[철도신호기사 필기] 05년 2회차 기출문제 정답·해설 페이지

광전음극의 일함수는 한계파장에 해당하는 광자에너지와 같으며, $E = \dfrac{hc}{\lambda}$로 구한다.
실용 단위로 $E(\mathrm{eV}) = \dfrac{1240}{\lambda(\mathrm{nm})}$를 쓰면, $\lambda = 4500\,\text{Å} = 450\,\mathrm{nm}$이므로 $E = \dfrac{1240}{450} \approx 2.76\ \mathrm{eV}$이다.
따라서 이 광전음극의 일함수는 약 2.76eV이다.

발진기는 증폭기의 출력 신호 일부를 입력측으로 정귀환(양궤환)시켜 스스로 지속적인 신호를 만들어내는 회로이다.
즉 출력신호가 위상과 크기 조건(바크하우젠 조건)을 만족하며 입력에 다시 가해질 때 발진 출력이 나타난다.

고속 스위칭 소자는 On/Off 전환이 빨라야 하므로 상승시간이 짧을수록 유리하다.
반대로 하강시간이나 축적시간이 길거나 응답속도가 느리면 스위칭 동작이 지연되어 고속 동작에 부적합하다.

정답은 $f = \dfrac{1}{2\pi RC}$ 이다.
발문의 브리지는 한 팔이 R과 C의 직렬, 다른 팔이 같은 값 R과 C의 병렬이고, 나머지 두 팔인 $R_1$·$R_2$ 는 증폭기의 부귀환 이득을 정하는 분압 저항이다. 즉 RC 직렬·병렬 팔이 정귀환 경로를 이루는 윈 브리지 발진회로다.
이 정귀환망의 귀환율은 $\beta = \dfrac{1}{3 + j\left(\omega RC - \dfrac{1}{\omega RC}\right)}$ 이고, 귀환 위상이 0이 되려면 허수부가 사라져야 하므로 $\omega RC = \dfrac{1}{\omega RC}$, 곧 $\omega = \dfrac{1}{RC}$ 다.
$\omega = 2\pi f$ 이므로 $f = \dfrac{1}{2\pi RC}$ 이며, 이때 $\beta = \dfrac{1}{3}$ 이라 증폭도가 3 이상이어야 발진이 지속된다. 발진 주파수를 정하는 것은 직렬·병렬 팔의 R과 C뿐이고 $R_1$·$R_2$ 는 이득만 결정하므로, 이들이 들어간 식이나 C의 차수가 맞지 않는 식은 주파수 식이 될 수 없다.

증폭기의 대역폭은 이득이 중역이득 대비 -3dB(약 0.707배)로 떨어지는 상한 및 하한 임계주파수(차단주파수) 사이의 구간으로 정의된다.
따라서 대역폭을 결정하는 것은 임계주파수이며, 중역이득 자체는 대역폭의 크기가 아니라 이득 수준을 나타내는 값이다.

동상제거비(CMRR)는 차동이득과 동상이득의 비로 정의되며, $\mathrm{CMRR} = \dfrac{A_d}{A_c}$이다.
$\mathrm{CMRR} = \dfrac{2000}{0.2} = 10000$이며, 이를 dB로 환산하면 $20\log_{10}(10000) = 80\ \mathrm{dB}$이다.
따라서 이 차동증폭기의 동상제거비는 80dB이다.

전압직렬(직렬-병렬) 부궤환 증폭기는 궤환에 의해 출력임피던스가 감소하고 입력임피던스는 증가하는 것이 특성이다.
부궤환은 위상일그러짐과 잡음을 줄이고 안정도를 향상시키지만, 출력임피던스를 증가시키지는 않으므로 출력임피던스가 증가한다는 설명은 틀린 내용이다.

3변수(X, Y, Z)를 입력으로 하는 전가산기에서 합(S)의 논리는 $S = X \oplus Y \oplus Z$로 옳다.
그러나 캐리비트(C)의 논리는 두 변수의 곱만으로 표현되지 않고, 세 변수 중 둘 이상이 1인 경우를 판정하는 $C = XY + YZ + ZX$로 표현된다.
따라서 캐리비트의 논리를 한 항의 곱으로만 나타낸 설명은 틀린 내용이다.

