마침 그 여성도 뭔가 feel이 통해서 동시에 돌아보는 바람에 두 사람은 눈빛을 마주쳤습니다!
헐~ 웬 3류 드라마?
실제로 살다보면 그럴 수도 있겠지요. 뭔가 통하는 느낌이란게 있으니까요.
여러분들도 실제로 살면서 누군가와 강하게 교감을 느낀 적이 있으실 것입니다.
소위 공명(共鳴 : 같이 울림)한다고 하지요.
원래 공명은 소리 진동에서 사용하는 개념이지만, 소리 역시 어떤 주파수를 가진 성분입니다.
같은 주파수의 소리가 만나면, 서로 공명하면서 더 커지기 마련이죠.
그리고 또한 전자기파는 주파수라는 성분을 내제하고 있습니다.
광범위하게 공진의 의미를 정의하면 주파수 선택적 특성을 가지는 현상을 의미합니다.
모든 RF 시스템은 각자 사용하는 주파수대역이 정해져있습니다.
그렇다면 모든 RF시스템은 자기가 사용하는 특정 주파수 성분만 교묘하게 골라내어 처리해야 하는데,
이렇게주파수를 선택해야 하는 모든 경우에 공진의 개념이 적용될 수 있습니다.
주파수 선택이라는 관점에서, RF에서의 공진은 매우 중요한 기능을 하는 현상입니다.
공진의 발생을 광범위하게 정의한다면 아래와 같이 두줄로 정의가 될 수 있습니다.
⊙ 밀고 당기는 힘이 평형을 이룰때
⊙ 서로 다른 에너지/특성의 주파수가 일치할 때
공진의 주파수 선택특성은, 입력되는 신호의 주기와 공진구조물이 가진 고유의 주기성이 일치됨으로써 발생
합니다. 이러한 공진의 발생은 크게 전기적 공진와 구조적 공진으로 나눌 수 있습니다.
우리가 이강의에서 주로 다루고자 핵심은 구조적 공진보다는 전기적인 공진현상의 이해입니다.
전기적 공진
전기적 공진은 소위 말하는 LC 공진을 말합니다.
인덕터와 캐패시터는 전/자기 에너지 축적소자입니다. 그러한 순간적인 전자기 에너지 축적과 방출 특성
때문에, 캐패시터와 인덕터는 정 반대의 주파수 특성을 보이지요.
인덕터는 주파수가 낮을수록 통과를 잘 시키는 특성이 있고,
캐패시터는 반대로 주파수가 높을수록 잘 통과시키게 됩니다.
그러한 두 특성의 소자가 한꺼번에 직/병렬로 붙으면 어떻게 될까요?
같은 주파수상에서 인덕터는 통과하지 못하도록 힘을 줄 것이며,
캐패시터는 통과할 수 있도록 용을 쓰게 될 것입니다.
그리고 둘중에 누가 더 강하냐에 따라 특정 주파수에서의 통과특성이 결정됩니다.
그렇게 평형을 이룬 상태의 결과는 바로 아래와 같은 형상이 되게 됩니다.
(아래 그림은 병렬공진의 사례입니다)
위의 예와 같은 병렬공진의 경우는 5GHz에서 S21이 -40dB로 매우 작아집니다.
즉 5GHz의 신호를 통과하지 못하게 막고 있는 band reject (notch) 특성이 나타나고 있는 것입니다.
이런 식으로 주파수를 선택적으로 막거나 통하게 할 때 우리는 공진(resonance)가 일어났다고 표현하게
되지요!
인덕터와 캐패시터의 특성만 잘 파악하면, 두 개의 특성 그래프가 섞였을 때 위와 같은 공진그래프가 나오는
것은 쉽게 이해할 수 있을 것입니다. 이것은 마치 동대문시장에서 에누리 협상하는 것과 같은 원리로 볼 수
있습니다. 밀고.. 당기고.. 그러다가 양쪽의 절충점을 찾아서 물건이 팔리게 됩니다. 서로 양보하다가 생각
(주파수)가 일치하는 지점에서 결정된 것이지요.
RF에서 인덕터와 캐패시터는 많은 유용한 특성을 갖고 있는데,
뭐니뭐니 해도 이처럼 L,C값의 조절에 의해 특정 주파수에 대해 선택적 특성을 만들 수 있다는 점,
즉 공진을 쉽게 유발해낼 수 있다는 점이 가장 중요하다고도 볼 수 있습니다.
LC 공진의 메카니즘
LC에 의한 전기적 공진의 원리가 무엇일까요? 조금은 어렵게 느껴질 수 있는 부분입니다. 이것을 이해하고
싶으시다면 아래의 설명을 차근차근 읽어보시면 결코 어렵지만은 않다는 것을 알 수 있습니다.
Step 1 ▶ L, C는 reactance 소자다!
자, 우선 인덕터와 캐패시터를 에너지 축적의 개념에서 다시 생각해 보도록 하지요.
#인덕터 -> 긴 선로 주변에 자기장의 형성하여 신호의 흐름을 주변에 자기장으로 저장한다.
캐패시터 -> 끊어진 금속 사이에 존재하는 #유전체 가 #분극하면서 전기장으로 신호의 흐름을 저장한다.
우리는 이러한 무손실 에너지 저장성 소자를 소위 reactance소자라고 부릅니다.
#임피던스 의 허수부로 표현되지요. 순간적으로 사라져 보이지만, 소모된 것이 아니라 잠시 어딘가에 저장되
어 있던 것입니다.
복소수 신호란 대체 무슨 뜻? 이란 강의에서 본 기억이 나지 않으십니까? #복소수 에서 허수는 존재하지 않는다는 의미가 아니라, 잠시 저장된 에너지 성분을 지칭한다는 점입니다.
그래서 L과 C의 임피던스는 허수로 표현되는 것이구요.
Step 2 ▶ reactance 소자는 진짜 무손실일까?
이러한 reactance 소자가 손실없이 에너지를 저장한다고 하지만, 정말 저장한 그대로 손실이 없는 걸까요?
왠지 그럴 것 같지는 않습니다.
복소수 강의에서 사용된 이론인 '여러분의 재산은 얼마?'를 상기해보신다면, 실수부는 현재 여러분 수중에 있는 돈이고, 허수부는 은행에 저금한돈, 전셋돈, 꿔준돈, 주식투자금 등으로 표현됩니다. 수중에 있는 돈은 진짜 여러분의 돈이지만, 나머지돈은 그냥 묵혀두거나 까먹고 있거나 사기를 당하거나 하여튼 뭔가 문제가 생기면 더 이상 꽁쳐놓은 돈이 아니라 그냥 손해가 발생해 버릴 수도 있습니다.
공교롭게도 세상의 현실과 전기회로가 일맥 상통하고 있습니다.
아무리 인덕터가 자기장으로, 캐패시터가 전기장으로 잠시 에너지를 축적할 수는 있다곤 해도,
그것을 어떻게 사용하느냐에 따라 그 저장된 에너지가 재활용될지 사장될지 결정됩니다.
다시말해서 L과 C로 인해 전/자기장으로 에너지가 축적된다해도 그걸 효율적으로 뽑아쓰질 않으면
그냥 사라져서 손실이 되 버릴 수도 있는 것입니다. 바로 이것이 공진을 이해하는 핵심입니다!
Step 3 ▶ 공진회로에서는 주파수별로 손실/무손실 여부가 다르다!
당췌 이런 리액턴스니 손실이니 하는 얘기가 왜 나오는지 하품이 나오기 시작할 지도 모르니
일단 그림부터 보세요.
