회로 이론은 전기 전자 공학의 밥이라 할 정도로 각 분야의 바탕이 되는 중요한 이론이다. 이 책은 전기 및 전자 공학을 전공하는 2학년 학생을 대상으로 한 책이며 가능한 한 많은 그림을 삽입하여 회로가 자연히 눈에 익도록 하였다. 그 내용은 다음과 같다.
1장 회로의 기본 개념
회로의 기본 변수인 전압과 전류의 의미를 물리적으로 설명하고, 회로 소자 중 저항에 대한 옴의 법칙에 대해 설명한다. 그리고 회로를 구동하는 전원에 대해 설명한다. 전력을 공급하는지 흡수하는지를 구별하는 수동부호 규정에 대해 알아본다.
2장 회로 법칙
회로를 지배하는 법칙인 키르히호프 법칙에 대해 설명한다. 법칙 이해에 초점을 맞추기 위해 가장 쉬운 저항성 회로를 통해 옴의 법칙, 키르히호프 법칙, 전압과 전류 분배 법칙, 중첩의 원리 등을 소개한다.
3장 회로 해석
회로를 해석하는 여러 가지 기법을 소개한다. 특히 회로를 해석하기 전에 회로를 간소화하는 사전 작업이 매우 유용하다. 3장에서는 회로를 간소화하는 여러 가지 중요한 정리들인 전원 변환, 등가저항, 테브닌 정리에 대해 설명한다. 그리고 회로를 총체적이고 일괄적으로 해석할 수 있는 마디 해석과 폐로 해석에 대해서도 설명한다. 마디해석과 폐로 해석은 특히 컴퓨터로 해석하기에 적합하다.
4장 에너지 저장 소자
에너지를 저장할 수 있는 용량성 소자인 커패시터와 유도성 소자인 인덕터의 원리에 대해 설명한다. 에너지의 연속성에 의해 에너지 저장 소자 역시 연속성을 만족하여야 한다는 연속성 조건에 대해 설명한다.
5장 회로 방정식
에너지 저장 소자가 포함된 동적 회로의 회로 방정식을 유도하는 방법에 대해 설명한다. 특히 미분 연산자 방법을 이용하면 동적 회로를 저항성 회로와 같은 차원에서 해석할 수 있음을 보여주며 전달 함수의 중요성에 대해서도 인식시킨다. 아울러 미분 방정식의 해법에 대해서도 간단히 언급한다.
6장 일차 회로
에너지 저장 소자가 하나만 포함된 일차 동적 회로인 RC와 RL 회로에 대해 설명한다. 일차 동적 회로의 시정수, 충전, 방전과 같은 기본적인 개념을 직류 회로를 통해 충분히 이해시킨다. 회로의 완전 응답에 대해 설명하고 스위치 회로를 통해 과도 상태와 정상 상태에 대해 충분히 훈련시킨다.
7장 이차 회로
일차 회로에 비해 보다 복잡하고 다양한 동적 특성을 보이는 이차 회로에 대해 설명한다. 이차 회로는 특히 그 고유 응답이 세 가지의 복잡한 형태를 보임을 이해시킴으로써 동적 회로의 완전한 의미를 이해할 수 있게 한다. 특히 완전 응답을 구하는 데 필요한 도함수 초기 조건을 구하는 문제가 쉽지 않음을 보여준다. 이차 회로의 특성을 충분히 느낄 수 있도록 복잡한 스위치 회로를 통해 단련시킨다.
8장 정현파와 복소수
회로를 주파수 영역에서 해석하면 시간 영역에서 얻을 수 없는 유리한 점이 있다. 이 장에서는 주파수 영역상의 해석을 위한 기본 이론인 정현파와 복소수 및 이를 이용한 페이저와 복소 임피던스 개념에 대 등에 대해 설명한다. 특히 페이저는 미분방정식을 간단한 대수 방정식으로 대신할 수 있는 매우 유용한 수단임을 인식시킨다.
9장 교류 회로
정상 상태에 있는 교류 회로는 페이저 회로를 이용하여 저항성 회로와 같이 대수 방정식으로 간단히 해석할 수 있음을 이해시킨다. 이를 위해 저항성 회로 해석에 사용된 모든 회로 해석 방법을 교류 회로에 적용시킨다. 그리고 교류 회로의 전력에 대해서도 설명한다. 특히 단순한 저항성 회로와는 달리 교류 회로에는 에너지 저장 소자가 있으므로 무효 전력이 생길 수 있다는 것을 보인다. 이를 위해 복소 전력과 역률의 개념에 대해 설명한다.