정답은 $h_{fe} = \dfrac{L_1 + M}{L_2 + M}$ 이다(정확히는 이 값 이상이어야 발진이 지속된다).
발문의 회로는 코일 $L_1$·$L_2$ 와 커패시터 C 하나로 동조회로를 구성하고 두 코일 사이의 탭을 트랜지스터 이미터(접지)에 연결한 하틀리 발진기다. 코일 쪽 소자가 둘, 커패시터가 하나라는 점이 콜피츠 발진기와 구별되는 특징이다.
탭을 기준으로 $L_1$ 쪽이 베이스(입력), $L_2$ 쪽이 컬렉터(출력)에 놓이고 두 코일이 자기적으로 결합해 상호인덕턴스 M이 더해지므로, 각 쪽의 실효 인덕턴스는 $L_1 + M$ 과 $L_2 + M$ 이 된다.
귀환량이 이 두 값의 비로 정해지므로 발진을 지속하려면 $h_{fe} \geq \dfrac{L_1 + M}{L_2 + M}$ 이어야 하고, 보기는 그 한계값을 등호로 적어 둔 것이다. 상호인덕턴스를 빼거나($L-M$) 아예 무시한 식, $L_1$ 과 $L_2$ 를 뒤집은 식은 결합에 의해 인덕턴스가 더해진다는 관계나 분모·분자 위치를 어긴 것이다.

제너 저항은 제너 전압의 변화량을 제너 전류의 변화량으로 나눈 값으로 구한다.
$R_Z = \dfrac{\Delta V_Z}{\Delta I_Z} = \dfrac{0.1\ \mathrm{V}}{10\ \mathrm{mA}} = \dfrac{0.1}{0.01} = 10\ \Omega$
따라서 이 전류 범위에서 제너 저항은 10Ω이다.

정답은 AND 게이트다.
발문의 회로는 입력 A·B에 각각 다이오드 $D_1$, $D_2$ 의 캐소드를 붙이고 애노드를 한데 묶어 출력 C로 내며, 그 출력점에는 $+V_{CC}$ 에서 저항으로 풀업을 걸어 둔 다이오드 게이트다.
입력 중 어느 하나라도 0(저전위)이면 그쪽 다이오드가 순방향으로 도통해 출력 C가 그 낮은 전위로 끌려 내려간다. 두 입력이 모두 1(고전위)일 때에만 두 다이오드가 모두 차단되어 C가 풀업 저항을 통해 $V_{CC}$ 로 올라간다.
정논리에서는 높은 전위를 1로 보므로 진리표는 $C = A \cdot B$ 가 되어 논리곱 동작이다. 하나만 1이어도 출력이 1이 되는 논리합, 그것을 반전한 게이트, 두 입력이 서로 다를 때만 1이 되는 배타적 논리합과는 진리표가 다르다.

정답은 감산회로다.
발문의 회로에서 $V_1$ 은 R을 거쳐 반전입력(−)에 들어가고 같은 값 R이 출력에서 반전입력으로 귀환한다. $V_2$ 는 R′을 거쳐 비반전입력(+)에 들어가며, 같은 값 R′이 그 마디에서 접지로 연결되어 있다.
비반전입력 전위는 분압으로 $V_{+} = V_2 \times \dfrac{R'}{R' + R'} = \dfrac{V_2}{2}$ 이고, 가상단락에 의해 $V_{-} = V_{+}$ 다. 반전입력 마디의 전류식 $\dfrac{V_1 - V_-}{R} + \dfrac{V_o - V_-}{R} = 0$ 을 풀면 $V_1 + V_o = 2V_- = V_2$ 를 얻는다.
따라서 $V_o = V_2 - V_1$ 으로 두 입력의 차가 출력된다. 부호만 뒤집는 회로는 입력이 하나뿐이고, 가산회로라면 두 입력이 모두 반전입력 한 마디에 모여 합이 나오며, 미분회로는 입력측에 커패시터가 있어야 한다.

이미터 플로워(에미터 팔로워)는 입력임피던스가 높고 출력임피던스가 낮으며, 전압이득이 1에 가까운 컬렉터 접지 구조의 회로이다.
이 회로는 출력 위상이 입력 위상과 같은(동상) 특성을 가지므로, 출력 위상이 입력과 반대라는 설명은 틀린 내용이다.

이상적인 연산증폭기는 입력임피던스와 전압이득, 대역폭이 모두 무한대에 가깝고, 입력 오프셋 전압은 0이어야 한다.
따라서 입력 오프셋 전압이 0이 아닌 특정 값을 가져야 한다는 조건은 이상적인 연산증폭기의 조건으로 옳지 않다.