분명히 인덕터와 캐패시터가 존재하는 회로를 거쳤는데도 불구하고, 출력단에서는 허수의 임피던스가 없는 것처럼 보이는 주파수가 존재합니다. 그래서 공진부를 통과하는 주파수의 임피던스 특성은 아래와 같은 그림을 그립니다. (대역통과 특성을 가진 직렬공진의 경우) 양의 허수 인덕터와 음의 허수 캐패시터가 서로 밀고 당기다가 허수 임피던스가 가장 낮아지는 바로 그지점, 공진점이 됩니다.
공진 주파수에서는 임피던스가 매우 낮아집니다. 즉, 출력임피던스가 낮은 주파수는 방해성분이 적어서
신호가 더 잘 흐를 수 있고, 나머지 주파수는 허수임피던스값이 사라지지 않고 커져서 손실로 작용하여
신호의 통과가 어려워집니다.즉 선택된 주파수 이외의 주파수 신호는 인덕터와 캐패시터에 의해 감쇄되어
버립니다. 뭔가 feel이 오지 않으십니까!
Step 4 ▶ 인덕터와 캐패시터간의 에너지 교환
LC 회로에 특정 주파수 신호가 인가되면 인덕터의 자기장으로 저장되었다가 캐패시터의 전기장으로 저장되었다가 하면서 줏대없이 왔다 갔다 하게 됩니다. 이 과정에서 인덕터와 캐패시터는 주파수별로 특성이 정반대이고, 한놈은 누르고 한놈은 올리고 하게 됩니다. 같은 주파수에서 인덕터는 그 흐름을 방해하고 싶어하고, 캐패시터는 흐름이 정지하는 것을 막고 싶어하면서 둘이 막 싸웁니다.
그래서 둘이 싸우다가 어느 한쪽이 이겨서 전기장이나 자기장 중 어느 한쪽으로 에너지 저장이 몰리게 되면, 손실이 발생해버립니다. 그냥 저장만 되 버리고 못써 버리게 되기 때문입니다. 그런데, 어떤 경우에는 둘이서 주거니 받거니 하는 에너지가 절묘하게 똑같아져서 캐패시터와 인덕터 어느 한쪽으로도 에너지 저장이 몰리지 않는 경우가 발생합니다. 누르고 올리는 힘이 평형을 이루는 되는 상황이지요. 이렇게 되는 주파수에서는 LC 소자가 손실없이 통과합니다. 그리고 나머지 주파수에서는 그 평형이 깨지기 때문에 손실이 쌓여서 신호의 통과가 어렵게 됩니다. 이 부분이 LC 공진의 두 번째 핵심입니다.
직/ #병렬 로 조합된 LC 회로에서 인덕터와 캐패시터가 #전기장 과 #자기장 으로 #에너지 를 축적하고 방출하면서 에너지를 주거니 받거니 하는 과정이 정확히 평형을 이룬 상태, 우리는 그것을 공진이라 부릅니다. 이것이 바로 LC공진의 정체입니다.
위의 수식에서 보시다시피 공진주파수는 L과 C가 곱해진 수치에 의해 결정됩니다. 즉 L과 C가 조합될 때마다 분명히 어떤 주파수에서 공진특성이 발생하게 됩니다. 한가지 관심있게 보아야 할 부분은, 같은 공진주파수라 하더라도 LC의 곱만 일정하면 된다는 점입니다. 즉 동일한 공진주파수상에서 L과 C의 조합은 많이 존재한다는 사실입니다.
LC 공진의 종류
크게 직렬 공진과 병렬 공진 두가지가 있습니다. 우선 1.5GHz에서 공진하는 두 LC소자의 직/병렬 소자 특성 곡선을 보시기 바랍니다.
백문이 불여일견! 같은 LC값의 경우에는 공진주파수는 동일합니다.
그런데 S파라미터는 정 반대로 동작하고 있는 것을 볼 수 있습니다.
LC 직렬공진은 Bandpass (대역통과) 형태의 공진이 발생하고,
LC 병렬공진은 Bandstop (대역저지) 형태의 공진이 발생합니다.
이렇듯 LC공진은 어떻게 연결하느냐에 따라 정반대의 특성이 나타날 수 있습니다.
위의 글들을 통해 공진의 개념을 접근하다보면, 자연스럽게 필터에 대한 생각이 떠오를 수 있습니다. 그렇습니다. 필터는 원하는 주파수대역만 통과시키려는 회로이고, 결국 철저하게 공진현상을 이용하게 됩니다. 경우에 따라 직렬과 병렬 LC 조합을 잘 이용하면 필터와 각종 주파수선택적 기능을 할 수 있는 공진부를 만들 수 있는 것이지요.
임피던스 매칭 = 공진 ?
공진은 곧 주파수선택적 특성을 말하므로 결국 필터의 동작원리 그 자체가 됩니다. 그리고 임피던스 매칭도 일종의 임피던스 변환성격의 필터입니다. 그렇다면... 임피던스 매칭은 공진일까요?
아시다시피 임피던스 매칭은 서로 다른 임피던스를 가진 두 단간에서, 특정 주파수에서 신호의 흐름을 좋게 만드는 것이 목적입니다. 즉 주파수 선택적 특성이 들어갑니다. 다시한번 강조합니다! 주파수 선택적 특성을 가지는 모든 경우는 공진의 개념에 포함됩니다. 결국 임피던스 매칭도 공진의 연장선상에 있습니다. 이것도 이참에 순서대로 이해해보도록 하지요.
위의 그림은 7.5옴과 50옴의 서로 다른 임피던스간을 연결하고병렬로 10pF의 캐패시터를 달아놓은 예제입니다. 만약 이처럼 RF (AC)신호가 지나가는 선로에 병렬로 캐패시터가 붙어 있다면 어떻게 될까요? 캐패시터는 #고주파 가 될수록 임피던스가 낮아지면서 신호를 잘 통과시키는 소자이고, 그것이 병렬로 붙어있다면, short이 나겠지요? 결국 RF신호는 캡으로 신나게 도망가고 목적지로 가지 못할 것입니다.
여기에 직렬로 2.7nH의 인덕터를 연결하면 LPF 형태의 매칭단이 구성됩니다. 그런데 여전히 RF 선로에 캐패시터가 병렬로 붙어 버려 있습니다. 허걱! 왠지 저 캐패시터로 RF신호가 줄줄히 샐 수도 있다고 생각되지 않습니까? 잘 생각해보니까 불안하죠? 분명히 병렬로 AC short가 잡혀 버렸는데..
그런데 S21 신호통과 그래프를 잘 보면 희한하게도 900MHz에서는 RF신호가 새지 않고 신호단을 잘 통과하고 있습니다. 이것의 비밀은 무엇일까요?
여기서 한가지 명확히 짚을 수 있는게 있습니다. 임피던스 매칭단에 병렬로 #캐패시터 가 있다고 해서 무조건 RF신호가 줄줄히 새지는 않는다는 점입니다. 정확히 말해서, 매칭되는 주파수의 신호가 새지 않는 것일 뿐입니다. 매칭주파수에서 멀어질수록 정말로 저 캐패시터로 신호가 줄~줄 새어나가서 결국 전달이 잘 되지 않게 됩니다. 엇! 이거 혹시 공진 아닐까요!
네, 이것도 공진입니다. 어째서 특정 주파수(=매칭주파수)에서만 병렬캐패시터로 에너지가 유출되지 않는가의 원인은, 매칭회로가 그 주파수에서 공진하고 있기 때문입니다. 병렬 캐패시터만 달려있으면 모든 주파수가 다 새나가겠지만, 직렬 인덕터가 같이 붙어 있으면서 병렬 캐패시터로 빠져나가는 에너지중 일부주파수를 끌어오게 됩니다. 그래서 특정 주파수 신호가 주기성을 갖고 변할때, 병렬 캐패시터와 직렬 인덕터가 그 주파수에 맞게 전기장과 자기장으로 에너지를 서로 손실없이 주고 받으면서 허수 임피던스를 0으로 만들어서 신호를 술술 전달시켜줍니다.
