다. 반대로 소수 캐리어는 전자이다. P형은 Positive(양성, □)의 의미를 가지고 있다.

그림  P형 반도체와 에너지 준위

N형 반도체

4가의 실리콘이나 게르마늄의 결정에 5가의 금속인 안티몬(Sb), 인(P), 비소(As)같은 불순물을 첨가한 것으로 결합시 전자가 1개 남게 된다. 이 남은 전자는 결정사이를 돌아다니고 전계가 걸렸을 때는 금속중의 자유전자와 같이 떠다니게 된다. 이 남은 전자가 자유전자(Free electron)가 되고, 여기서 불순물로 첨가되는 5가의 금속을 도너(Donor)라고 하며, 이 전자가 다수 캐리어가 된다. 반대로 소수 캐리어는 정공이다. N형은 Negative(음성, □)의 의미를 가지고 있다. 또한 불순물의 농도를 변화시켜 전도도를 조절할 수 있다.

그림  N형 반도체와 에너지 준위

다이오드

PN접합 다이오드

P형과 N형의 반도체를 계단형이나 경사형으로 접합할 수 있는데 이를 PN접합이라 한다. P형은 정공의 밀도가 높고, N형은 전자의 밀도가 높으므로 접합 면에서는 P형의 정공이 N형 쪽으로, N형의 전자는 P형 쪽으로의 확산이 일어난다.

이때 확산이 일어난 정공과 전자는 각각 상대 쪽의 다수 캐리어와 결합하여 캐리어가 존재하지 않는 층을 형성하게 된다. 이 층을 공핍층(전위장벽층, 공간전하층)이라 하는데 더 이상의 다수 캐리어 확산을 방지하고 평형상태를 유지한다. 또 이 공핍층에 발생된 내부 전계로 인하여 P형과 N형 영역 사이에는 접촉전위(확산전위)라고 불리는 정전전위차가 발생하는 데 대략 1[V]정도이며 정류용으로 많이 사용된다.

그림 I- PN접합 다이오드

순방향 바이어스 PN접합

평형상태에서는 다수 캐리어가 공핍층을 건너서 확산하는 것을 방지하는 전위장벽이 존재하므로 PN접합에는 전류가 흐르지 않는다는 것을 알았다. 전류가 흐르도록 하기 위해서는 이 전위장벽을 낮추는 방향으로 평형상태가 깨어져야 한다. 아래의 그림과 같이 P형 쪽에 (／), N형 쪽에 (１)의 전압을 가했을 경우(순방향)에는 접합 면의 전위장벽이 낮아져 다수 캐리어의 확산이 이루어진다. 이때 흐르는 전류를 순방향 전류라고 한다.

그림 I- 순방향 바이어스

이는 스위치동작으로는 ON상태이다. 여기서 주의할 것은 이 순방향 전류는 전자 및 정공의 상대 층 쪽으로 가는 소수 캐리어의 확산에 의한 것이며 발생한 측에서는 다수 캐리어이나, 상대 층으로 가면 소수 캐리어로 된다는 것이다.

역방향 바이어스 PN접합

그림 I- 역방향 바이어스

PN접합에 역방향 바이어스 전압이 가해진 경우에는 캐리어의 확산을 거의 완벽하게 막을 만큼 전위장벽의 높이는 상대적으로 증가한다. 그러나 진성 반도체 자체가 미약하지만 열진동에 의해 분리된 자유전자와 정공을 함유하고 있다. 그러므로 P층의 자유전자와 N층의 정공은 오히려 역전압에 끌리는 형태와 같이 상대 쪽으로 유입하여 역방향으로 전압을 가했을 때의 전류로 된다. 이 것은 누설전류와 같으며 그 크기는 순방향 전류에 비하면 비교가 안되는 적은 전류이다.

즉 전류는 거의 흐르지 않는다. 스위치 동작으로는 OFF상태이다.

그림 I- 다이오드의 기호 및 기본동작

트랜지스터

트랜지스터의 구성

트랜지스터는 제작법과 구조에 따라 종류가 많으며 접합트랜지스터, 합금접합트랜지스터, 확산접합트랜지스터, 전계효과트랜지스터 등이 있다.

아래의 그림의 (a)와 같이 단일결정체로 PNP 또는 NPN의 3층으로 되어 있는 구조인 것을 트랜지스터라 한다. 각 영역을 이미터(emitter), 베이스(base), 컬렉터(collector)라 하며 접합부를 이미터 접합, 컬렉터 접합이라 한다. 다이오드 2개를 맞대어 붙인 형태로도 생각할 수 있는데 베이스의 폭은 아주 얇게 하고 대부분 이미터보다 컬렉터의 크기를 더 크게 한다. 트랜지스터의 기호는 아래의 그림 (b)와 같다. 그 외에 단일접합 구조를 가진 UJT와 빛을 입력으로 받아 증폭작용을 하는 포토트랜지스터 같은 것들이 있다.

