직렬 회로 | 특성, 응용 및 예

직렬 회로의 이해

직렬 회로는 모든 구성 요소가 단일 연속 경로에서 끝에서 끝으로 연결되는 전기 구성입니다. 이러한 배열을 통해 전류가 각 구성 요소를 순차적으로 통과할 수 있습니다. 직렬 회로에서는 전류가 모든 구성 요소에 걸쳐 일정하게 유지되며, 전압은 각각의 저항에 비례하여 분배됩니다. 직렬 회로는 그 간단함과 분석의 용이성 때문에, 연휴 조명 끈이나 간단한 배터리로 작동하는 장치와 같은 다양한 전자 장치에서 흔히 사용됩니다. 그러나 직렬 회로의 한 가지 단점은 하나의 구성 요소가 고장 나거나 연결이 끊어지면 전체 회로가 중단되어 모든 구성 요소의 기능이 중단된다는 것입니다.

직렬 회로의 특성

구성 요소가 단일 경로에서 끝에서 끝으로 연결됩니다.
모든 구성 요소를 통해 동일한 전류가 흐릅니다.
총 저항은 개별 저항의 합계와 같습니다.
원천 전압은 저항 값에 기반하여 구성 요소들 사이에 분배됩니다.

분석

총 저항 결정: R_total = R₁ + R₂ + … + R_n
오옴의 법칙을 사용하여 전류 계산: I = V_total / R_total
각 구성 요소에 걸쳐 전압 강하 결정: V_component = I * R_component
각 구성 요소의 전력 소모 계산: P_component = I² * R_component

응용

전류 제한: 회로 또는 구성 요소를 통한 전류 흐름을 제한하기 위해 직렬 저항을 자주 사용합니다.
전압 분할: 저항을 직렬로 연결하여 전압 분배기를 만들 수 있으며, 이를 통해 여러 구성 요소에 걸쳐 전압을 분배할 수 있습니다.
센서 회로: 센서 네트워크에서 전류 흐름의 변화를 감지하기 위해 여러 센서를 직렬로 연결하는 데 직렬 회로가 사용됩니다.

DC 직렬 회로 계산 예시

전압원(V)과 세 개의 저항(R₁, R₂, R₃)이 직렬로 연결된 간단한 DC 직렬 회로를 고려해 봅시다. 회로를 통한 전류(I)와 각 저항에 걸쳐 있는 전압을 계산하는 것이 목표입니다.

주어진 값:

V = 12 V (DC)
R₁ = 4 Ω
R₂ = 6 Ω
R₃ = 2 Ω
1단계: 직렬 회로의 총 저항(R_total) 결정: R_total = R₁ + R₂ + R₃ = 12 Ω

2단계: 회로를 통한 전류(I) 계산: 오옴의 법칙을 사용하여 전류를 찾습니다: I = V / R_total = 1 A

3단계: 각 저항에 걸쳐 전압 계산: 오옴의 법칙을 다시 사용하여 각 저항에 걸쳐 전압을 찾습니다:

V_R1 = I * R₁ = 4 V
V_R2 = I * R₂ = 6 V
V_R3 = I * R₃ = 2 V
결론적으로, 직렬 회로를 통한 전류(I)는 1 A이며, R₁에 걸쳐 있는 전압(V_R1), R₂(V_R2), R₃(V_R3)은 각각 4 V, 6 V, 2 V입니다. 개별 전압의 합이 원천 전압과 같음을 주목하세요: V = V_R1 + V_R2 + V_R3 = 12 V

AC 직렬 회로 계산 예시

저항(R), 캐패시터(C), 인덕터(L)가 AC 전압원(V)에 직렬로 연결된 간단한 직렬 회로를 고려해 봅시다. 회로를 통한 전류(I)와 각 구성 요소에 걸쳐 있는 전압을 계산하는 것이 목표입니다. 이 계산을 위해 위상 분석 기법을 사용할 것입니다.

주어진 값:

V = 120 V (rms), 주파수 60 Hz
R = 10 Ω
L = 200 mH
C = 100 μF
1단계: 각속도(ω) 계산: ω = 2 * π * f ≈ 377 rad/s

2단계: 인덕턴스 리액턴스(X_L)와 용량성 리액턴스(X_C) 계산:

X_L = ω * L = 75.4 Ω
X_C = 1 / (ω * C) ≈ 26.5 Ω
3단계: 직렬 회로의 총 임피던스(Z) 결정: Z = R + j(X_L – X_C) ≈ 10 + j48.9 Ω

4단계: 임피던스의 크기 계산: |Z| ≈ 50.1 Ω

5단계: 회로를 통한 전류(I) 계산: I = V / |Z| ≈ 2.4 A

6단계: 각 구성 요소에 걸쳐 전압 계산:

V_R = I * R = 24 V
V_L = I * X_L ≈ 180.96 V
V_C = I * X_C ≈ 63.6 V
결론적으로, 직렬 회로를 통한 전류(I)는 약 2.4 A이며, 저항(R)에 걸쳐 있는 전압(V_R), 인덕터(L)(V_L), 캐패시터(C)(V_C)는 각각 약 24 V, 180.96 V, 63.6 V입니다. 리액티브 구성 요소(인덕터와 캐패시터)에 걸쳐 있는 전압 사이의 위상 차이 때문에 개별 전압의 크기 합이 원천 전압과 같지 않음을 주목하세요.