즉 병렬 캐패시터와 직렬 인덕터로 구성된 매칭단에서는 특정 주파수의 주기성과 일치하는 고유 공진주파수를 갖게 되고, 그것이 결국 매칭 주파수가 되는, 뭐 그렇고 그런 관계가 됩니다.
위 설명을 잘 곱씹어본다면, 인덕턴스와 캐패시턴스, 임피던스 매칭 그리고 공진의 개념이 일맥 상통하고 있다는 것을 깨달을 수 있으리라 생각됩니다. 굉장히 중요한 개념입니다. 아주 쉬운 개념이라고 말할 수는 없지만 여러번 곱씹어서 이해할 필요가 있습니다.
구조적 공진
전기적인 공진은 인덕턴스와 캐패시턴스의 조합에 의한 밀고당김으로 표현이 됩니다. 구조적 공진은 근본원리적으로는 유사하지만, 현상은 좀 다릅니다.
구조적 공진을 설명할 때 꼭 나오는 단어가 있는데 바로 cavity(공동 : 안이 비어있는 통,관)입니다. cavity는 내부가 공기 또는 유전체로 채워져있는 금속통을 의미합니다. cavity는 도파관처럼 사각형(rectangular)과 원통형(cylinder)이 있으며, 공정편의상 대부분 rectangular cavity가 많이 사용됩니다.
cavity내의 #전자기 파동은 zero-crossing point를 기준으로 반사특성이 발견됩니다. 그래서 아래와 같이 여러 mode로 공진을 하게 됩니다. 공진 mode는 cavity의 각 방향별로 얼마나 많은 반파장의 파동수가 존재하느냐로 표현됩니다.
대전력을 다루는 도파관 필터는 위와 같은 cavity를 연결하여 쉽게 BPF로 구성할 수 있습니다.
도파관 필터는 원래 생긴게 그래서 그렇다쳐도, 이런 cavity resonace는 housing에 의해서도 종종 발생한
다는 문제가 있습니다. 소위 케이스발진이라고도 불리우는 캐비티 발진은 모듈작업을 하면서 회로를 금속
케이스 내에 담다보면, 발생합니다. housing을 위한 금속벽들로 인해 그 자체가 cavity가 구성되기 때문입니다.
이것을 피하려면 케이스 자체를 설계할 때 사용주파수가 공진하지 않을 만한 구조적 크기인지 미리 계산할 필요가 있습니다. 또는 내부에 전자파 차폐용 페라이트 흡수체를 붙이는 것도 방법입니다. 특히 공진부를 만들어서 이용하는 발진기의 경우, 케이스 구조에 크게 영향을 받는 경향이 있습니다. 뚜껑을 닫으면 특성이 틀어지는게 오히려 당연한 현상입니다.
그래서 많은 시뮬레이션 툴을 잘 보면 마이크로스트립 조건을 정할 때 두께와 유전율말고, 케이스까지의 높이까지 입력하는 기능이 있습니다. 정확도가 아주 높은 것은 아니지만, 아무래도 안하는 것 보단 낫습니다. 주로 회로기판과 필드방향 구조상, 주로 위쪽 뚜껑에 민감하게 되므로 그 뚜껑의 높이를 어느정도 미리 예상하여 설계할 필요가 있는 것이지요.
결국 하우징 케이스는 외부 필드나 회로에 의해 영향받지 않도록 안정적으로 밀폐시키는 효과가 있는 것이므로, 그 내부에서 나가지 못해서 맴도는 필드가 성능을 깎아먹지 않도록 배려해야 하는 것입니다.
그리고 Dielectric Resonator라고 불리우는 유전체 공진기의 경우 역시 구조적인 공진에 가깝지만, 위의 cavity와는 원리와는 또 다릅니다. 공기와 다른 고유전율을 가진 유전체는, 어떻게 보면 내부가 공기로 되어 있는 air cavity의 크기를 축소해놓은 형태처럼 됩니다. 그렇지만 그런 금속 cavity와 크게 다른 점은, 외부의 필드를 받아서 공진시킬 수 있는 덩어리(bulk)라는 점입니다. 도파관 형태의 air cavity는 사방이 금속으로 막혀있기 때문에 동축선으로 벽에 구멍을 뚫어서 급전을 해야만 합니다.
#유전체 공진기 역시 cavity와 마찬가지로 공진되는 E field와 H field coupling과 형상에 대해 여러 가지 공진 mode를 가지고 있으며, 그 자체로 복잡한 수학적인 개념이 매우 중요시되는 분야입니다. 고로 LC공진의 개념적 이해를 주로 설명하기 위한 본 글에서는 따로 다루지 않도록 하겠습니다.
공진에서의 Q값
공진에서의 Q(Quality factor)는 주파수 선택 특성품질을 의미합니다. 그 정의는 아래와 같습니다.
#공진주파수 점에서 양쪽으로 3dB, 즉 반으로 감쇄되는 지점의 주파수간의 차이를 소위 3dB 대역폭이라고 하는데,
공진주파수를 3dB 대역폭으로 나눈 것이 바로 Q값입니다. 즉 공진특성이 샤프할수록 3dB 대역폭은 좁아질 것이고,
결국 Q값은 커집니다.
이것은 소위 circuit Q 라고 해서 회로에서의 대역폭과 관련된 개념입니다. 스미스차트 강의에서 회로의 Q에 대해 보셧겠지만, Q가 낮으면 대역이 넓다는 의미이고 높으면 협대역의 의미이지요.
공진이란게 결국 특정 주파수의 선택특성을 말하는 것이기 때문에, 얼마나 샤프하게 주파수를 선택해낼 수 있느냐?를 의미하는 지표가 결국 Q값인 것입니다. Q값은 대체로 높아야 좋은 경우가 많지만, 역으로 낮아야 할 경우도 있기 때문에 단순히 어떤 값이 좋다고 말할 수는 없습니다. 그보다는 Q값을 통해 어느정도의 선택도와 대역폭을 가졌는지를 감잡는게 중요합니다.
위에서 정의했던 대역폭의 Q값은 공진기에서 아래와 같은 수식으로 표현되기도 합니다.
결국 저장되는 에너지와 손실되는 에너지의 비에 #주파수 개념을 적용한 수식으로서, 같은 Q인데 표현만 다른 것입니다. #대역폭 의 Q값은 실제 측정을 통해 알아낼 수 있는 값이고, 아래의 수식은 공진기의 각종 조건을 통해 그 Q값을 미리 계산하기 위해 필요합니다.
이러한 Q값의 공식을 잘 보면, LC 말고도 R값이 포함되어 있습니다. 즉, 실제로 공진부만의 특성을 의미하는 것이 아니라 부하(R)가 걸린상태에서의 회로 Q값입니다. (loaded Q)
실제로 Q는 위에서 입출력 부하 RL 값에 따라 Q값의 계산이 바뀌게 됩니다. 그렇기 때문에 실제 최종적인 Q값이 어떻게 될지는 단순히 공진부만으로 결정되는 것이 아니라는 점이 문제가 됩니다. 그래서 부하가 걸린 상태의 Q (Loaded Q)값과 부하가 걸리지 않은 공진기만의 Q (Unloaded Q)값으로 분류가 되는 것입니다. Q에 대한 자세한 상세 공식들은 아무 초고주파 공학서적을 봐도 자세히 나오있으므로 정확한 유도과정과 수식은 책을 참고하시고, 여기서는 기본적인 개념을 잡으시기 바랍니다.