그림 I- 트랜지스터의 구조와 기호

트랜지스터의 스위칭

트랜지스터의 가장 간단한 이용 방법은  스위치로 이용하는 것으로 부하선상의 포화 또는 차단영역에서 동작한다는 것을 의미한다. 트랜지스터가 포화되었을 때 트랜지스터의 컬렉터와 이미터 사이에는 닫혀진 스위치와 같고, 트랜지스터가 차단되었을 때의 트랜지스터는 개방된 스위치와 같다. 이와 같이 트랜지스터는 ON, OFF의 2가지 상태, 즉 스위칭 작용을 할 수 있다.

그림 I- 트랜지스터의 스위칭 회로

그림에서 베이스전류가 IB보다 크거나 같으면, 트랜지스터는 부하선의 상한에 존재하며, 이 경우에 트랜지스터는 닫힌 스위치(ON)로, 반면에 베이스 전류가 0(Zero)이면 트랜지스터는 부하선의 하한에 존재하며 개방된 스위치(OFF)와 같이 동작한다.

FET(전계효과형 트랜지스터)

FET(전계효과형 트랜지스터)에는 접합형(JFET)과 MOS형(MOSFET)의 두 종류가 있으며, 그림과 같은 기호로 나타낸다. 이것은 보통의 트랜지스터와 비교하여 그 구조나 성질이 크게 다르다. 기능상으로 본 커다란 차이는 트랜지스터가 전류 제어형이라는 것에 대하여, FET는 전압 제어형이라는 점이다.

또한 전계효과 트랜지스터는 전자 또는 정공 중 어느 한쪽의 캐리어만이 전기전도에 관계하기 때문에 유니폴러 트랜지스터라고도 한다. 주요한 특징은 다음과 같다.

입력임피던스가 매우 크다.

접합형 FET는 잡음특성이 좋다.

고속 스위치 특성이 좋다.

구조가 간단하기 때문에 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.

그림 I- J-Transistor와 FET의 스위칭 작용

IGBT

MOSFET는 구동이 용이하고 속도가 빠르다는 점에서 유리하지만, 트랜지스터보다 용량이 적다. 이들 두 소자의 장점을 따르도록 만들어진 소자가 IGBT(insulated gate bipolar transistor)이다.

IGBT는 MOSFET와 같이 소스에 대한 게이트의 전압으로 도통과 차단을 제어하며 게이트 구동전력이 매우 낮다. 스위칭 속도는 FET와 트랜지스터의 중간 정도로 빠른 편에 속하며 용량은 일반 트랜지스터와 동등한 수준이다.

Thyristor

SCR

SCR을 직류회로로 동작시키는 경우, 애노드에 (+), 캐소드에 (-)전압을 인가해두고, 데이터 시트에 규정하고 있는 게이트 트리거전류 IGT이상의 충분한 게이트 전류를 게이트에 흘리면 Turn ON하고, 일단 ON상태에 들어가면 게이트 전류를 제거해도 ON상태를 계속 유지한다. 따라서 게이트 전류는 펄스로 통전하는 것이 보통이다. 직류회로에서 SCR을 OFF로 하려면 부하전류를 0으로 하든가, 애노드 캐소드간에 역전압을 인가하는 전류회로가 필요하다.

SCR을 교류에서 사용할 때는 플러스 방향으로 전압이 인가되고 있을 때에 게이트 전류펄스를 흘리는 것만으로 ON한다. 역방향으로 전압이 인가되고 있을 때에 게이트 전류를 흘려도 누설전류가 약간 증가하는 것만으로 ON되지 않는다.

교류의 위상에 맞추어 게이트 전류를 부여하면 위상에 비례한 전력의 제어를 할 수 있다. 이른바 위상제어가 교류회로에서의 대표적인 응용 예이다.

그림 I- SCR의 스위칭 작용

TRIAC

트라이액은 교류용의 파워 스위치로서 주로 사용된다. 주전극 간(T1, T2사이)의 플러스 전압에 관계없이 일반적으로 마이너스의 게이트 전류를 흘리면 ON상태로 된다. 트라이액은 교류회로의 위상제어나 ON, OFF스위치로 가전제품의 전력제어에 많이 사용된다.

그림 I- 트라이액의 스위칭 작용

GTO의 스위칭 작용

SCR은 도통 시점을 임의로 조절하는 것이 가능하지만 소호시키는 시점은 제어할 수 없다. 물론 SCR 주변에 보조 회로를 부착하여 원하는 시점에 소호가 되도록 할 수도 있기는 하나 회로가 복잡해진다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 개량된 형태의 사이리스터가 GTO(gate turn off thyristor)이다.

그림 I- GTO의 스위칭 작용