PID detector
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세계에서 가장 작은 Portable VOC - MONITOR |
- 목 차 -
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VOC 란?
[ VOC (Volatile Organic Compobds)는 휘발성 유기 화합물을 말한다.]
그 일 예로서 아래 표시하는 화학 물질을 말한다
- 방향족 (芳香族) : Benzene, Toluene, Xylene, Ethyl-benzene 등..
- Ketone. Aldehyde : Methylethylketone, Acetaldehyde 등..
- 염화탄화수소 : Trichloroethylene, Tetrachloroethylene 등 ..
- 유황화합물 : Mercaptan 등
- Amine. Amide : Dethyamine 등 방향족 (芳香族) : 벤젠 , 톨루앤, 키시렌, 에칠벤젠 등..
[ VOC 중에서도 다음의 유기 화합물은 인체에 대단히 해로우며 대기 오염 방지법에서도 특정물질로 지정하여 우선적으로 감소 시키지 않으면 안 되는 물질로 구분을 하고 있다.]
- 벤젠(Benzene, C6h6) : 화학공장등에서 사용.
- 토리크로로에치렌 (Trichloroethylene) : 기계부품 청소용으로 주로 사용.
-
테트라크로로에치렌 (Tetrachloroethylene) : 드라이 크리닝에 주로 사용한다.
VOC 측정 원리
측정 대상의 Gas를 흡입(Pump 이용)하여 아래의 그림과 같이 Gas를 측정 Cell에 접촉을 시킨다.
측정 Gas에 자외선 (紫外光)을 쪼이면 (照射) Gas중의 VOC는 그 Gas의 물리적 성질( 이온화 wjs위) 에 따라 이온화되고 그 이온을 전극으로 집전 시킴으로서 VOC농도에 비례한 검출전류를 얻을 수가 있다.
이와 같은 검출기를 광 이온화 검출기 ( P I D : Photo Ionization Detector)라고 한다.
-
P I D 검출기의 특징
- 쉽게 이용할 수 있는 램프와 센스
- 습도의 간섭을 받지 않는다.( FID 사용시 수분이 많을 경우 불꽃이 꺼질 수 있음)
- 직선성 개선
- 감도의 증가
검출기의 구조는 개략적으로 위의 그림과 같다. 원통형의 여기전극을 채용하였고 또한 UV광이 Sample Gas 를 흐름과 직교( 直交)하는 구조로 구성이 되었기 때문으로 소형으로 고성능의 VOC의 측정이 가능하다.
측정 가능한 Gas의 종류
VM30, VM76 Type은 측정원리에서 말한 것과 같이 Gas중의 VOC에 자외선 (Energy 10.6 eV)를 조사하여 Gas를 이온화하여 VOC를 측정한다.
VOC Gas가 측정되기 위하여서는 적외선에 의한 Gas가 이온화되지 않으면 안 된다. 이온화의 현상은 쪼이는 광의 에너지 레벨과 Gas의 특유의 성질에 의하여 이온화 전위가 정해지고
- 자외선의 에너지 보다 작은 이온화 전위를 가진 Gas는 이온화가 가능함.
- 자외선의 에너지 보다 높은 이온화 전위를 가진 Gas는 이온화가 되지 않는다.
- VM30, VM76으로 VOC의 측정이 가능한 Gas는 다음과 같다.
- 방향족 (芳香族) : Benzene, Toluene, Xylene, Ethyl-benzene 등..
- Ketone. Aldehyde : Methylethylketone, Acetaldehyde 등..
- 염화탄화수소 : Trichloroethylene, Tetrachloroethylene 등 ..
- 유황화합물 : Mercaptan 등
- Amine. Amide : Dethyamine 등
- 불포화탄화수소 : 이소부칠렌, 부타디엔 등
- 알콜 : 에타놀, 이소프로파놀 등
- 포화탄화수소(지방족) : 부탄, 헥산 등
-
VM30, VM76으로 VOC의 측정이 불가능한 Gas는 아래와 같다.
- 질소(N2), 산소, 이산화탄소, 수증기 등
- 일산화탄소, 시안화수소, 이산화유항 등
혼합 Gas의 VOC의 측정도 가능하다. 측정하고자 하는 각각의 Gas의 이온화 전위에
대응하는 Total의 출력 특성을 표시한다. 그러나 각Gas의 농도의 측정은 불가능하다.
교정 / 보정 방법
VM30, VM76의 출력 특성은 Gas 성분의 이온화 전위의 상이(相異)에 따라 틀리게 된다. 그 때문에 측정 Data를 보편화(普遍化) 하기 위하여서는 교정용 기준Gas로 Isobutylene Gas(C4H8)를 사용한다.
교정용 Gas를 이용하여 VM30, VM76을 교정하여 사용한다. 측정Gas의 농도를 Monitor 하는 경우 측정하려는 Gas의 농도 / 출력특성에서 보정계수 (CF)를 정하고, 연산에 의하여 농도를 지시하도록 하였다. 아래의 보정계수 (CF)의 예를 표시한다. CF는 VM30, VM76에 똑 같이 설정하는 것이 가능하고 연산된 Data를 직접 구하는 것이 하다, 예를 들어 Trichloroethylene을 Monitor하는 경우 이소부치렌 Gas로 교정한후 CF(=0.52)를 설정을 함으로 Trichloroethylene의 농도를 직접 측정을 하는 것이 가능하다.
|
측 정 대 상 Gas |
C F |
|
- Isobutylene (기준 Gas) |
1.0 |
|
- Benzene |
0.53 |
|
- Trichloroethylene |
0.52 |
|
- Tetrachloroethylene |
0.58 |
|
- Acetone |
1.1 |
|
- 염화(염화) 비닐 |
2.0 |
|
- 초산 Butylene |
2.6 |
|
- Styrene |
0.42 |
|
- Toluene |
0.5 |
|
- Methyl Ethyl Ketone |
0.86 |
VOC MONITOR의 특징
- 많은 종류의 VOC를 고감도로 검출한다 .-----> 최소 분해 능력 0.1 ppm
- Zero점의 안정
- 고속 응답 -----> 90% 응답이 3 sec' 이하 (VM76)
- 보정계수 (CF)의 설정에 의하여 많은 종류의 VOC Gas를 간단하게 측정한다.
- Data Logging 기능
* VM76 : 50 Point (STD), 16000 Point (option)
* VM30 : 4,000 Point - 전용의 Software에 의하여 PC에서 Data의 해석이 가능하다.
- 본질안전방폭 -----> CENELEC EEx ia II C T4, UL class1 Division1 Group A, B, C, D
- Analog 출력 -----> 0 ~ 1 V DC (VM76)
- LED 점멸, 경보음에 의한 경보출력
VOC-MONITOR의 중요 사양
|
항 목 |
VM76 |
VM30 |
|
측정 대상 |
VOC, 광에 의하여 이온화가 가능한 Gas |
|
|
측정 범위 |
0 ~ 1.999 ppm |
0 ~ 2.999 ppm |
|
측정 정도 |
± 2 ppm 또는 10% of Reading |
|
|
90% 응답 |
3 sec 이하 |
20 sec 이하 |
|
표시 |
Back light부 LCD |
|
|
출력 |
RS232 interface, 경보 - Lamp, 경보 - Buzzer |
|
|
|
0 ~ 1V DC Analog |
|
|
data Logging |
50 Point (Option 16,000) |
4,000 Point |
|
연속 측정 시간 |
연속 10 시간 |
연속 12 시간 |
|
Sampling 방식 |
내장 Pump 흡입(400ml/min) |
내장 Fan에 의한 흡입 |
|
방폭 |
본질안전방폭 CENELEC EEx ia II C T4, UL class1 Division1 Group A, B, C, D |
|
|
구조 |
휴대형 / Battery구동 |
|
|
외형 Size |
180 * 69 * 46 mm |
152 * 44 * 25 mm |
Labo Gaschro와의 상관관계
배출Gas의 MONITOR
VM76으로 배출Gas의 Monitoring을 간단하게 할수 있다.
- 배기구에서의 농도를 직접 그리고 연속적으로 VOC의 MONITOR가 가능하다.