발진과 공진
초심자분들의 경우 발진과 공진을 혼동하는 경우를 종종 보게 됩니다. 우선 결론적으로 발진과 공진은 연관성은 있지만 그 자체는 전혀 다른 개념입니다.
발진이 뭐길래? 에서 보셨다시피 발진은 능동소자에서 feedback loop와 gain에 의해 발생하는 현상이고, 공진은 수동구조에서 특정 주파수만 민감하게 반응하는 어떤 현상을 말합니다. 굳이 두가지를 구분하는 표를 만든다면 아래와 같이 될 것입니다.
공진
발진
발생소자
수동소자
능동소자
원리
신호주파수와 전기적/구조적 주파수가 일치될 때 에너지가 집중됨
feedback loop가 gain을 가지면서 작은 잡음성 신호가 크게 성장해버림
현상
특정 주파수에 대한 선택 특성
발진조건이 성립되는 주파수에서 큰 신호전력이 샤프하게 나타남
DC 전원
필요도 없고 상관도 없음
있어야만 발진이 일어남
긍정적 용도
필터, 발진기의 공진부,
각종 주파수 선택소자
주파수 신호원
부정적으로
나타나는 경우
불필요한 spurious 발생
엉뚱한 주파수 선택특성
소자파괴, 시스템 불안정 및 수명감소
사실 #공진 이나 #발진 을 직접 접하지 못하신 분은 말로만은 구분되기 어려울 수도 있습니다. 뭐든지 경험과 함께 될 때 그 의미를 명확히 깨달을 수 있는 것이지만, 최소한 그 원리와 현상에 대해 이론적으로 어느정도 이해하실 수 있기를 바랍니다.
Inductance L은, 도선에 전류가 흐를 때 그 전류의 변화를 막으려는 성질, 또는 그 정도를 말합니다.
일종의 전기적 관성이라는 개념으로 볼 수도 있겠지요. 보수파라고 해야할까나..
즉 도선에 흐르는 전류가 직류(DC)라면 아무 변화없이 걍 흘러주지만,
그것이 변하려고 하면 막 화를 냅니다. 가만히 있는데 왜 건드리냐고...
결국 전류가 원래 흐르던 방향이나 크기가 바뀌려고 하면 그 반대의 기전력을 만들어서 그 변화를 막으려고 하지요.. 그래서 전류/전압파형의 크기, 방향이 주기적으로 변하는 교류(AC)가 입력되면 그 변화를 막으려고 안간힘을 쓰게 됩니다. 그래서 DC는 잘 통과하지만 AC는 좀체 통과하기 힘들 게 만드는 것이지요.
이게 무슨 원리라고 말하긴 좀 그렇고, 예전에 학자들이 이러한 교류변화의 흐름을 막고자 하는 그 성질을
아무 선로건 그 선로 길이 방향으로 둥글게 자기장을 형성하게 되는데, 만약 이 선로를 따라 흐르던 전류가 변화하려
하면 그 주변에 생성된 자기장도 같이 바뀌야만 합니다.
(오른손 법칙 다 기억하시죠? ^^)
바로 이렇게 선로주위에 생성된 자기장이 선로의 전류/전압 변화를 따라 가려면
어느정도 시간이 필요해집니다.
결국 자기장이 한박자 늦게 변하려 하다 보면 (또 사실은 별로 변하고 싶어하지도 않을 겁니다. 직접 물어본건 아니지만...) 결국 도선의 전류변화를 방해하는 꼴이 되는 것이지요.
그리고 이러한 주변의 자기장이 많이 생길수록 (즉 L값이 커질수록) 전류가 변화하기가 무척 힘들겁니다.
주변의 자기장을 일일이 설득해서 자기를 따라 변하게 해야 하는데,
그 대상이 많아질수록 쉽지가 않은 것입니다.
그래서 L값이 높을수록 고주파는 통과하기 힘들어 하는 것이지요.
그럼 또다시 자문자답을 해보겠습니다.
Q : 그렇다면 inductance를 유발시키는 inductor는 어떻게 만드나요?
A : 선로를 기 ~이~일~게 만들면 됩니다.
아주 간단하지 않습니까?
선로만 길면 주변의 자기장은 길이만큼 점점더 늘어나니까Inductance는 죽죽 늘어나줍니다.
그런데 무식하게 마냥 길게만 만들 수는 없으니, 둘둘 감아서 스프링모양의 coil로 만들게 되죠.
그래서 coil = Inductor처럼 공식화된 것이구요.
여기서 한가지 짚고 넘어갈 것은, 이렇게 coil형태로 만들어 놓으면 실제 그 선로 길이만으로 구현한 것보다
L값을 증가시킬 수도 있습니다. 왜냐하면, inductance는 self inductance(자기유도)와 mutual inductance(상호유도)가 존재하기 때문입니다. (이 정도는 고딩때도 배우죠...)
mutual inductance는 위의 그림과 같이 방향에 따라 다른데, 만약 전류가 같은 방향이라면
상호간의 주변의 자기장이 서로 더해져서 L값은 더더욱 세집니다.
반면 반대로 전류가 서로 다르게 흐르고 있다면 서로간의 자기장 방향이 달라서 상쇄가 되기 때문에
전체적인 L값이 작아지는 효과가 발생합니다.
RF에서 Inductance를 유발하는 Inductor는 일반 저주파에서처럼 coil형태로 감긴 긴 선로를 lumped
element로 사용하기도 합니다. 만약 Microstrip과 같이 패턴을 통해 구현하려면 역시 선로를 길게만
만들어도 가능합니다. 다만 공간적 제약이 있으므로 패턴을 이용하여 Inductance를 구현하려면
아래와 같은 세가지의 Inductor형태를 주로 이용하게 됩니다.
보시면 아시겠지만 좁은데다 선로를 길게 깔 수는 없으니 그냥 생각나는대로 꼬아놓는 방식입니다. 이중 Spiral Inductor가 그나마 많이 애용되는데, 한방향으로 동심원을 그리기 때문에 mutual inductance에서 같은 방향으로 자기장이 더해져서 작은 크기로 큰 L값을 만들 수 있는 장점이 있습니다. 다만 대체로 loss가 심해서 사용에 주의를 기울여야 합니다. 그리고 중앙부에서 다른쪽으로 연결해야 하기 때문에 반드시 air bridge나 다층 선로를 이용해야 한다는, 공정상의 치명적인 약점이 있습니다.
그옆의 meander line은 air bridge가 필요없도록 그냥 뱀처럼 꼬아놓은 것입니다. 그런데 이놈은 mutual inductance가 반대로 일어나기 때문에 서로 상쇄되어 크기에 비해 그다지 높은 L값을 만들기가 힘들다는 치명타가 있습니다. 그리고 마지막 loop inductor는, 모양도 구리고 성능도 구려서 많이 사용하진 않습니다. 다만 filtering 특성이 있어서 가끔씩 사용하긴 합니다.
자, 이것이 inductance와 inductor의 기초개념입니다. 잘 생각해보면 별로 어렵지도 않은 개념이지요?
Capacitance C는 단절된 금속사이에서 전류/전압의 변화가 있을 때만 신호를 통과시키려는 성질,
또는 그 정도를 말합니다.
Capacitor의 아이콘을 잘 보면 선로가 끊어져 있는 것처럼 보이죠? 실제로도 끊어져 있습니다.
그렇다면 어떻게 신호가 통할 수 있을까요? 그것은 끊어진 도체 사이의 유전체에 그 열쇠가 있습니다.
