저전압 AC 전원 장치: 위상 시프트 회로 부품 및 모범 사례

부품 및 재료

• 저전압 AC 전원 장치
• 커패시터 2개, 각 0.1µF, 무극성 (Radio Shack #272-135)
• 저항 2개, 각 27kΩ

세라믹 디스크 커패시터를 추천합니다. 무극성이라 극성 걱정 없고, 저렴하고 내구성이 좋습니다. 극성 표시가 있는 커패시터는 AC 전원 연결 시 파괴되니 절대 쓰지 마세요!

 

참조 자료

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, Chapter 1: "Basic AC Theory" (기본 교류 이론)

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, Chapter 4: "Reactance and Impedance—Capacitive" (리액턴스와 임피던스 - 용량성)

 

학습 목표

• 위상이 다른 AC 전압은 대수적으로 더해지지 않고 벡터(페이저) 연산으로 더해진다는 것 이해

 

회로도

 

 

실물 배선도

 

 

실험 방법

회로를 구성하고 AC 전압계로 각 소자 양단 전압 강하를 측정하세요. 같은 전압계로 총(공급) 전압도 측정하세요. 전압 강하들의 합이 총 전압과 같지 않음을 발견할 것입니다. 이는 회로 내 위상 시프트 때문입니다: 커패시터 양단 전압 강하는 저항 양단 전압 강하와 위상이 어긋나므로, 단순히 더해져서 총 전압이 되지 않습니다. 위상각을 고려하면 벡터 합으로 총 전압과 일치하지만, 전압계는 진폭만 보여주고 위상각 정보는 주지 않습니다.

두 저항 양단 전압을 한 번에 측정해 보세요. 이 전압 강하는 각 저항 개별 강하의 합과 일치합니다. 이는 두 저항의 전압 강하 파형이 서로 동위상임을 의미합니다.

두 커패시터 양단 전압을 한 번에 측정해 보세요. 이 경우도 두 커패시터 개별 강하의 합과 일치합니다. 즉, 두 커패시터 전압 강하 파형도 서로 동위상입니다.

전원 주파수가 60Hz(미국 가정용 전력 주파수)라 가정하면, 모든 소자의 임피던스를 계산하고 옴의 법칙(E=IZ, I=E/Z, Z=E/I)으로 전압 강하를 구하세요. 결과의 극좌표 크기는 전압계 읽기와 거의 일치할 것입니다.

 

컴퓨터 시뮬레이션

 

노드 번호가 표시된 회로도:

 

두 큰 저항 R_bogus1과 R_bogus2는 커패시터 양단에 연결되어 SPICE가 작동하도록 DC 경로를 제공합니다. 이는 SPICE의 특성상 커패시터를 개방 회로로 보는 것을 막기 위한 "수정"입니다. 실제 회로에서는 전혀 필요 없는 저항들입니다.

넷리스트 (다음 텍스트를 그대로 포함하는 텍스트 파일 생성):

phase shift
v1 1 0 ac 12 sin
r1 1 2 27k
r2 2 3 27k
c1 3 4 0.1u
c2 4 0 0.1u
rbogus1 3 4 1e9
rbogus2 4 0 1e9
.ac lin 1 60 60
* 각 소자 양단 전압:
.print ac v(1,2) v(2,3) v(3,4) v(4,0)
* 동종 소자 쌍 양단 전압
.print ac v(1,3) v(3,0)
.end

 

관련 워크시트:

• AC Power Worksheet
• AC phase Worksheet