-
Logging한 Data를 전용의 Software에 의하여 PC를 이용하여 간단하게 정리하며 Graph의 작성이 가능하며 Data의 해석, 보고서의 작성등을 효율적으로 할 수 있다.
- 아래의 그림은 실제 배출가스의 농도의 측정한 예를 표시하였다.
- 이것은 1분 간격으로 측정 Data를 VM76으로 Logging하여 PC에서 Graph화 한 것이다.
개인 폭로량(個人 暴露量)의 Monitoring
- 아래의 그림과 같이 VM30을 상의의 Pocket에 Grip해둠으로서 작업환경을 자동적으로 Monitor 하는 것이 가능하다.
|
|
- 연속 사용 시간 : 12시간 사용 가능 - VM 30은 무게 180g 정도로 가볍다 |
- Monotoring의 주기는 1초에서 1시간의 간격으로 자유롭게 설정이 가능하기 때문에 돌변하는 폭로량도 측정이 가능하다.
- Data를 VM 30으로 Logging해 두고 전용의 Software를 이용하여 PC에서 Data를 처리하고 Graph의 작성 보고서의 작성등을 간단하게 처리할 수 있다.
- 위험 상황에서의 대처를 하기 위하여 Buzzer가 동작하도록 구성되어 있다.
- VM 30을 이용하여 인쇄소에서의 개인 폭로량을 Monitor한 예를 표시하였다.
-
30 sec' 평균 Data는 폭로량의 급격한 변동을 파악할 수 있다.
작업 환경의 Monitoring
- Gas를 직접 흡입하여 즉각 고감도(분해능 : 0.1 ppm)로 신속(90%응답시간 : 3초)하게 측정하는 것이 가능하다.
- Data를 VM76에 Logging하여 두고 전용의 Software를 이용하여 PC에서 Data를 처리, Graph작성과 보고서 작성 등이 간단하게 이루어 진다.
- 위험 상태에서는 경보 Buzzer가 동작한다.
-
종래의 방법과 비교하여 Gas의 Sampling. 분석. 해석의 순서가 비약적 으로 개선되며 분석 작업자의 작업 분담이 경감되는 장점이 있다.
도장 공장에서의 VOC측정 결과
(주 : 상기 Data는 표준Gas로 Calib'하지 않은 상태에서 측정한 결과입니다.)
토양 오염의 조사와 개선
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토층의 오염 측정
ISO14000에서의 활용
- ISO 14000에 준하는 환경개선시책에 위력을 발휘 합니다. [ 배출가스 ] [ 작업환경 ] [ 개인폭로량 ] 의 각항을 참조 바람니다.
출처: <http://brainst.co.kr/voc/voc-meter.htm>
Photoionization of Methane: Ionization Potential and Proton Affinity of CH4
The relative photoionization cross section of methane has been measured at room temperature and at liquid‐nitrogen temperature. The data show that the ionization potential of methane is 12.615 ± 0.010 eV or lower. This result is discussed and compared with those obtained by photoelectron spectroscopy. The photoionization‐efficiency curve of CH5 + was also measured and found to have the same threshold as that of CH4 +. This observation sets a lower limit on the proton affinity of methane, namely PA(CH4) ≥ 5.46 eV. Consideration of other data supports the value PA(CH4) = 5.50−0.05 +0.20 eV.
출처: <http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jcp/54/10/10.1063/1.1674669>
출처: <http://www.electrogasmonitors.com/portfolio-items/minirae-3000/>
많이 사용되는 모델 .. 하나 MiniRAE 3000
전달함수
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라플라스 변환의 의미는 대충 주파수 도메인에서의 계산이라고도 하고, 미적분의 선형계산으로 보기도 하고 그렇다. 주파수에서의 해석이 되는 이유가 코사인과 사인이 서로 미적분의 관계에 얽여 있어서이다. 하나를 사인으로 놓으면 이걸 미분하면 코사인되고 그런 관계라서 미적분식을 주파수가 있는 사인으로 보고 이걸 또 코사인과 사인의 조합으로 보고 그런듯. |
출처: <http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=redpkzo&logNo=220574751812&redirect=Dlog>
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오차
오차론의 중요성
1. 오차의 종류와 정의
과학에서 오차는 반드시 발생한다. 따라서 오차를 최대한 줄이려면 측정을 정확하게 하거나 측정 횟수를 매우 크게 해야 한다. 물리량을 측정 할 때는 측정기구가 필요하다. 측정자가 측정 기구를 이용하여 어떤 물리량을 잰다고 하자. 세심한 주의를 기울여 측정자의 과실이 없도록 측정하더라도 측정결과는 참값에 가까울 뿐 참값은 아니다. 다시 말하면 참값이 t 인 양을 측정하여 z라는 측정치를 얻었다면 일반적으로 t와 z은 일치하지 않는데, 이 때 측정값-참값이 바로 오차이다. (오차 = 측정값 - 참값) 참값은 정확히 알 수 없는 양이므로 오차도 정확히 알 수는 없고 단지 추측할 수 있는 수치일 뿐이다. 오차는 우리에게 여러 가지를 알려준다. 그중 하나로 오차를 통해 우리가 한 실험이 잘 된 것인지 잘 안된 것인지 판단할 수 있다. 예를 들어 보자. 만약 휴대폰의 무게를 철수와 영희가 측정했다고 해보자. 철수는 '5.5kg이상 6.5kg이하' 라고 측정하였고, 영희는 '4.95kg이상 5.15kg이하'라고 측정하였다. 이 측정은 둘다 잘못한 것이다. 둘의 오차범위가 일치하지 않기 때문이다.
오차에는 그림에서 보듯이 여러 가지 종류가 있다. 이제 각 오차의 특징을 살펴보자.
먼저 계통오차는 측정계기의 미비한 점에 기인되는 오차로서 그 크기와 부호를 추정할 수 있고 보정할 수 있는 오차이다. 이런 계통오차는 실험자가 주의를 하면 제거할 수 있는 오차이다. 두 번째로 우발오차는 한 가지 실험측정을 반복할 때 측정값들의 변동으로 인한 오차를 말하며 계통오차와 달리 제거할 수 없고 보정할 수도 없는 것이다. 하지만 측정의 회수를 될 수 있는 대로 많이 하여 오차의 분포를 살펴 가장 확실성 있는 값, 즉 최확치를 추정할 수 있는 것이다. 일반적으로 계통오차가 없을 때는 측정결과가 정확하다고 말하고, 우발오차가 작을 때는 정밀하다고 말한다.
2.유효숫자
오차를 얘기할 때 빼놓을 수 없는 것들 중 하나가 바로 유효숫자이다. 유효숫자란 수의 정확도를 얘기할 수 있는 것으로, 유효숫자가 많을수록 더욱 정확도가 높아진다. 예를 하나 들어보자. 만약 철수가 연필의 길이를 6cm라고 측정했다고 해보자. 그럼 이 물체 길이의 유효 숫자는 1개가 되고, 참값의 범위는 5.5cm<참값<6.5cm가된다. 이제 영희는 6.0cm라고 측정했다고 해보자. 그럼 이 물체 길이의 유효 숫자는 2개가 되고, 참값의 범위는 5.95cm<참값<6.05cm가 되어 더욱 정확도가 높아지게 된다. 이 때 규칙은 이렇다.
가장 작은 눈금의 1/10(또는 0.1)을 읽는다.
읽는 값의 오차(판독오차)를 의미하는데 측정기에 표시된 최소눈금의 1/10을 의미한다.
만약 확신이 서지 않으면 최소눈금의 1/5을 읽어도 좋다.
이제 유효 숫자를 썼을 때 장점과 단점을 알아보자.
|
장점 |
단점 |
|
불확실성의 존재를 쉽게 알려준다. |
불확실성을 어림셈만을 준다. |
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곱셈과 나눗셈을 통해 생기는 불확실성을 있는 그대로 평가하기 쉬운 기초를 마련해 준다. |
데이터가 결합될 때 불확실성의 축적에 관한 관계를 생략한다. |
|
|
곱셈에서조차도 유효숫자의 보통 규칙들은 불확실성을 잘못 지시할 수 있다.
|
위에서 보듯이 유효숫자는 측정하는데 있어 없어서는 안되는 정밀한 측정을 위하여 꼭 필요한 도구이다.