위의 그림은 capacitor에서 신호가 도통되는 상황을 보여주는 그림입니다.
끊어진 금속판 사이에 채워진 유전체는 전하를 직접 흘려주지는 않지만, 유전체 내부에서 전극이 배치되어
전기적 방향성을 띠게 됩니다.
결국 한쪽 방향으로 전하가 흘러가기만 하는 직류(DC)는 통과할 수가 없습니다. 끊어져 있으니까요.
반면, 주기적으로 전압전류가 변화하는 교류(AC)의 경우에는 한쪽에 전극이 형성되면 그림과 같이 유전체
내에서도 전극이 쏠리면서 분극되고, 그 결과 상대쪽 금속판에도 반대의 전극을 형성시켜 줄 수 있게 됩니다.
그리고 그것이 주기적으로 변하면 건너편 금속의 전극이나 전압도 주기적으로 변화시켜 주게 되어 결국 끊어
진 금속판 사이로 교류파형의 변화형상, 즉 신호가 전달되게 되는 것이죠.
Capacitor에 직류를 흐르게 하면, 직류를 인가한 그 순간에는 잠시 전기가 흐르는 듯 하다가 뚝 끊어집니다. Capacitor는 전압/전류에 변화가 있을 때만 동작하기 때문에 직류가 새로 인가되는 그 순간에만 변화를 감지하고 잠시나마 전기가 흐르는 것이죠. 다시말해 직류에 있어서는 처음 전압이 인가된 순간에만 유전체가 분극을 일으키고는 이내 사라지기 때문에 전기적 신호전달이 불가능하게 됩니다.
반면 쉴새없이 변화하는 교류는, 이러한 유전체의 분극현상이 사라지기 전에 극성이 바뀌어 버려서 결국 그 변화하는 신호파형이 건너편으로 잘 전달되게 되는 것입니다. 그리고 얼마나 빠른 변화의 양상을 잘 전달할 수 있느냐를 나타내는 지표가 capacitance가 되는 것이죠.
Capacitor의 내부구조는 실제로 금속판사이에 유전체를 삽입하게 됩니다. 그 면적과 금속판간의 거리에 의해 Capacitance 값이 결정되고, 단순히 금속판을 사용하지 않고 여러 가지 형태의 금속을 사용하여 품질이 좋은 capacitor를 만들어내려고 노력하게 됩니다.
스미스차트에서의 L과 C
자, 우선 스미스차트에서의 L과 C를 함 보시지요.
아래는 입출력단에 50옴 포트를 인가한 pass-through 상태에서의 S11을 나타낸 것이라 R=1
(즉 normalize 하기전의 50옴)상의 결과입니다.
스미스 차트 원의 위쪽은 임피던스 허수부가 + 일 때, 아래쪽은 임피던스 허수부가 - 일 때를 나타내지요.
필터는 기본적으로 L과 C 성분의 직병렬 조합을 통해 만들어집니다. L과 C 자체를 잘 생각해보면 각각 Lowpass 특성과 Highpass 특성을 갖고 있다는 것을 눈치챌 수 있지요. 그걸 좀더 다듬고 조합해서 원하는 주파수, 원하는 감쇄 특성을 가지는 어떤 구조를 만든 것, 그것이 바로 ' Filter ' 입니다.
자, 단순무식하게 아래의 LPF 그림만 한번 보겠습니다. 번호대로 보시길...
그림에 설명이 다 나와 있으니 별다른 부연설명은 필요 없겠지요? HPF의 경우는 L과 C의 소자 위치를 정반대로 바꾼 것입니다. 결국 모든 filter는 저런 Inductance와 Capacitance를 잘 조절해서 만드는 것입니다. 한가지 미리 명심할점은 꼭 inductor, capacitor소자같은 lumped element로만 만드는 것은 아니라, 어떤 구조든 Inductance와 capacitance를 유발할 수 있다면 그것들을 조합하여 다 filter로 만들 수 있다는 점입니다.
SRF (Self Resonating Frequency)
사실 지금까지 위에 언급한 L과 C에 대한 내용은 모두 ideal한 경우였습니다. 실제로 inductor와 capacitor를 사용할 때 꼭 알아두어야 할 것이, 바로 SRF(자기공진주파수)입니다. 아래는 실제 Inductor의 S21을 나타낸 그림입니다.
자, 이것은 무엇을 말하느냐면.. Inductor건 Capacitor건 특정 주파수를 넘어 버리면 자신의 역할이 반대로 뒤집어진다는 것입니다. Inductor가 Capacitor로 동작해 버리고, Capacitor가 Inductor로 동작해 버리는 황당한 상황이 발생한다는 것이지요. 그래서 이렇게 역할이 깨져버리는 주파수점이 마치 공진점과 같기 때문에 Self Resonating Frequency라 불리우는 것입니다.
그래서 모든 Inductior, Capacitor를 사용할 때는 반드시 SRF보다 어느정도 낮은 주파수에서 사용해야 하며, 특히 Inductor 쪽에서 더 주의를 요합니다. 아래는 실제 소자의 Inductor와 Capacitor의 S 파라미터그래프를 보여준 것입니다. 둘다 특정 주파수 이후로 본연의 기능을 잃고 반대의 소자로 동작하고 있습니다.
그렇다면 왜 실제상에서 이런 일이 발생하느냐? 아래의 Sprial Inductor의 예를 함 들여다보죠.
Spiral Inductor를 자세히 보니, 금속 길이와 상호인덕턴스의 증가로 인해 L값이 존재하지만, 각 금속간의 간격이 존재하기 때문에 그 간격에 의해 Capacitance가 존재합니다. 그리고 L과 C는 주파수가 올라갈수록 반대의 증가/감소 특성을 갖고 있기 때문에, 주파수가 올라가다 보면 두 역할이 바뀌어 버리는 것입니다.
다시 말해서 실제로 소자를 만들고 나면 Inductor에는 기생 capacitance가, Capacitor에는 기생 Inductance가 생기기 때문입니다. 위의 spiral 구조는 물론 모든 Inductor/Capacitor에 위와 같은 문제가 발생합니다. 그래서 어느 주파수가 넘어서면 기생성분들이 진짜 성분들에 맞짱을 뜨게 되고, 바로 그 지점이 SRF 가 됩니다. 소자값이 커질수록 실제 소자의 물리적 구조도 커지는 것이기 때문에, 덩달아 기생성분도 더 커져서 결국 SRF는점점 작아집니다. 쓸 수 있는 주파수 영역이 좁아진다는 의미이죠.
대부분의 일반적인 lumped 소자들은 SRF가 수GHz 대밖에 안되서, 그 이하의 주파수에서만 사용해야 합니다. 결국 아주 높은 주파수에서는 lumped element를 사용하지 못하게 되고, 그래서 microstrip같은 분산소자로서 L, C를 구현할 필요가 생기는 것이지요!
인덕터와 커패시터의 Q
Q값에 대해서 많이 들어보셧을텐데, 간단한 정의인데도 불구하고 그 의미를 헷갈려 하시는 분들이 많은 듯 합니다. Q는 여러 의미가 있지만, Inductor와 Capacitor에서의 Q값이란 아래와 같은 의미입니다.
즉, 임피던스의 허수부/실수부를 말합니다. 임피던스의 허수부는 L, C 값을 의미하며 실수부는 저항값을 의미하지요. 결국 이게 무엇을 의미하느냐? 소자의 loss가 얼마이냐 입니다. 리액턴스 X는 L과 C 같은 무손실성 저장성분을 말합니다. 그냥 전기장 혹은 자기장의 형태로 주파수별로 에너지를 축적하는 기능이죠. 반면 분모에 있는 R값은 저항값, 즉 저항에 의한 손실을 의미합니다.
