전기기능사 필기 전기이론 - 직류회로

전기기능사 기출문제 해설

★ 기출 문제풀이 위주로 진행하면서 문제를 푸는데 필요한 이론과 공식을 함께 설명한다. 기준은 전기를 처음 공부하는 사람의 기준에 맞추어 설명 하는게 목표인데 잘될지 모르겠다. 최선을 다해서 해보자!

   

많은 수험생들이나 강의하는 선생님들도 전기 공부보다는 합격을 위한 문제풀이 이론 설명을 하고 수험생은 계속 기출 문제와 공식만 외우면서 주문을 외친다 36개 36개… 물론 틀린 말은 아니다 1분에 1문제씩 풀어야 하는데, 시간은 없고 문제 읽고 아는 문제면 답안지 체크, 다음 문제 그러다 생각이 않나면? 그냥 찍고.. 내 생각에는 어차피 시간 내서 공부하는데 조금은 정공법으로 갈필요가 있지 않을까? 특히 비 전공자자에게는 더욱 그러하다. 어째든 내 생각이 그렇다는 거다..

문제를 풀기 위해서는 몇 가지 단계가 있다.

1. 문제에서 기술한 용어, 단위 등의 정의를 이해

2. 문제가 요구하는 바를 이해

3. 문제를 해결하기 위해 필요한 기본 이론과 지식들을 뇌의 저장공간에서 꺼내 배열한다.

4. 배열한 지식과 문제에서 주어진 정보를 이용하여 계산 혹은 추론하여 답 찾기

   

위의 단계를 거치지 않고 단계를 생략 혹은 필요 지식이 부족한 경우 문제해결이 어렵게 된다. 항상 명심하자

기출 문제중 대표적인 문제이거나 좀 어려운 문제 위주로 해설 하고자 한다. 본 문제의 해설을 이해하면 다른 문제는 쉽게 풀 수 있을 것으로 생각한다.

   

PS) 용어에 대한 어려움

전기 자격증 공부를 하면서 용어가 낯설고 외어지지 않아 너무 힘들었다. 대부분의 용어들이 한글도 아닌 한자를 그대로 옮겨놓으니, 무슨 뜻인지도 모르고, 영어를 한글로 발음 나는 대로 쓴 용어들 무슨 뜻인지.. 비전공자는 얼마나 얼마나 어려울까….. 몇가지 예를 들면

가공전선로 : 공중에 가설한 전기가 흐르는 길

가요전선관 : 可撓 電線管 : 구부러짐이 가능한 전선관 뜻을 알면 용어를 외울 필요도 없다.

 

1. 전기이론

1. 직류회로

- 저항 특성

1. 도체의 길이를 n 배로 하고 단면적을 1/n로 하였을 때의 저항은 원래 저항보다 어떻게 되는가? 2012

 

    가. n배로 된다.     나. n²배로 된다.     다. 　　배로 된다     라. 1/n 배로 된다.

2. 전선의 체적을 일정하게 하고 길이를 2배로 늘리면 저항은 몇배가 되는가? 2008

    가. 1/2     나. 2       다. 4     라. 1/4

   

[해설] 위 문제는 저항의 성질을 이해하는지 확인하는 문제이다

 

2. 체적이 일정하다의 의미를 보면 아래 그림의 전선의 체적은 전선길이*단면적 A이므로

 

 

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- 기전력과 내부저항

기전력 1.5V, 내부저항 0.1Ω 인 전지 4개를 직렬로 연결하고 이를 단락했을 때의 단락전류(A)는? 2014

    ① 10         ② 12.5         ❸ 15         ④ 17.5

   

기전력의 정의

단위전하당 한일을 말하며 단위전하를 이동시키는데 필요한 일이라고 정의하나 쉽게 말하면 A점과 B점 사이에 전류를 흘리게 하는 힘으로 표현할 수 있다. 단위는 J/C, Volt(V)이다. 전지 , 발전기와 같이 내부에서 전류를 흐르게 하는 동력을 기전력 이라 한다. 전지와 같은 기전력을 일으키는 장치에는 내부 저항이 있으며 이상적인 경우 0이며 실제의 경우 위의 문제와 같이 내부저항이 존재한다.

   

단락(短絡)의 정의 ,

보통 쇼트(Short), 합선이라고도 한다. 한자의 의미가 짧을단 이을락(최단으로 짧게 연결했다) 아래 그림과 같이 단자 A, B사이가 개방(Open)되어 있는데, A B사이를 이어 붙인 상태를 단락이라 한다.

단자사이의 저항은 0이고 전압이 0V이다.

단락

개방

개방(開放)의 정의

보통 오픈(Open), 단선이라고도 한다. 그림과 같이 A B 사이의 선을 짤랐다고 보면 된다.

그러므로 단자 사이의 저항이 무한대이고 사이에 전류는 0A이다.

 

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[해설] 기전력은 1.5*4개 = 6V 이고 내부저항은 r 4개는 직열로 연결되어 있으므로 0.1*4=0.4 Ω 전류(I)=전압(V)/저항(R) 이므로 6/0.4= 15A이다

- 합성저항 구하기

20. 그림에서 a-b간의 합성저항은 c-d간의 합성저항 보다 몇 배인가? 2015-07

    ① 1배 ❷ 2배  ③ 3배 ④ 4배

[해설] 휘스톤 브리지회로의 이해

휘스톤브리지 회로는 그림 1과 같이 단자 A-b사이에 전원이 공급할 때 마주보는 저항의 곱이 같으면 회로가 평형을 이루어 c-d사이에 전류가 흐르지 않는다. 그림에 표시된 모든 저항이 r로 같으므로 평행한 저항의 곱의 크기가 같다. 브리지회로의 평형상태이므로 cd 사이에는 전류가 흐르지 않는다.