3.대푯값
측정을 여러 번 되풀이하면 여러 가지 다른 값을 얻게 되는데, 이 때 많은 측정값으로부터 하나의 대푯값을 결정하는 데는 몇 가지 방법이 있을 수 있다. 첫 번째로 중앙값(Median)을 들 수 있다. 중앙값이란 측정값을 모두 나열했을 때, 중앙에 위치하는 측정값을 말하고, 보통 Me로 나타낸다. 두 번째로 최빈값(Mode) 이 있다. 최빈값은 측정값의 빈도가 가장 많이 나타나는 측정치를 말하며, 보통 Mo로 표시한다. 셋째로 산술평균(Arithmetical Mean)이 있다. 산술평균이란 만약 측정값들이 x1 x2 x3 x4 … , xN 일때 [ S*xi ]/N으로 정의되는 값이다. 네 번째로 가중평균(Weight Mean)이 있다. 가중평균은 위의 세값에 비해 들어본 적이 적을 것이다. 가중평균이란 측정값이 경우에 따라서는 같은 측정값이 여러 번 반복되어 나타날 수 있는데, 이 때에는 빈도를 가중치로 택하여 평균값을 계산한다. 측정값들이 x1, x2, x3, … 고 빈도가 각각 f1, f2, f3 … 이라면 평균값은 아래와 같이 계산할 수 있다.
4.편차
먼저 상대오차라는 것을 알아보자. 상대오차는 오차의 절댓값을 참값으로 나눈 것이다. 큰 값과 작은 값이 같은 오차로 측정되었을 때 큰 쪽이 상대적으로 높은 정밀도를 가진다. 이와 같은 측정의 정밀도를 나타내기 위해서는 상대오차로 표시하는 것이 편리하다.
이제 편차를 알아보자. 측정을 할 때 참값을 알 수 없는 경우가 대부분이므로 평균값을 많이 쓴다. 따라서 편차란 측정값-평균값으로 정의된다. 이제 편차의 종류와 계산법을 찾아보자.
(1)평균편차
평균편차란 통계에서 자료의 평균과 각 변량 편차의 절댓값을 평균한 값으로, 정량적인 성질에 관한 집단의 불균일성을 나타내는 특성 값 중 하나이다.
(2)표준편차와 정밀도
측정값의 표준편차는 측정기구의 정밀도와 직접 관계가 있는 것으로 다음과 같다.
그러나 참값을 모르므로 오차를 계산할 수가 없다. 따라서 측정값으로부터 직접 표준편차를 구할 수 없으므로 오차와 편차 사이의 관계식을 이용해야한다. 이 때 관계식은 다음과 같다
N번 측정에 의한 표준편차의 최적어림은 위의 식에 제곱근을 한 것이다. 이것은 N번 측정할 때 임의의 한 측정값의 감도로 표준편차 또는 측정기구의 정밀도라고 한다.
◉여기서 궁금한 점이 있다. 왜 N으로 나누지 않고 N-1로 나누는 것일까? 그 이유는 통계학에서는 어떤 대푯값을 구할 때 그 불편성을 고려하는데, 이 때 불편성이란 표본통계량의 기대값이 모집단의 통계량과 일치하는 성질을 말한다. 자료수 그대로 N으로 나누어주게 되면 표본표준편차의 기대값이 모집단의 표준편차와 달라지게 된다. 그래서 자료의 수에서 1을 뺀 N-1로 나누어주는데 이렇게 하게 되면 표본표준편차의 기대값이 표준모집단의 표준편차와 같아지게 된다.
수식의 증명은 다음을 참고하면 된다.
표준오차
우리는 여러 번 측정한 값으로부터 하나의 대푯값을 세울 때 단일량의 경우 평균값을 최확치로 한다. 그러나 그 평균값이 얼마나 신뢰할 수 있는 정확한 값인가 어떻게 알 수 있을까? 우선 평균값의 표준편차 또는 표준오차의 정의로부터는 어려운 것인데, 우선 현 단계에서는 표준오차의 최적어림으로 다음과 같이 제시된 조정된 오차(sa)로 구할 수 있다는 것이다.
보통 일반통계에서 " 평균값 ± 조정된 표준오차 "로 써 놓은 것의 의미는 참값이 으로부터
사이에 존재할 확률이 68.3％라는 뜻이지만 물리학 실험에서는 다음과 같은 확률오차의 표현을 하는 것이 보통이다.
5.확률오차
확률오차란 어떤 값 보다 큰 오차와 작은 오차가 일어나는 확률이 같을 때 이 값을 확률오차(sp)라 정의하며 측정값의 신뢰도를 표시하는데 흔히 물리학 실험에서 쓴다. 이것은
이 되는 sp의 값인데 +sp와 -sp에서 y축, 즉 f(e)에 평행한 직선을 그으면 오차곡선과 x축 사이의 면적은 이등분되고 확률오차는 결과적으로 다음과 같이 된다.
6.오차의 전파
직육면체의 가로, 세로 및 높이를 각각 열 번씩 측정하여 그 부피를 구하는 실험을 생각해 보자. 이들 데이터를 이용하면 1,000개의 부피에 관한 데이터를 얻을 수 있고 이로부터 평균값과 표준편차를 구할 수 있다. 그러나 보다 합리적인 방법은 가로, 세로, 높이에 대한 각각의 평균값들을 먼저 구하고 이 평균값들을 곱하여 부피를 구하는 것이다.
이 경우에 문제점은 부피의 오차를 추정하는 것이다. 한 가지 분명한 점은 각 변의 길이의 오차 때문에 부피의 오차가 생긴다는 것이다. 따라서, 실제 측정상의 개별적 오차가 계산하고자 하는 물리량에 어느 정도 전파되는가를 알 필요가 있다.
구체적으로 어떤 물리량 z가 다른 물리량 x, y, … 의 z = f ( x, y, … ) 의 관계로 주어졌다고 하자, 그리고 x, y, … 의 측정으로부터
의 평균값과 σx ,~ σy , …의 표준편차들을 얻었다고 하자. 그러면 z의 평균값은
로 주어지며 z의 표준편차는 다음과 같다.
위의 식을 오차의 전파공식이라고 한다. 실제로 다음과 같은 경우들은 간단한 실험에서 자주 나타나므로 익숙해 두는 것이 좋다.
측정오차가 작을수록 더욱 정확한 값이라는 것은 분명하다. 그러나 제한된 시간에 주어진 측정 도구로 최대한의 좋은 결과를 얻으려면 결과적인 최종오차
가 최소가 되도록 x , y 등의 오차들을 상대적으로 최적화 되도록 실험을 계획하는 것이 중요하다. 유효숫자를 다룰 때 숫자의 가감승제에서 이러한 오차전파의 공식이 반영되어 있음을 알 수 있다. 그리고 공식 (4)와 (5)에서 보듯이 멱함수의 경우에는 지수가 클수록 전파되는 오차량도 커지는 것을 알 수 있으므로 특히 정밀하게 측정해야한다.
참조 : 포항공대 게시판 - http://sol.postech.ac.kr/Edulab/gen-phy/exp1/erroran.html
<실험 보고서>
▶버니어 캘리퍼스로 정육면체의 밀도구하기
정육면체의 질량 데이터(단위 kg)
|
회수 |
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
질량 |
10.5 |
10.4 |
10.3 |
10.2 |
10.2 |
10.7 |
10.5 |
10.1 |
10.4 |
10.3 |
10.4 |
가로의 길이 데이터(단위 cm)
|
회수 |
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
길이 |
5.31 |
5.24 |
5.33 |
5.27 |
5.28 |
5.30 |
5.31 |
5.25 |
5.26 |
5.26 |
5.28 |
표준편차 : 0.00899
세로의 길이 데이터(단위 cm)
|
회수 |
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
길이 |
5.322 |
5.265 |
5.352 |
5.273 |
5.288 |
5.301 |
5.298 |
5.256 |
5.268 |
5.311 |
5.293 |
표준편차 : 0.00890
높이의 길이 데이터(단위 cm)
|
회수 |
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
길이 |
5.31 |
5.26 |
5.31 |
5.29 |
5.27 |
5.30 |
5.31 |
5.25 |
5.27 |
5.29 |
5.29 |
표준편차 : 0.00666
이제 이 데이터들을 이용하여 부피를 구하여 보자. 부피를 구하면 질량이 있으므로 밀도를 구할 수 있게 된다.