물론 inductor건 capacitor건 저항에 의한 loss가 없어야 정상이겠지만, 사람 하는 일이 다 그렇듯 만들다보면 이런저런 이유로 작은 저항값들이 생겨서 열손실이 발생합니다. 그래서 L 또는 C값을 이런 기생저항값으로 나눈 값을 우리는 Q(Quality Factor)라고 합니다. 이러한 Q값은 주파수에 따라 다르며, 또한 소자값에 따라 당연히 다릅니다.
결국 Q값이 클수록 loss가 적다는 의미가 되지요. 간단하지 않슴까? 소자에 loss가 많으면 쓸데없이 에너지만 소모되어 성능도 잘 안나올테니 가능하면 Q값이 높은 소자를 쓰는게 좋은것이죠. (물론 더 비싸겠죠)
이것을 실제 Inductor의 스미스차트를 통해 이해를 돕도록 해보겠습니다.
그림에 나와있듯이 Q값이 떨어져서, 즉 R값이 증가하면 손실이 늘고 결국 R=1 로 normalize된 실수 임피던스 원과 거리가 멀어지게 됩니다. 또한 Inductor로 동작해야할 이놈이 어느 주파수를 넘어서면서는 임피던스가 아래쪽 capacitance 영역으로 내려가 버렸습니다. 이렇게 L영역과 C영역을 넘어가는 그 포인트의 주파수가 바로 저 위에 설명한 SRF가 되는 것이지요.
SRF가 Inductor와 Capacitor의 이용범위를 알 수 있는 성능지표라면, Q값은 그 소자의 품질을 평가하는 아주 중요한 지표입니다.
RF에서의 L과 C
간단한 amp의 사례를 통해 L,C가 어떻게 사용되고 있는지 그림으로 한번 보도록 하겠습니다.
1. Impedance Matching (L, C)
회로의 목적에 맞는 Tr의 적절한 입출력 임피던스를 찾은 후, 그것을 각각 50옴 포트와 임피던스 정합을 시키기 위해 L, C 소자가 애용됩니다. 상황에 따라서는 microstrip과 같은 분산소자로 대치 가능합니다.
2. DC Block (C)
Capacitor는 직류를 통과시키지 못하므로 DC를 막기 위한 목적으로 C가 사용됩니다. Tr을 구동시키기 위한 바이어스용으로 들어온 직류전원이 Tr에만 인가되고, 다른 곳으로 새어나가지 않도록 입출력단에는 반드시 Capacitor가 필요합니다. Capacitor의 C값은 해당 회로의 주파수에 해당하는 신호가 잘 통과할 수 있는 임피던스값으로 설정하게 됩니다.
3. RF Choke (L)
Tr을 구동하기 위한 DC 전원선으로 RF 교류신호가 유입되면 에너지 손실 및 저주파 발진이 발생하기 때문에, 직류 전원이 들어갈 때는 inductor로 교류신호를 막아 버립니다. L소자는 직류는 잘 통과하고 교류는 차단하기 때문에, 적당히 높은 L값을 가지는 inductor로 choke 역할을 시켜 줍니다..
4. Bypass (C)
RF choke가 교류신호를 막는다고는 하지만 완벽하지는 않습나다. 그래서 전원단에는 병렬로 bypass capacitor를 달아서 미세하게 새어나온 교류신호를 추가적으로 제거해주지요. 직류전원은 C소자로 흐를 수 없고, 교류입장에선 C소자는 도통된 상태이므로, 교류신호는 전원단을 들어가지 않고 Capacitor로 갔다가 접지되어 죽어 버리게 됩니다. RF choke로 막는다 해도 저주파신호는 새어나가는 경우가 많기 때문에, 주로 이 저주파 신호가 loop를 만드는 것을 막아서 발진을 방지하려는 목적으로 저주파 신호가 잘 통과할 수 있는 큰 C값을 설정합니다.
5. Degeneration (L,C)
Tr의 접지 쪽에 L, C, R 소자등을 달면 신호의 degeneration(퇴화)를 불러일으켜 gain등이 떨어지지만, 안정도와 선형성이 좋아지기 때문에 종종 애용됩니다
이렇듯 L과 C는 위에서 설명된 주파수 특성에 의거하여, 해당 용도에 맞는 위치에 적절히 사용되는 것입니다. 원리와 개념을 알면, 그 용도는 누구라도 유추하여 사용할 수 있는 것이죠.
그런데 마지막으로 한가지 더 염두에 두어야 할 것이 있습니다. 지금까지 우리는 Inductor와 Capacitor라는 특정한 소자에 대한 개념적인 내용을 다루었습니다. 그런데 고주파 RF에서 중요한 요소는 이러한 실제로 많이 사용하는 lumped element뿐만이 아니란 점이 문제입니다. 이제 Inductance와 capacitance를 생각할 때, 그것이 당장 땜질이 가능한 눈에 보이는 어떤 소자를 지칭하는 것만이 아니란 점을 염두에 두셔야 합니다.
위에서 L과 C의 정의를 계속 보아오셨겠지만, 엄밀히 말해서 Inductor와 Capacitor는 그 L,C 성분을 고의로 강하게 유도한 소자일 뿐입니다. 그렇다면 역으로 말해서, 고의적이지 않아도 발생하는 L,C 성분도 분명히 있다는 점입니다.
그래서 긴 선로에서는 Inducatance 성분이 감지되고, 본의아니게 근접한 두 금속선로사이에는 Capacitance 성분(이걸 커플링이라 부르죠)이 나타난 다는 점입니다. 그러한 L,C 성분은 주파수가 높을수록 민감하며, 그래서 RF 설계가 까다로와지고 microstrip같은 형식의 분산회로가 필요해진 것입니다. 이 선을 잘 이해하고 극복해야지만, 진정한 RF를 구현할 수 있게 되는 것입니다.
7. 사용중인 UPS의 2차측에 단락사고 등이 발생하였을 경우 UPS와 고장회로를 분리하는
방식 3가지를 쓰시오.
① 배선용 차단기에 의한 보호
② 속단퓨즈에 의한 보호
③ 반도체 차단기에 의한 보호
8. 기계설비에 접속되어 있는 3상 교류 전동기는 용량의 대소에 관계없이 고장이 발생하면
여러가지 면에서 문제가 발생한다. 전동기를 보호하기 위하여 과부하 보호 이외에 여러
가지 보호장치가 구성된다. 3상 교류 전동기 보호를 위한 종류를 5가지만 쓰시오.
단, 과부하 보호는 제외한다.
① 단락 보호 ② 지락보호 ③ 회전자 구속보호 ④ 결상보호 ⑤ 역상보호
▣ 전동기 보호
⊙ 과부하 보호, 단락보호, 기동실패 또는 회전자 구속 보호, 지락보호, 결상보호, 역상
보호, 부족전압 보호, 불평형 보호 등
9. 리액터의 종류
▣ 직렬 리액터 : 제5고조파 방지
▣ 병렬(분로) 리액터 : 페란티 현상 방지
⊙ 페란티 현상 : 무부하 충전전류에 의한 수전단전압이 송전단전압 보다 높아지는 현상
▣ 소호리액터 : 지락전류 제한
▣ 한류리액터 : 단락전류 억제
10. BCT(Bushing Cirrent Transformer)의 오차 계급
▣ 계전기용 오차계급 (ANSI 규격)
⊙ 계전기용 오차계급으로 2차 단자에 1차 정격전류 5[A]의 2배의 전류(100[A]가 흐를
때 2차 단자전압을 의미한다. 이 때 허용오차는 ± 10[%] 미만이어야 한다.