∴ 전류가 흐르지 않는다 -> Open(개방)의 의미 -> 저항이 없는 것으로 간주

그림1

 

　　 그림2 　　　　　　　　　그림3

그림3의 브리지 회로이므로 붉은색 r은 없는것으로 간주하면 합성저항값 R_ab = 2r//2r = r 이며

그림2의 c-d사이의 합성저항은 R_cd = 2r//r//2r = r/2 그러므로 R_ab = 2 * R_cd

   

10. 회로에서 a-b 단자간의 합성저항(Ω) 값은? 2014

    ① 1.5 ② 2  ❸ 2.5 ④ 4

   

[해설] 휘스톤 브리지회로의 이해

그림을 다시 그려보면 아래와 같은 브리지회로가 된다. 평행한 저항 값이 4*1 과 4*1로 모두 4옴으로 일치하므로

2옴 저항에는 전류가 흐르지 않는다 고로 저항 2옴은 없는 것으로 간주하면 (4+1}//(4+1)=2.5옴

문제의 그림에서 브리지회로로 변환ㅁ되는게 이해않되면 파랑색으로 표시한 전류의 방향을 참조.

   

다음 회로에서 a, b 간의 합성 저항은? 2011

   가. 1[Ω] 나. 2[Ω] 다. 3[Ω] 라. 4[Ω]

   

위의 합성저항 계산 공식을 암기해야 한다. 공식을 보면 분수 계산만 해도 쉽게 해결할 수 있다.

   

아래 그림과 같이, 풀이 순서는 병열 저항끼리 먼저 계산해서 직열 회로로 만든다

합성저항은 1+1+1 = 3[Ω]

   

10[Ω] 저항 5개를 가지고 얻을 수 있는 가장 작은 합성저항 값은? 2011

    가. 1[Ω]         나. 2[Ω]         다. 4[Ω]         라. 5[Ω]

   

[해설]아래 풀이와 같이 직열로 저항을 연결하면 큰값이되고 병열로 연결하면 작은 값이 된다.

10옴짜리 저항 5개를 가지고 합성저항을 만든다면 직열 연결시 제일 큰값 10+10+10+10+10=50옴

   

동일한 저항 4개를 접속하여 얻을 수 있는 최대저항 값은 최소 저항 값의 몇 배인가? .)2016

    ① 2 ② 4 ③ 8 ❹ 16

직열 저항값을 병열 저항값으로 나누면 4R/(4/R)= R² 4²=16 이다

   

- 전압, 전류의 분배법칙

13. 그림과 같은 회로의 저항값이 R₁> R₂> R₃> R₄ 일 때 전류가 최소로 흐르는 저항은? 2015

   ① R₁         ❷ R₂         ③ R₃         ④ R₄

[해설] 전류,전압 분배법칙을 이해

∵ V = I* (R1//R2//R3)

R1+(R2//R3//R4)의 값이 전체 저항 값이고 단자 사이의 전압이 V이면 전체 전류는 I=V/(R1+(R2//R3//R4))이다

직열 연결에서는 각 저항에 같은 크기의 전류가 흐르므로 전체전류 I가 R1에 흐르고 또한 I가 병열 연결된 R1,R2,R3에 분배 되어 흐르므로 R2 R3 R4 중 제일 큰 저항에 제일 작은 전류가 제일 작은 저항에 R4에 제일 큰 전류가 흐르게 된다.

 

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- 테브난의 정리

11. 그림을 테브난 등가회로로 고칠 때 개방전압 V와 저항 R은? 2008

    가. 20[V], 5[Ω] 나. 30[V], 8[Ω] 다. 15[V], 12[Ω] 라. 10[V], 1.2[Ω]

   

[해설] 테브난의 정리는 저압원과 여러 개의 저항으로 구성된 회로망을 단순화 시키기 위한 기법으로

- a-b 단자를 개방하고(문제에서는 미리 개방해서 출제했다) 개방 단의 전압 V_ab를 구하고

- 전원을 단락시킨 후 a-b 단에서 바라본 등가 저항 R_th를 구하는 것이다.

문제에서 개방전압 V는 개방시 전압 V_ab 와 저항 R은 등가저항 R_th을 구하라는 의미이다.

 

합성저항,

R_th 는 쳪의 그림과 같이 (3//6) + 3 = 5옴 그러므로 20v  5옴

 

- 옴의법칙, 전압강하

15. 그림에서 단자 A-B 사이의 전압은 몇 V 인가? 2014

    ① 1.5         ❷ 2.5         ③ 6.5         ④ 9.5

[해설]

그림에 극성을 표시해서 전류의 흐름 방향으로 더하면

 

 

13. 그림에서 폐회로에 흐르는 전류는 몇 A인가? 2014

    ① 1         ❷ 1.25          ③ 2         ④ 2.5

 

전압의 합은 15-5=10V 저항의 합은 5+3=8옴 이다.

전압의합이 이해 않되면 그림을 보면 붉은섹이 전류의 방향이고, 15V, 5V의 극성이 + - + - 이므로 5V의 극성이 반대이다. 5V는 마이너스이다.

∴ 10/8= 1.25옴

14. 그림과 같은 회로에서 a-b간에 E(V)의 전압을 가하여 일정하게 하고, 스위치 S를 닫았을 때의 전전류 I(A)가 닫기 전 전류의 3배가 되었다면 저항 Rx의 값은 약 몇 Ω인가? 2016-07

① 0.73         ② 1.44         ③ 2.16         ④ 2.88

[해설] 스위치가 개방 상태 :

저항의 합은 직열이므로 8+3=11옴, 전전류 I = E/11

 

스위치가 닫힌 상태 :

닫 은후의 전전류가 닫기 전의 3배이므로 3 * I = I'