부피 구하기
각각 1회 측정량씩 곱한다. (유효숫자는 3자리, 단위
)
|
회수 |
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
부피 |
150 |
145 |
151 |
147 |
147 |
148 |
149 |
144 |
146 |
147 |
147 |
이제 각 회수별 밀도를 구해보자.
밀도 구하기
각각 1회 측정량씩 나눈다. (유효숫자는 3개, E는 10의 제곱)
|
회수 |
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
밀도 |
7.00*E-08 |
7.17*E-08 |
6.82*E-08 |
6.94*E-08 |
6.94*E-08 |
7.23*E-08 |
7.05*E-08 |
7.01*E-08 |
7.12*E-08 |
7.01*E-08 |
7.03*E-08 |
|
편차^2 |
8.52*E-20 |
2.05*E-18 |
4.33*E-18 |
8.17*E-19 |
8.17*E-19 |
4.02*E-18 |
3.17*E-20 |
2.34*E-20 |
8.86*E-19 |
5.01*E-20 |
1.31*E-18 |
따라서 밀도는
(
)이 된다.
오차의 전파를 이용하여 구해보자.
위에서 말한
이 식에 의하면,
밀도는
이 나오게 된다.
이제 원기둥의 밀도를 구해보자. (위와 같은 방법으로)
질량의 데이터 (단위 g)
|
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
110.2 |
120.3 |
124.3 |
152.3 |
123.3 |
111.2 |
103.5 |
102.2 |
103.5 |
109.9 |
116.0 |
표준 편차 : 15.11
반지름의 길이 데이터1 (단위cm)
|
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
10.33 |
11.40 |
9.98 |
11.23 |
10.36 |
9.99 |
11.01 |
10.36 |
10.68 |
10.98 |
10.63 |
표준 편차 : 0.5044
반지름의 길이 데이터2 (단위cm)
|
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
10.25 |
10.36 |
10.28 |
10.98 |
11.99 |
12.34 |
9.97 |
10.24 |
12.34 |
10.55 |
10.93 |
표준 편차 : 0.9342
높이의 길이 데이터(단위cm)
|
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
15.65 |
16.57 |
17.77 |
18.95 |
14.22 |
15.26 |
15.34 |
16.22 |
17.25 |
18.39 |
16.56 |
표준 편차 : 1.513
부피의 데이터(단위cm3)
|
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
5203 |
6144 |
5724 |
7337 |
5546 |
5906 |
5287 |
5403 |
7138 |
6689 |
6038 |
이제 밀도를 구하여 보자.
밀도의 데이터 (단위 g/cm )
|
1회 |
2회 |
3회 |
4회 |
5회 |
6회 |
7회 |
8회 |
9회 |
10회 |
평균 |
|
0.02118 |
0.01958 |
0.02357 |
0.02076 |
0.02223 |
0.01883 |
0.019578 |
0.01892 |
0.01450 |
0.01643 |
0.01956 |
따라서 원기둥의 밀도는
(
) 이 된다.
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PID control
PID 제어기기의 일반적인 특징은 다음과 같다.
- PID 제어기는 구조가 간단하고 제어 성능이 우수하며, 제어이득 조정이 비교적 쉽기 때문에, 산업현장에서 80%이상을 차지할 정도로 많이 사용되고 있다. PID 제어는 비례제어, 적분제어, 마분제어를 단독으로 사용하거나 혹은 두가지 이상을 결합한 형태로 사용한다.
- 비례(P) 제어는 PID 제어기에서 반드시 사용하는 자장 기본적인 제어이며 구현하기 쉽다. 그러나, 비례제어 만으로는 플렌트에 적분기가 없을 경우에 정상상태 오차가 발생하기 쉽다.
- 적분(I) 제어는 주로 정상상태 오차를 없애기 위해 사용된다. 그러나, 적분 이득을 잘못 조정하면 과도한 오버슈트가 발생하거나 시스템이 불안해 진다.
- 미분(D) 제어는 잘 활용하면 안정성에 기인하고, 예측 기능이 있어 응답속도를 조절 할 수 있다. 하지만 시스템ㅇ 잡음 성분이 있을 때, 미분 값이 커지게 되어 제어 입력에 나쁜 영향을 미치는 단점이 나타난다.
- PID 제어기의 계수들은 근궤적 기법, 주파수 응답기법, 분석적 방법 등을 사용하여 설계할 수 있다.
- PID 제어기에 구동기를 연결하여 사용할 때, 구동기의 포화특성이 있으면 적분누적 integrator windup 현상이 생겨 불안정하게 되는데, 이를 막기 위하여 누적 방지 anti-windup 기법을 사용하여야 한다.
- PID 제어기의 형태는 병렬형이 기본형이지만, 실재로 구현할 때에는 필요에 따라 직렬형으로 하거나 미분기 필터를 부착하는 등 여러가지로 변형되어 쓰인다.
-
PID 계수들을 자동적으로 조정하는 것을 auto-tunning 이라 하며, 산업계에서 많이 필요로 하고 있다. 대표적인 방법으로는 Ziegler-Nichols 동조법, Relay 동조법 등이 있으며, 이 방법들은 제어대상 시스템의 모델을 사용하지 않고 간단한 동조 과정을 거쳐 PID 계수를 결정한다.
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PID
화면 캡처: 2013-12-13 오전 10:47
상태 제어가능성 state controllability
출력 제어가능성 output controllability
관측가능성 observability
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자동제어 용어(일반)/ KS A 3008
자동제어 용어
제어 control:
어떤 목적에 적합하도록 대상이 되어 있는 것에 필요한 조작을 가하는 것
자동 제어 automatic control
제어 장치에 있어서 자동적으로 행해지는 제어
피드백 제어 feedback control
피드백에 의하여 제어량을 목표값과 비교하여 그들을 일치 시킬 수 있도록 정정 동작을 행하는 제어
[비고] 피드백이란 폐루프를 형성하여 출력측의 신호를 입력측의 신호로 되돌리는 것을 말한다.
피드 포워드 제어 feed forward control
외란의 정보에 의해서 그 영향이 제어계에 나타나기 전에 정정 동작을 행하는 제어
시퀀스 제어 sequential control, sequence control
미리 정해놓은 순서에 따라 제어의 각 단계를 차례차례 진행시키는 제어
[비고] sequence control 은 다음 단계에서 행할 제어 동작이 미리 결정되어 있어, 앞 단계에서의 제어 동작을 끝낸 직후 또는 동작 후 일정 시간이 경과된 후에 다음 동작으로 이해하는 경우와, 제어 결과에 따라서 다음에 행할 동작을 선정하여 다음 단계에 이행하는 경우 등이 조합되어 있는 것이 많다.
정치 제어 set point control
목표값이 일정한 제어
추종 제어 tracking control
목표값이 변화하는 제어
프로그램 제어 program control
목표값이 미리 정해놓은 대로 변화하는 제어
[비고] 프로그램 제어의 보기로는 온도를 시간에 따라 경과하는 열처리로, 어닐링로 등의 제어가 있다. 넓은 의미의 프로그램 제어에서는 목표값의 변화에 관계없이 제어의 순서 등을 지정하는 수도 있다.
비율 제어 ratio control
두 개 이상의 양 사이에 어떤 비례 관계를 가지는 제어
캐스케이드 제어 cascade control
피드백 제어에 있어서 1개 제어 장치의 출력 신호에 의거, 다른 제어 장치의 목표값을 변화 시키는 제어
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모터 소음
화면 캡처: 2013-09-23 오전 11:08
- Inverter를 쓰다보면 Motor에서 전기적 소음이 발생하는 경우가 있습니다.
전화로 문의를 해본결과 캐리어 주파수를 조정하면 소음을 제거할수 있다는
답을 얻어 그렇게 실행을 해본 결과 전기적 소음이 제거 되었습니다. 대충 캐
리어 주파수의 개념은 알고 있는데 Inverter에서 캐리어 주파수가 어떤일을
하는지 도통 이해가 가지 않아 이렇게 Mail를 보냅니다. Mail을 확인해보시
구 답을 주셨으면 합니다. -
안녕하세요? LG산전입니다.