C100, C 200, C400, C800
⊙ 25 VA 5 P 20 (IEC BS 규격)
25 : 부담
5 : Class (과전류 정수 20에서의 오차)
P : 보호계전기용
20 : 과전류 정수 (최고사고전류 / 정격전류)
※ 계전기용 오차계급 C800 의미
① C : 변류기 Type C형 (Calculating Type)
② 800 : 2차 단자전압 (V = I × Z × n)
(2차에 정격전류의 20배 전류 (100[A]가 흐를 때 나타나는 전압)
※ 부담
① 변류기의 2차측 단자 혹은 3차측 단자에 접속되는 부하 임피던스
(변류기 2차측 단자에 연결되는 모든 부하는 직렬로 연결됨)
② 변류기에 정격 2차 전류를 흘렸을 때 부하 임피던스에서 소비하는 피상전력
부담 [VA] = I2 · Z = (정격 2차 전류)2 × 임피던스
11. 변압기 병렬운전 조건
① 극성이 같을 것 (차동접속)
② 권수비(전압비)가 같을 것
③ 각 변압기의 임피던스 전압(%Z)이 같을 것
④ 각 변압기의 내부저항과 누설리액턴스의 비가 같을 것
12. 발전기 병렬운전 조건 및 조건 맞지 않을 때 현상
13. 피뢰기 용어
① 현재 사용되고 있는 교류용 피뢰기의 구조는 무엇과 무엇으로 구성되어 있는가 ?
직렬갭과 특성요소
② 피뢰기의 정격전압은 어떤 전압을 말하는가 ?
속류를 차단할 수 있는 교류 최고 전압
③ 피뢰기의 제한전압은 어떤 전압을 말하는가 ?
피뢰기 방전 중 피뢰기 단자에 남게 되는 충격 전압
14. 단권변압기의 장점 3가지, 단점 2가지, 사용용도 2가지
가. 장점
① 동량을 줄일 수 있어 경제적이다.
② 동손이 감소하여 효율이 좋아진다.
③ 전압강하, 전압변동률이 작다.
나. 단점
① 누설리액턴스가 적어 단락전류가 크다.
② 1차측에 이상전압 발생시 2차측에도 고전압이 걸려 위험하다.
다. 사용용도
① 배전선로의 승압 및 강압용 변압기
② 동기전동기, 유도전동기의 기동보상기용 변압기
15. 변압기 호흡작용
가. 변압기의 호흡작용이란 ?
▣ 변압기 외부 온도와 내부에서 발생하는 열에 의해 내부에 있는 절연유의 부피가 수축
팽창하게 되고 이로 인하여 외부의 공기가 변압기 내부로 출입하게 되는데 이를
변압기의 호흡작용이라 한다.
나. 호흡작용으로 인한 문제점
▣ 호흡작용으로 인해 변압기 내부에 수분 및 불순물이 혼입되어 절연유의 절연내력을
저하시키고 침전물을 발생시킬 수 있다.
다. 호흡작용 문제점 방지대책
▣ 콘서베이터 (Conservator) 설치
※ 변압기 절연유 열화방지 대책
① 콘서베이터(Conservator) 설치
② 콘서베이터 유면 위에 불활성 질소를 넣어 공기의 접촉을 방지 (질소 봉입 방식)
③ 유리통에 탈수제인 실리카겔을 넣어 수분을 흡수하도록 브리더(흡습호흡기)를 설치
16. 콘덴서 기동형 단상 유도 전동기의 기동원리를 쓰시오.
▣ 주권선(운전권선) 전류와 보조권선(기동권선) 전류의 위상차에 의한 회전자계에 의해
기동하는 단상 유도 전동기이다.
※ 콘덴서 기동형
① 분상 기동형 단상 유도전동기의 한 종류
② 보조권선 : 기동권선
주권선 : 운전권선
회로도
③ 보조권선의 외부에 직렬로 콘덴서를 접속하여 보조권선의 전류를 주권선의 전류보다
90˚ 앞서게 함으로써 위상차가 생겨 회전자계를 발생시켜 기동한다. 가동이 끝나면
원심력 스위치 CS가 동작하여 보조권선을 분리한다.
17. 감리원은 공사 완료 후 준공검사 전에 공사업자로 부터 시운전 절차를 준비하도록 하여
시운전에 입회할 수 있다. 이에 따른 시운전 완료 후 성과품을 공사업자로 부터 제출받
아 검토한 후 발주자에게 인계하여야 할 사항(서류 등)을 5가지만 쓰시오.
① 운전개시, 가동 절차 및 방법
② 점검항목 점검표
③ 운전지침
④ 기기류 단독 시운전 방법 검토 및 계획서
⑤ 실가동 Diagram
▣ 전력시설물 공사감리업무 수행지침 제59조 (준공검사 등의 절차)
감리원은 시운전 완료 후 다음 각호의 성과물을 공사업자로 부터 제출받아 검토한 후
발주자에게 인계하여야 한다.
① 운전개시, 기동절차 및 방법
② 점검항목 점검표
③ 운전지침
④ 기기류 단독 시운전 방법 검토 및 계획서
⑤ 실가동 Diagram
⑥ 시험구분, 방법, 사용매체 검토 및 계획서
⑦ 시험성적서
⑧ 성능시험 성적서 (성능시험 보고서)
18. 변압기, 발전기, 모선 또는 이를 지지하는 애자는 어느 전류에 의하여 생기는 기계적
충격에 견디는 강도를 가져야 하는가 ? 단락전류
▣ 전기설비기술기준 제 23조 발전기 등의 기계적 강도
⊙ 발전기, 변압기, 조상기, 계기용변성기, 모선 및 이를 지지하는 애자는 단락전류에 의하
여 생기는 기계적 충격에 견디는 것이어야 한다.
19. 변압기의 손실과 효율
가. 변압기의 무부하손과 부하손에 대하여 설명하시오.
▣ 무부하손 : 부하의 유무에 관계없이 발생하는 손실과 철손이 있다.
▣ 부하손 : 부하전류에 의한 저항손을 말하며 동손이 있다.
나. 변압기의 효율을 구하는 공식
효율
다. 변압기의 최대 효율 조건을 쓰시오.
▣ 최대효율 조건은 철손과 동손이 같을 때이다.
20. 전력퓨즈의 역할과 기능
가. 퓨즈의 역할을 크게 2가지로 대별하여 간단하게 설명하시오.
▣ 부하전류는 안전하게 통전한다.
▣ 일정값 이상의 과전류는 차단하여 전로나 기기를 보호한다.
나. 각종 개폐기와 기능 비교표
다. 퓨즈의 특징 3가지
① 용단특성
② 단시간 허용특성
③ 전차단 특성
21. 수전설비 단선결선도에서 LBS는 ?
① 우리말 명칭 : LBS : Limit Breaker Switch : 부하 개폐기
② LBS 부하개폐기의 기능과 역할
▣ 기능 : 정상상태의 무부하 전류 및 부하전류를 개폐할 수 있으나 고장전류는 차단할 수
없음
▣ 역할 : 걔폐빈도가 낮은 송배전선 및 수변전 설비의 인입구 개폐
③ 같은 용도로 쓰이는 기기 2종류 : 기중부하개폐기, 자동고장구분 개폐기
22. 플리커 현상 경감 대책
가. 전원측에서의 대책
① 전용계통으로 공급한다.
② 단락용량이 큰 계통에서 공급한다.
③ 전용변압기로 공급한다.
④ 공급전압을 승압한다.