10장 3상 회로
다상 회로는 단상 회로에 비해 전력 전송에 유리하다. 이 장에서는 다상 회로 중에서 가장 널리 사용되는 3상 회로에 대해 설명하며, 여기에는 3상 전원의 결선 방법, 3상 부하의 결선 방법 및 3상 전력 문제 등이 소개된다.
11 주파수 응답 및 필터
회로의 주파수 응답은 시간상의 응답과는 달리 회로의 또 다른 면을 이해할 수 있는 중요한 수단이 된다. 주파수 응답에는 크기 응답, 위상 응답 및 공진 등의 개념이 포함된다. 이 장에서는 회로의 주파수 응답이 의미하는 바와 이를 이용한 필터에 대해 설명한다. 특히 복잡한 수식을 전개하지 않고도 회로상에서 필터를 간단히 해석할 수 있는 방법에 대해 설명한다. 그리고 회로의 주파수 응답을 쉽게 그림으로 표현할 수 있는 보드 선도에 대해서도 설명한다.
12 유도 결합 회로
회로를 자기적으로 결합하는 유도 결합 회로에 대해 설명한다. 유도 결합의 가장 대표적인 응용이 변압기이며 선형 변압기, 이상적인 변압기, 완전 결합 변압기 등에 대해 자세히 설명한다. 특히 변압기가 전압의 승압과 강압에만 국한되는 것이 아니라 임피던스 변환기라는 독특한 기능이 있음을 보여준다.
13 2단자쌍 회로
테브닌 정리는 단자쌍이 하나인 회로를 간소화하고 등가화하는 방법이지만 이 장에서는 단자쌍이 두 개인 2단자쌍 회로의 등가화에 대해 설명한다. 2단자쌍은 입력 단자쌍과 출력 단자쌍의 관계를 묘사하는 파라미터의 종류와 이를 회로적으로 표현하고 이용하는 법에 대해 배운다. 2단자쌍 회로망은 테브닌 등가회로와 노턴 등가회로의 조합임을 이해시킨다.
14 라플라스 변환
라플라스 변환은 회로를 대수적으로 해석하게 하는 중요한 수단이다. 특히 페이저 회로는 입력이 정현파인 경우로 국한되지만 라플라스 변환은 어떠한 경우든 제한 없이 적용할 수 있다. 이 장에서는 라플라스 변환의 정의와 성질에 대해 설명한다.
15 s-영역 해석
라플라스 변환을 이용하여 회로를 s-영역으로 등가화하면 모든 해석이 대수 방정식으로 일관된다. 이 장에서는 라플라스 변환을 회로에 실제로 응용하는 방법에 대해 배우며 특히 초기 조건에 대한 문제가 해결될 수 있는 초기원의 활용에 대해 중점적으로 설명한다.
16 상태 방정식
회로를 표현하는 데는 전달 함수 외에 상태 방정식이 있으며 이는 자동 제어 분야에서 많이 활용되고 있다. 상태 방정식은 하나의 고계 미분방정식을 다수의 일계 미분방정식으로 전환시키는 것이다. 이 장에서는 회로에서 상태 변수를 정하는 방법과 이로부터 상태 방정식을 꾸미는 방법에 대해 설명한다.
17 푸리에 해석
라플라스 변환과 쌍벽을 이루는 중요한 변환인 푸리에 변환과 회로에의 응용에 대해 설명한다. 이를 위해 푸리에 변환을 이해하는 전 단계로서 푸리에 급수의 원리에 대해 설명하며 이를 바탕으로 푸리에 변환을 유도한다. 푸리에 변환은 주파수 영역상의 개념이므로 특히 통신 및 신호처리 분야에서 반드시 필요한 내용이다.
이 책의 출간에 수고를 아끼지 않으신 GS인터비전의 송 기수 사장님께 감사 드린다. 그리고 언제나 곁에서 나를 지켜주는 사랑하는 아내 김 미림과 나의 행복인 사랑하는 딸 신 지원 그리고 아들 같은 사위 김 대희에게 이 책을 바친다.
2015년 3월 26일
왕방산 대진대학교에서