캐리어주파수는 다른 말로 스위칭주파수라고도 합니다.
인버터는 크게 나눠서 교류를 직류로 바꾸는 컨버터부와 직류를 평활하는 콘덴서부, 직류를 다시 교류로 바꾸는 인버터부로 구분합니다. 캐리어주파수는 인버터부에서 iGBT소자를 이용해서 On/Off 스위칭하는 속도를 의미합니다. On/Off 속동가 캐리어주파수라는 의미입니다. 캐리어주파수가 높으면 출력전류의 파형이 거의 정현파에 가깝게 됩니다. 그런 원리로 모터에서 발생하는 소음이 줄어드는 대신 스위칭시 발생하는 노이즈 성분은 증가를 하게 되서 노이즈에 민감한 주변기기가 있다면 대책을 강구해야 합니다.
감사합니다.화면 캡처: 2013-09-23 오전 11:22
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3. 디지털 회로(p92) 참고사이트 : http://web.edunet4u.net/~jaehyunk/ch3-1.htm
|
■ 불 대수 (boolean algebra) 란 ? |
어떤 명제가 참(true)인가, 거짓(false)인가를 논의하는 것으로
논리 값이 참일 때에 "1", 거짓일 때에 "0" 을 대응시킨다. |
(가) 불 대수를 이용한 논리 연산의 결과는 1또는 0으로 표현.
① 1일 경우 : 논리의 참, 스위치의 ON, 신호의 유 등의 상태
② 0일 경우 : 논리의 거짓, 스위치의 OFF, 신호의 무 등의 상태
(나) 불 대수는 논리 회로를 다루는 데 편리한 도구로 이용되고 있으며, 통신 분야 및 컴퓨터의 논리회로 설계 분야 등에 널리 이용되고 있다.
(다) 불 대수에서 취급하는 기본적인 연산
▶ 논리곱(AND)
▶ 논리합(OR)
▶ 논리 부정 (NOT) 등.
(라) 불 함수 : 불 대수에 의하여 표현된 식. 불 함수는 불 변수와 기본 연산인 논리곱, 논리합, 논리 부정으로 표현한 식으로, 불 대수를 논리 대수라고 하듯이 불 함수를 논리 함수 또는 논리식이라 고 한다.
※ 불 대수의 기본 연산
|
|
(가) 논리곱 : 두 가지 조건이 연속될 때 앞의 것도 참이고, 다음 것도 참 이어야 한다는 논리.
| ||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
(나) 논리합 : 두 가지 조건의 명제에서 둘 중 하나만 만족해도 되는 경우.
| ||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
(다) 논리 부정 : 현재의 명제를 부정하는 것으로, 현재의 조건이 참인 경우 결과는 거짓이 된다.
| ||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
(라) 배타적 논리합 : 두 개의 명제가 반대되는 조건으로 논리합의 형태를 취하여
와 같은 논리 관 계를 배타적 논리합 (exclusive OR)라 한다.
|
※ 불 대수의 기본법칙
(가) 불 대수의 공리 : 1과 0의 두 가지만 존재함으로써 1이 아닌 것은 당연히 0이 된다. 이와 같이, 증명할 필요가 없는 기본적인 식을 공리라 한다.
(나) 불 대수의 기본 정리 : 불 대수의 특성에 의하여 어떤 변수는 두 가지 중 하나만 기억할 수 있으므로, 특정 조건에서의 결과가 이미 정해진 것과 같은 것을 기본 정리라 한다.
(다) 교환 정리 : 불 대수식에서 연산 순서를 바꾸어도 결과가 동일하게 되는 것을 말함
예) A + B = B + A, A B = B A
(라) 결합 정리 : 괄호 내에서 먼저 결합된 것을 순서를 바꾸어 괄호 바깥의 것과 먼저 결합하여도 결과가 같게 되는 것.
예) A + ( B + C ) = (A + B) + C, A ( B C ) = ( A B ) C
(마) 분배 정리 : 괄호로 동일한 연산을 묶은 것은 괄호 바깥의 요소가 내부의 요소에 공통적으로 할당되므로, 개별적으로 할당한 것을 괄호 내부의 연산으로 수행하여도 결과가 같게 되는 정리.
예) A ( B + C) = AB + AC, A + ( B C ) = (A + B)(A + C)
<증명> (A + B)(A+C) = AA + AC + BA + BC = A + AC + AB + BC = A(1+C+B) + BC = A + BC
(바) 부정 정리 : 현재의 명제를 부정하는 것이므로, 부정을 다시 부정하면 긍정이 된다.
(사) 드 모르간(De Morgan)의 정리 : 두 개 이상의 변수가 함께 부정으로 묶여 있을 때 이들을 개별적으로 분리하는 경우와 이것과 반대되는 경우에 대한 정리이다.
(1) 기본 논리 게이트
1) AND 게이트
|
|
2개 이상의 스위치가 있는 회로에서, 모든 스위치가 ON일 때 출력이 ON이 되고, 어느 하나의 스위치 또는 모든 스위치가 OFF일 때 출력이 OFF되는 회로를 논리곱 회로(AND gate)라 한다.
진리표의 입·출력을 식으로 정리하면 아래의 불 대수식과 같다
불 대수식 : Y = A · B (Y=A AND B라 읽는다) |
2) OR 게이트
|
|
2개 이상의 스위치가 있는 회로에서 모든 스위치가 OFF일 때 OFF되고, 어느 하나의 스위치 또는 모든 스위치가 ON이 될 때 ON되는 회로를 논리합 회로(OR gate)라 한다.
진리표의 입·출력을 식으로 정리하면 아래의 불 대수식과 같다
불 대수식 : Y = A + B (Y=A OR B라 읽는다) |
3) 인버터(inverter)
|
|
입력 A가 1일 경우에 출력이 0이 되고, 입력 A가 0이 될 때 출력이 1이 되는 회로이다. 즉, 입력과 출력이 서로 반대로 동작하는 회로를 논리 부정(NOT) 회로라 한다.
(Y = NOT A라 읽는다) |
4) NAND 게이트
|
|
논리곱 부정 회로(NAND gate)란 회로의 왼쪽 부분은 AND gate로 구성되어 있고, 회로의 오른쪽 부분은 NOT gate로 구성되어 있는 회로로서, 그 동작상태를 살펴보면 AND gate와 정반대로 동작함을 알 수 있다. 즉, 회로의 왼쪽부분은 AND Gate와 같고, 오른쪽 부분은 NOT Gate와 같다. NAND Gate는 아래 그림과 같이 AND Gate와 NOT Gate를 연결해 놓은 것이라 생각하면 된다.
NAND gate 논리기호로는 그림과 같이 NOT gate의 논리기호 중 삼각형 부분을 떼어내고 원 부분만 AND gate에 붙여놓은 형태의 그림을 사용한다. |
5) NOR 게이트
|
|
논리합 부정 회로(NOR gate)란 회로의 왼쪽 부분은 OR gate로 구성되어 있고, 회로의 오른쪽 부분은 NOT gate로 구성되어 있는 회로로서, 그 동작상태를 살펴보면 OR gate와 정반대로 동작함을 알 수 있다. 즉, 회로의 왼쪽부분은 OR Gate와 같고, 오른쪽 부분은 NOT Gate와 같다. 즉 NOR Gate는 아래 그림과 같이 OR Gate와 NOT Gate를 연결해 놓은 것이라 생각하면 된다.
NOR gate 논리기호는 NAND gate와 마찬가지로 NOT gate의 원 부분만 OR gate에 붙여 놓은 형태의 그림을 사용한다. |
6) XOR 게이트
|
|
두 개의 입력이 같을 때(모두 ON(1)이거나 OFF(0)) 0이 되고, 두 입력이 다를 때(하나가 ON(1)이면 다른 하나는 OFF(0)) 1이 되는 회로는 배타적 논리합(EOR) 회로라 한다.