나. 수용가 측에서의 대책
① 전원계통에 리액터분을 보상하는 방법
⊙ 직렬콘덴서방식
⊙ 3권선 보상 변압기 방식
② 전압강하를 보상하는 방법
⊙ 부스터 방식
⊙ 상호 보상 리액터 방식
③ 부하의 무효전력 변동분을 흡수하는 방법
⊙ 동기조상기와 리액터 방식
⊙ 사이리스터(Thyrister) 이용 콘덴서 방식
⊙ 사이리스터 리액터
④ 플리커 부하전류의 변동분을 억제하는 방법
⊙ 직렬 리액터 방식
⊙ 직렬 리액터 가포화 방식
23. 전력용 진상 콘덴서의 정기점검(육안검사) 항목 3가지를 쓰시오.
① 단자부 이완 및 과열여부 점검
② 기름 누설 여부
③ 애자 손상 여부
▣ 전력용 콘덴서 정기점검
① 육안검사 : 단자부 이완, 단자부 과열, 기름누설, 애자손상, 용기 등의 녹발생,
보호장치 동작
② 후각 검사 : 이상한 냄새 여부
③ 절연저항 측정 (절연저항계)
④ 기기의 온도 (온도계)
24. 감리원은 매분익 마다 공사업자로 부터 안전관리 결과 보고서를 제출받아 이를 검토
하고 미비한 사항이 있을 때에 시정조치 해야 한다. 안전관리 결과 보고서에 포함
되어야 하는 서류 5가지만 쓰시오.
① 안전관리 조직표
② 안전보건 관리체계
③ 지해발생현황
④ 산재요양신청서 사본
⑤ 안전교육 실적표
▣ 전력시설물 공사감리업무 수행지침 제49조 (안전관리결과 보고서의 검토)
감리원은 매 분기마다 공사업자로 부터 안전관리 결과 보고서를 제출받아 이를 검토하고
미비한 사항이 있을 때에는 시정하도록 조치하여야 하며, 안전관리결과보고서에는 다음
각 호와 같은 서류가 포함되어야 한다.
① 안전관리 조직표
② 안전보건 관리체계
③ 재해발생 현황
④ 산재요양신청서 사본
⑤ 안전교육 실적표
⑥ 그밖에 필요한 서류
25. 피뢰기를 설치해야 할 장소 기준 4가지를 쓰시오.
① 발전소, 변전소 또는 이에 준하는 장소의 가공전선 인입구 및 인출구
② 특고압 가공전선에 접속하는 배전용변압기의 고압 및 특고압측
③ 고압 및 특고압 가공전선 으로 부터 공급받는 수용가의 인입구
④ 가공전선로와 지중전선로가 접속되는 곳
26. 욕실 등 인체가 물에 젖어 있는 상태에서 물을 사용하는 장소에 콘센트를 시설하는
경우에 설치하여야 하는 저압 차단기의 정확한 명칭을 쓰시오.
▣ 인체 감전 보호용 누선차단기
※ KEC 234.5 콘센트의 시설
욕조나 샤워시설이 있는 욕실 또는 화장실 등 인체가 물에 젖어 있는 상태에서 전기를 사용
하는 장소에 콘센트를 시설하는 경우 「전기용품 및 생활용품 안전관리법」의 적용을 받는
인체감전보호용 누전차단기(정격감도전류 15[mA]이하, 동작시간 0.03초 이하의 전류
동작형의 것에 한한다) 또는 절연변압기(정격용량 3[kVA] 이하인 것에 한한다)로 보호된
전로에 접속하거나, 인체감전보호용 누전차단기가 부착된 콘센트를 시설하여야 한다.
27. 다음은 전력시설물 공사감리업무 수행지침 중 감리원의 공사중지 명령과 관련된 사항
이다. ① ~ ⑤의 알맞은 내용을 답란에 쓰시오.
감리원은 시공된 공사가 품질확보 미흡 또는 중대한 위해를 발생시킬 우려가 있다고 판단
되거나, 안전상 중대한 위험이 발견된 경우에는 공사중지를 지시할 수 있으며 공사중지는
부분중지와 전면중지로 구분한다. 부분중지의 경우는 다음 각호와 같다.
⊙ ( ① ) 이(가) 이행되지 않는 상태에서는 다음 단계의 공정이 진행됨으로써 ( ② )이(가)
될 수 있다고 판단될 때
⊙ 안전 시공상 ( ③ ) 이(가) 예상되어 물적, 인적 중대한 피해가 예견될 때
⊙ 동일 공정에 있어 ( ④ ) 이 (가) 이행되지 않을 때
⊙ 동일 공정에 있어 ( ⑤ ) 이(가) 있었음에도 이행되지 않을 때
▣ 전력시설물 공사감리업무 수행지침 제41조 (감리원의 공사 중지명령 등)
전력기술관리법 제13조에 따라 감리원은 공사업자의 공사의 설계도서, 설계명령서 그 밖
에 관계 서류의 내용과 적합하지 아니하게 시공하는 경우에는 재시공 또는 공사중지 명령
이나 그 밖에 필요한 조치를 할 수 있다.
1. 재시공
시공된 공사가 품질확보 미흡 또는 위해를 발생시킬 우려가 있다고 판단되거나, 감리원의
확인 · 검사에 대한 승인을 받지 아니하고 후속 공정을 진행한 경우와 관계 규정에 마지 아
니하게 시공한 경우
2. 공사중지
시공된 공사가 품질확보 미흡 또는 중대한 위해를 발생시킬 우려가 있다고 판단되거나, 안
전상 중대한 위험이 발견된 경우에는 공사중지를 지시할 수 있으며 공사중지에는 부분중지
와 전면중지로 구분된다.
가. 부분중지
① 재시공 지시가 이행되지 않는 상태에서는 다음 단계의 공정이 진행됨으로써 하자발생이
될 수 있다고 판단될 때
② 안전시공상 중대한 위험이 예상되어 물적, 인적 중대한 피해가 예견될 때
③ 동일 공정에 있어 3회 이상 시정지시가 이행되지 않을 때
④ 동일 공정에 있어 2회 이상 경고가 있었음에도 이행되지 않을 때
나. 전면중지
① 공사업자가 고의로 공사의 추진을 지연시키거나, 공사의 부실 발생우려가 짙은 상황에
서 적절한 조치를 취하지 않은 채 공사를 계속 진행하는 경우
② 부분중지가 이행되지 않음으로써 전체공정에 영향을 끼칠 것으로 판단될 때
③ 지진 · 해일 · 폭풍 등 불가항력적인 사태가 발생하여 시공을 계속할 수 없다고 판단될 때
④ 천재지변 등으로 발주자의 지시가 있을 때
28. 단상 유도 전동기 종류 (기동형태에 따라)
29. AISS의 명칭을 쓰고 기능을 2가지 쓰시오.
▣ AISS : 기중 절연형 자동 고장 구분 개폐기
▣ 기능 : ① 고장구간을 자동으로 개방하여 사고확대를 방지
② 전부하 상태에서 자동(또는 수동)으로 개방하여 과부하 보호
30. 피뢰기의 공칭 방전전류
▣ 내선규정 제3250절 피뢰기
공칭방전전류
설치장소
적용조건
10,000[A]
변전소
⊙ 154[kV] 이상의 계통 ⊙ 66[kV] 및 그 이하의 계통에서 Bank 용량이 3000[kVA]를 초과 하거나 특히 중요한 곳 ⊙ 장거리 송전케이블 (배전선로 인출용 단거리케이블은 제외) 및 정전축전기 Bank를 개폐하는 곳 ⊙ 배전선로 인출측 (배전 간선 인출용 장거리 케이블은 제외)