즉, 출력 Y중 1이 되는 입력 A와 B의 상태를 논리식으로 적용하면 된다. 즉, A값이 0일 경우에는
로 표현하고, A값이 1일 경우에는 A로 표현한다. B의 경우에도 A와 동일한 방법을 적용하여 위 진리표의 출력 Y에 대한 논리식을 구성하면 아래와 같다
|
7) XNOR 게이트
두 개의 입력이 같을 때(모두 ON(1)이거나 OFF(0)) 1이 되고, 두 입력이 다를 때(하나가 ON(1)이면 다른 하나는 OFF(0)) 0이 되는 회로이며, XOR 게이트와 반대의 성격을 띤다.
p95 그림 2-54 참조
(2) 기본 논리회로
1) 가산기 회로
가) 반 가산기
반 가산기(HA: half adder)는 사칙 연산을 수행하는 기본 회로이며, 2진수 한 자리를 나타내는 두 개의
수를 입력하여 합(Sum)과 자리올림 수(Carry)를 구해 주는 덧셈 회로로서, 컴퓨터 내부에서 가장 기본
적인 계산을 수행하는 회로이다.
회로 동작상태를 보면 EOR gate와 동일한 연산동작을 수행하므로, 합에 대한 논리회로는 일반적으로
아래 그림의 (a)와 같이 EOR gate를 이용하여 구성하고, 그림 (b)는 반 가산기에 대한 논리기호이다.
1 자리의 2진수 2개를 연산할 때, 입력되는 변수를 A와 B라 하고, 계산 결과의 합(sum)을 S, 자리
올림(carry)을 C라 하면 진리표는 아래 표와 같다.
나) 전 가산기
전 가산기( FA : full adder) 는 3개의 비트를 더하는 논리회호 (자리올림수 carry 까지 덧샘해줌)
|
|
|
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2. 전자회로의 기초
( 1 ) 정류회로
1) 정류 회로의 구성
① 정류회로 : 교류로부터 직류를 얻어내는 회로
▶ 평활회로 : 완전한 직류를 얻기위해 사용된다.
▶ 정전압안정회로 : 출력 전압을 정해진 전압으로 일정하게 유지해줌
|
V : 무 부하 경우의 출력전압 Vo : 전부하 경우의 출력전압 |
|
|
[1] 반파 정류 회로
|
|
● 다이오드 등의 정류 소자를사용하여 교류의 (+) 의 반 사이클만 전류(id)를 흘려서 부하에 직류를 흘리 도록 한 회로.
● 반파정류효율
rf = 다이오드 순방향 저항값 무 부하 RL = ∞ 일 때 정류효율은 = 40.6 [%] ● 반파정류회로의 맥동율 = 1.21 |
[2] 전파 정류 회로
|
|
● 다이오드를 사용하여 교류의 +, - 어느 반 사이클에 대해서도 정류를 하고, 부하에 직류 전류를 흘리도록 한 회로. ● 중간 탭이 있는 트랜스 필요 ● 입력전압 (+) 반주기 = D1은 통전, D2는 OFF (-) 반주기 = D2은 통전, D1는 OFF ● 맥동율 = 0.482 ● 정류효율 => η = 81.2 [%] |
[3] 브리지 정류 회로
|
|
● 전파 정류 회로의 일종으로, 다이오 드 4개를 브리지 모양으로 접속하여 정류하는 회로. 중간 탭이 있는 트랜 스를 사용하지 않아도 되나 많은 다 이오드가 필요하다.
● 처음(+) 반주기 동안 = D1, D3 동작 D2, D4 OFF
● 다음(-) 반주기 동안 = D2, D4 동작 D1, D3 OFF ● 가장많이 사용되는 방식 |
⑤ 배전압 정류 회로 :
|
|
■ 반파 배전압 정류회로 ● 처음 (-) 반주기 D1, D2 도통 C1과 C2에 충전 = Em 다음 (+) 반주기 D1 OFF 되어 C1에 충전된 전압 D2로 방전하면서 이미 Em 전압만큼 충전된 C2에 Em이 가해져 충전되면서 2Em이 된다. |
|
|
■ 전파 배전압 정류회로 ● 처음 (+) 반주기 D1도통, D2 OFF C1에 충전 = Em 다 음 (-) 반주기 D1 OFF, D2 ON 되어 C2에 충전 = Em RL 위치에서보면 C1과 C2의 충전전압인 2Em이 항상 걸리게 된다. |
(2) 증폭회로 참고사이트 : http://211.34.67.4/~choys/elec/3-1-1.htm
|
|
● 전기적 입력 신호의 전압, 전류 또는 전력을 이것 보다 큰 출력 신호로 변화시키는 장치 (일종의 에너지 변환기) ● 변압기는 입력보다 큰 출력을 얻을 수 있으나 에너지의 증폭은 될 수 없으므로 증폭 회로라 할 수 없다. |
[1] 저주파 증폭회로
|
|
● 저주파 증폭회로는 음성, 음악 등의 가청주파수인 전기 신호 를 증폭하는 회로 ● C1, Co, Ce 는 입력 신호의 최저 주파수에 대해서 낮은 임피던 스를 가지는 수십[uF] 이상의 콘덴서를 사용할 필요가 있다 ● Re는 회로의 안정도를 높이기 위한 저항 : 온도 상승에 의한 열 파괴를 방지할 수 있다 <온도가 상승하여 전류가 증가하면 이미터 전위가 높아지고 베이스-이미터간 전압이 떨어져 역으로 컬렉터 전류감소> |
[2] 고주파 증폭회로
|
|
● 고주파 증폭회로는 수백[kHz]~수십[kHz] 정도의 주파수인 전기신호를 증폭하는 회로 ● 입출력회로는 LC동조회로를 사용하여 필요한 주파수만을 증폭한다 ● CN 및 RM은 출력측으로부터의 정궤환에 의한 발진을 막기 위한 중화회로이다 ● CT와 LT중 어느것을 가변소자로 치환함으로써 동조주파수 를 변화한다. |
[3] 전력 증폭회로
|
|
● 스피커를 통해 음(소리)로 변환시키기 위 한 전기에너지 증폭을 말함 ● 전력증폭회로는 보통 푸시풀(push pull) 회로가 많이 이용되며 싱글엔디드 (singe ended type)형과 더블엔디드 (double ended type)형이 있다 ● 싱글엔디드형 푸시풀 회로는 출력측에 트 랜지스터가 필요없기 때문에 최근에 각종 전력 증폭회로에 많이 사용한다. ● 증폭의 종류는 A급, AB급, B급, C급 으로 나눈다 A급 : 효율은 낮으나 왜형은 적다 B급 : 효율은 좋으나 왜형이 크다 AB급 : 많이 사용 C급 : 고주파 증폭에 사용 : 효율이 대단히 높다 |
[3] 연산증폭회로 ( OP AMP : operation amplifier )
▶ 기본적인 아날로그 컴퓨터에서 연산을 수행하기 위하여 사용되는 기본소자
▶ 높은 이득을 가지는 고성능 직류증폭기
|
비 반 전 증 폭 기 |
|
● 입력신호가 OP AMP의 비반전(+) 입력 단자에 입력이 가해짐 |
|
반 전 증 폭 기 |
|
● 입력신호가 OP AMP의 반전(-) 입력단 자에 입력이 가해짐 |
▶ 각종 제어회로에서 신호의 증폭, 반전, 가산, 감산 등의 연산을 수행하여 실행한다.
▶ 트랜지스터와 저항들의 집합체
▶ 입력신호의 시간적 변화에 비례하여 출력이 얻어지는 미분회로와 적분회로에 등에 사용
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| 전자소자와 전자회로의 기초 (0) | 2016.06.27 |
전자소자와 전자회로의 기초
Ⅱ. 전자소자와 전자회로이 기초 ☞전기일반목차
1. 전자소자
(1)다이오드
[1]반도체
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▷ 도체 : 저항값이 "0"에 가깝다 -> 금속 ▷ 반도체 : 저항값이 도체와 반도체 중간 ->Ge, Si ▷ 부도체 : 저항값이 수십 ㏁ 이상 ->종이, 운모
(가) 진성반도체 : 일반적으로 외각 전자가 4개인 순수한 반도체 ▶ 불순물 반도체 ( p형과 n형 반도체를 말함) 진성반도체(가전자 4개)에 가전자가 3개 또는 5개 인 원자를 섞어서 만듬 ▶ 공유결합 : 원자들이 서로 균형있게 결합된 상태 (전자서로 공유)
(나) 자유전자 : 전자가 공유결합에서 벗어난 전자 (전류의 흐름은 자유전자에 의해서 이루어짐) ▶정공 : 전자가 이탈한 자리 |
[2] n형 반도체와 p형 반도체
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(가) n형 반도체 : negative
(나) p형 반도체 : positive
(다) 다수 반송자와 소수 반송자 반송자(carrier) : 전하를 운반하는 전자나 정공
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[3] 도너(doner)와 억셉터(acceptor)
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1)도너 : n형 반도체를 만드는 5가의 불순물 원자 다수 반송자인 전자를 만든다(인, 비소, 안티몬) 2)억셉터 : p형 반도체를 만드는 3가의 불순물 원자 다수 반송자인 전공를 만든다(붕소, 알루미늄, 인듐) |
[4] p형 및 n형 반도체의 접합
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-그림과 같이 n형과 p형 반도체를 접합시킨다 (기계적 접합이 아니고 화학적 접 합) -접합면에서 전자와 정공이 상대방 층으로 확산하여 공핍층을 형성 하게 된다. -공핍층에는 전자와 정공이 존재하 지 않으며, Vd의 확산전위차가 생 기게 된다 -공핍층을 콘덴서와 같은 용량의 기 능을 가진다고 볼 수 있으며, 이것을 장벽용량 혹은 공간 전하 층이라고 한다 -응용 : 다이오드와 트랜지스터를 만 드는 기본이다. |
[5] pn 접합에 전압을 가한 경우
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(가) 순방향 특성 -n형 반도체에 (-)전압, p형 반도체에 (+)전압을 가 한상 태-->공핍층이 사라지고 전류흐름(순방 향 전류) --> 스위치 ON 상태 -순방향 전류 : 전자와 정공의 확산의 원리로 흐름
(나) 역방향 특성 -n형 반도체에 (+)전압, p형 반도체에 (-)전압을 가 한 상태--> Vd 확산전위차 강화 (공핍층 확대) -->전 자와 정공 이동 없음-->스위치 OFF상태 -누설전류 : 역전압을 걸어도 진성반도체에 의한 극 소 수의 전자와 정공에 의해 흐르는 전류 |
[6] 다이오드의 전기적 특성
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-그래프 중요-->순방향 쪽에서 순방 향 특성에 의 해서 전류 급격히 증 가 -->스위치 on 상태 -역방향 특성에 의해 역방향쪽 전 류 흐르지 못함 off |
[7] 특수 다이오드
(가)제너다이오드 (Zener Diode)
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-불순물농도가 높다-공핍층이 좁다 -역전압인가-->Vz에서 전류급격히 증가(제너현상) -->제너전압 -정전압다이오드 : Vz에서 전류의 변화에 따라 전압이 일정 하다. |
(나)가변용량 다이오드 (Variable capacitance diode)
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-역방향 전압이 가해진 pn접합 -->콘덴서(정전용 량) 기능 을 가짐--> 에 비례 -역방향 직류전압으로 정전용량 변화시킴 -용도 : FM 수신기, TV수신기의 국부발진기 LC발진기의 C값 가변시킴 |
(다) 터널다이오스(tunnel diode)
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-불순물 농도 매우 크게-->공핍층(공간전하영 역)이 좁다. -부성저항 특성-그래프에서 ⓐⓑⓒ로 변화 하는 과정 -용도 : 극초단파 발진기, 고속스위칭 회로 |
(라)발광다이오드 (LED light emitting diode)
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-순방향 전압인가-->발광 -특징 : 수명이 길다, 소비전력이 적다, 응답속도가 빠르다, 여러 가지 색 을 얻을 수 있다. -용도 : 각종조명기구, 자동차 디지털계기 표시장치 |
(2) 트랜지스터 (transistor)
[1]트랜지스터의 구성과 동작
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[2]트랜지스터 동작
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1) 전원연결 -켈렉터 단자 +5∼100 [V] 이미터기준 -베이스 단자에 (-) 전압 -컬렉터 접합 -->역방향 전압 -이미터 접합 -->순방향 전압 2) 베이스층 -다수반송자(정공)을 적게한다(npn형 기준) -폭을 매우좁게 만듬 3) 작용 이미터전자->순방향전압에 의해-> 베이스 로 확산 ->베이스에는 정공이 적어->베 이스로 확산된 전자가 ->컬렉터 접합에 도 착->컬렉터에 걸린 강한 역 전압에 의해 전 자는 컬렉터 쪽으로 급격히 이동-> 큰 전류 흐름 4) 베이스 전류 : 베이스 영역에 유입된 전자에 의해 정공과 재결합이 부분적으로 일어나므 로 약간의 전류흐름 |
[3] 회로소자에서의 트랜지스터 동작
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-베이스 IB 전류(수도밸브) -->Ic 전류제어 (물) -작용 : 증폭, 발진, 변조, 검파 |
[4]트랜지스터의 증폭작용
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α: 베이스 공통 전류증폭율 ( 0.99 ) β: 이미터 공통 전류증폭율 ( 100 ) 500∼1000 ICBO : 컬렉터 접합의 누설전류 IE : 이미터 전류 IC =αIE + ICBO IE = IE + IC 위 두식에서 ▶ IC = β·IB -(β+1) ICBO |
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※ α를 "0.99"로하면 β는100이 되고 α가 "1"에 가까울 수록β는 커지며 β가 500∼1000에 달하는 트랜지스터도 있다. [5]트랜지스터의 전기회로적 특성 -트랜지스터의 표준동작(직류동작) ① 컬렉터 전압 3∼100 [V]=>역방향 전압인가 ② 이미터 전압 1∼2 [V]=>순방향 전압인가 IC =αIE ==>α = 0.99-- IC = β·IB ==>β=50∼500 -교류동작 ic, ie, ib ==>직류동작과 같이 α,β 관계가 이루어 진다.
● 아래 표에서 각 회로별로 전류증폭율 및 임피던스, 용도를 잘 알아두자 |
◎트랜지스터의 형명 표시법
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①의 숫자 : 반도체의 접합면수 (0 : 광트랜지스터, 광다이오드, 1 : 각종 다이오드, 정류기, 2 : 트랜지스터, 전기장 효과 트랜지스터, 사이리스터, 단접합 트랜지스터, 3 : 전기장 효과 트랜지스터로 게이트가 2개 나온 것). S는 반도체(Semiconductor)의 머리 문자. ②의 문자 : A,B,C,D 등 9개의 문자 (A : pnp형의 고주파용, B : pnp형의 저주파형, C : npn형의 고주파형, D : npn형의 저주파용, F : pnpn사이리스터, G : npnp 사이리스터, H : 단접합 트랜지스터, J : p채널 전기장 효과 트랜지스터, K : n채널 전기장 효과 트랜지스터) ③의 숫자 : 등록 순서에 따른 번호. 11부터 시작. ④의 문자 : 보통은 붙지 않으나, 특히 개량품이 생길 경우에 A, B, …, J까지의 알파벳 문자를 붙여 개량 부품임을 나타냄. 예) 2SC316A → npn형의 개량형 고주파용 트랜지스터 |
[6]트랜지스터의 종류
가)전계효과 트랜지스터 (FET field effect transistor)
1) 작용 : 전기장에 의한 전류제어 -->게이트 전압에 의해 -->증폭작용을 한다.
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기호 |
p 채널 |
n 채널 |
극성 |
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접합형 |
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D : 드레인 S : 소 스 G : 게이트 |
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MOS형 |
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나) 단일접합 트랜지스터 UJT(unijunction transistor)
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-더블베이스 다이오드 -부성저항 특성이 있다 -용도 : 저주파 및 중간주파 범위 스위칭 소자 SCR게이트 펄스용 트리거 소자 |
(3) 사리스터 thyristor
- pnpn 4층구조의 반도체
- 실리콘 제어 정류기
< SCR : silicon controlled rectifier >
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[1] 동작원리
1) 구조 A : 양극 ( 애노드 anode ) K : 음극 ( 캐소드 cathode ) G : 게이트 gate |
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2) 작용 - J1, J3에 순방향 전압 , J2에 역방향 전압(공핍층 증가) - 게이트에 (+)전압 인가 --> A-K 도통 (VBO 전압에서) 그림그래프 참조 -->통전상태 -->턴 온 (Turn-ON)=점호
3) VBO = 브레이크 오버 전압 4) 브레이크 오버에 이르기까지 상태 : 순방향 저지 5) 통전시 사리스터 전압강하 1∼2 [V] 6) 통전상태 유지 -게이트 전류와 무관 -A-K사이 전류 수십[mA]이상 순방향이면 유지 7) 턴 오프(Turn-Off) : 소호 -A-K사이 전류 수십[mA]이하로 떨어지면 off -A-K사이 순간적인 역전압 인가 8) 특성 -소형이며, 경량이다 -고속동작, 제어가 용이, 9) 용도 -개폐장치 (작은 전압으로 큰 전압 제어) -전력변환 소자 -교류출력제어 |
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[3] 다이액소자 (Diac)
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1) 구조 : SCR을 2개 역병렬로 접속한 형태 2) 작용 - SCR-->순방향으로 작용 - 다이액--> 양방향으로 작용 ==>교류제어 - T1, T2 양방향에서 통전시킬 수 있음 3) 용도 -과전압 보호용 -트리거 소자 |
[4] 트라이액 (Triac triode Ac switch)
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1) 구조 - 5층의 쌍방향성 소자 - SCR을 역병렬로 접속하고 게이트 만듬 2) 특징 - 주 전류 양방향으로 흐름 - 게이트 전류 양, 음 어는 전류에도 트리거 됨 - 교류전력 제어에 편리 3) 용도 -중, 소 교류전력 제어 -위상 제어 - ON/OFF 제어 |
(4) 집적 회로(P80)
집적회로(IC)는 다이오드, 트랜지스터, 저항기, 콘덴서 등이 연결된 회로를 하나의 칩으로 구성한 한 개의 칩 안에
능동소자와 수동소자를 조합, 전자회로를 구성한 것이다.
※ IC의 장점
① 초소형화 및 경량화
② 신뢰성과 경제성 향상
③ 고속화
④ 기능의 단위 부품화
⑤ 사용의 편리함
1) IC의 종류
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명 칭 |
소 자 수 |
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소규모 집적회로(SSI) |
100개 정도 |
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중규모 집적회로(MSI) |
100∼1,000개 정도 |
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대규모 집적회로(LSI) |
10,000개 정도 |
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초대규모 집적회로(VLSI) |
100,000개 정도 |
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디지털 IC |
논리용 IC |
바이폴라 IC |
TTL IC 등 |
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MOS IC |
CMOS IC, PMOS IC 등 |
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메모리 기억용 IC |
ROM, RAM |
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가) ROM(read only memory)
전원이 차단되어도 기억 내용을 유지하는 IC 이며, 그 내용을 변화시킬 수 없다.
mask ROM, PROM, EPROM 등이 있다.
나) RAM(read available memory)
전원이 차단되면 기억 내용이 모두 지워지는 IC 이며, 데이터를 비순차적으로 읽고 쓸 수 있다.
SRAM과 DRAM 이 있다.
▶ DRAM의 특징 : 회로가 간단하여 전력 소모가 적고, 작동 속도가 빠르며, 집적도가 높고,
가격이 저렴하여 대용량 기억장치에 주로 쓰인다.
2) IC의 특징
① 소형의 가벼운 전자기기를 만들 수 있다.
② 신뢰성이 높다.
③ 비용이 저렴하다.
④ 회로가 간단하게 된다.
⑤ 신호전달이 신속하다.
(5) 그 밖의 소자
1) 진공관 (p83 그림 참조) : 진공 중에서 전자의 운동을 이용하는 장치
* 음극(cathode; K) : 전자 방출
* 양극(plate; P) : 전자를 모음
* 그리드(gride; G) : 전자의 이동을 제어함
* 히터(heater; H) : 음극을 가열
▶ 2극관과 3극관이 있으며 2극관은 정류작용을 하며 3극관은 증폭작용을 한다.
▶ 3극 진공관의 문제점을 보완하여 제2그리드(스크린 그리드), 제3그리드(서프레서그리드)를 추가하여
5극관으로 만들어 사용한다.
▶ 각 그리드 작용 : 그림참조
▶ 5극 진공관 작용 : 증폭, 발진, 변조, 검파 작용을 한다
2) 광전지 소자(p83 그림 참조)
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▶ p형과 n형의 접합면에 빛을 쬐면 가전자와 정공이 분리되며 이들 숫자가 서로 달라 전위차가 생겨서 전원을 얻게된다(광전지)
▶ 종류 : pn접합형 광전지, 셀렌 광전지, 점접촉형 광전지, 태양전지 |
3) 포토 트랜지스터(p83 참조)
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▶ npn 광 트랜지스터는 베이스는 투명한 창이며 이미터와 컬렉터 단자가 있다. 투명한 창(베이스)으로 빛이 들어오면 컬렉터와 이미터 사이에 큰 전류가 흐르게 된다. 빛의 양에 따라 전류의 흐름을 제어할 수 있다.(빛의 양이 많아지면 전류의 흐름도 커진다)
▶ 광감도 : 셀렌 광전지의 300~1000배 (즉 빛에 민감하게 작용한 다) ▶ 용도 : 광전변환소자 (빛의 에너지를 전기에너지로변환 ) = TV 촬영 카메라 |
4) 열전 소자(p84 참조)
펠티어 효과(peltier effect) 와 제베크효과 (Seebeck effect)를 이용한 소자
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펠티어 효과 |
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▶ 금속, 반도체를 접속한 두 점사이에 폐로 를 구성. 전류를 흘리면 한쪽은 열을 발 생하고, 다른 쪽은 열을 흡수하는 현상. ▶ 용도 : 전자냉각 |
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제베크효과 |
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▶ 2종의 금속 또는 반도체를 폐로가 되게 접속하고, 접속한 2점 사이에 온도차를 주면 기전력이 발생하여 전류를 흘리는 현상 ▶ 용도 : 100 ℃로 하면, 4.24 mV의 기전력 이 생김 : 열전발전이 연구되고 있음 |
5) 서미스터(p84 참조)
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▶ 일반적인 금속과는 달리, 온도가 높아지면 저항값이 감소하는 부저항온도계수(負抵抗溫度係數)의 특성을 가지고 있는데 이것을 NTC(negative temperature coefficient thermistor)라 한다. 구조적으로 직열형(直熱形) ·방열형(傍熱形) ·지연형(遲延形)으로 분류되는데, 외형은 깨알만한 것에서부터 동전 크기만한 것까지 여러 종류가 있다. ▶ 재료 : 코발트, 니켈, 망간, 철, 구리, 티탄의 합금 ▶ 용도 : 체온계 ·온도계 ·습도계 ·기압계 ·풍속계 ·마이크로파전력계 등의 측정용이나 통신장치의 온도에 의한 특성변화의 보상, 통신회선의 자동이득조정 등 이용분야는 넓다. |
6) 배리스터(p84 참조)
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▶ 양 끝에 가해지는 전압에 의해서 저항값이 변하는 비선형(非線形) 반도체 저항소자. 전압이 상승하면 저항값도 증가하여 전류의 흐름을 저지한다. ▶배리어블 레지스터(variable resistor)의 약칭이다. 가해지는 전압의 극성에 관계없이, 전압의 크기만에 의해 저항이 정해지는 대칭형 배리스터와, 가해지는 전압의 극성에 의해서 달라지는 비대칭형 배리스터가 있다. ▶재료 :비대칭형 배리스터는 셀렌 ·게르마늄 ·실리콘 등의 반도체다이오드가 유용되며, 또 대칭형에는 실리콘카바이드나 비대칭형을 2개 조합해서 사용한다. ▶용도 : 전기접점(電氣接點)의 불꽃을 소거하거나 반도체 정류기 ·트랜지스터 등의 서지전압(surge voltage)으로부터의 보호에 사용한다. |