진폭변조에서 변조도는 반송파 진폭에 대한 신호파(변조파) 진폭의 비이므로 $m=\dfrac{V_m}{V_c}$ 이다.
변조된 파형의 포락선은 최대 $V_c+V_m$, 최소 $V_c-V_m$ 사이에서 변하므로, 그 변화 폭을 반송파 진폭으로 나눈 값이 곧 변조도이고 여기에 100을 곱하면 변조율[%]이 된다.
분모와 분자를 뒤집어 반송파를 신호파로 나눈 형태는 정의 자체가 반대이고, 비를 제곱한 형태는 측파대 전력비를 따질 때 나오는 값이지 변조도가 아니다. 신호파 진폭이 반송파보다 커져 m>1 이 되면 과변조가 되어 포락선이 잘려 나간다.

정전압 회로는 입력전압이나 부하전류가 변해도 출력전압을 일정하게 유지시키는 회로로, 그 주요 동작(제어) 소자는 트랜지스터이다.
트랜지스터가 기준전압과 출력전압을 비교한 오차 신호에 따라 도통 정도를 조절함으로써 출력을 일정하게 유지시키며, 리액터·콘덴서·인덕턴스는 평활이나 필터링을 보조하는 소자일 뿐 제어 동작을 하지 않는다.

RS 플립플롭을 D 플립플롭으로 만들려면 하나의 입력(D)을 그대로 S에 연결하고, 이를 반전시킨 신호를 R에 연결해 S와 R이 항상 서로 다른 값을 갖도록 해야 한다.
이 반전 기능을 수행하는 데 필요한 소자가 바로 인버터(Inverter)이며, 인버터 1개만으로 RS 플립플롭을 D 플립플롭 형태로 동작시킬 수 있다.

터널다이오드는 부성저항(음저항) 특성 구간을 가지고 있어 전압 변화에 대한 응답이 매우 빠르며, 이 특성을 이용해 고속 스위칭 작용에 주로 사용된다.
같은 부성저항 특성은 고주파 발진에도 응용되지만, 제어·정류·주파수 변환은 터널다이오드의 용도가 아니므로 스위칭 작용이 대표적 용도로 꼽힌다.

결론부터 말하면 $\mathcal{L}^{-1}\left[\dfrac{1}{s^{2}+a^{2}}\right]=\dfrac{1}{a}\sin at$ 이다.
기본 변환쌍이 $\mathcal{L}[\sin at]=\dfrac{a}{s^{2}+a^{2}}$ 이므로 주어진 식은 분자에 a가 빠진 꼴이다.
분자를 맞춰 주면 $\dfrac{1}{s^{2}+a^{2}}=\dfrac{1}{a}\cdot\dfrac{a}{s^{2}+a^{2}}$ 이므로 사인함수 앞에 1/a 가 붙는다.
분자가 s인 $\dfrac{s}{s^{2}+a^{2}}$ 였다면 cos at 가 된다. 즉 분모가 s²+a²일 때 분자가 상수면 sin, 분자가 s면 cos이며, 계수 1/a 를 빠뜨린 sin at 형태가 대표적인 함정이다.

입력쪽에 9[Ω]이 직렬로, 출력쪽에 7[Ω]이 병렬로 놓인 L형 4단자 회로이므로 출력측 영상 임피던스는 21/4[Ω]이다.
먼저 4단자정수를 구하면 $A=1+\dfrac{9}{7}=\dfrac{16}{7}$, $B=9\,[\Omega]$, $C=\dfrac{1}{7}\,[\mho]$, $D=1$ 이다.
영상 임피던스 정의식에 대입하면 $Z_{02}=\sqrt{\dfrac{BD}{AC}}=\sqrt{\dfrac{9\times1}{\frac{16}{7}\times\frac{1}{7}}}=\sqrt{\dfrac{9\times49}{16}}=\dfrac{21}{4}\,[\Omega]$
같은 방식으로 입력측은 $Z_{01}=\sqrt{\dfrac{AB}{CD}}=\sqrt{\dfrac{\frac{16}{7}\times9}{\frac{1}{7}\times1}}=12\,[\Omega]$ 이다. 즉 12[Ω]은 입력측 값이므로 출력측을 묻는 이 문항의 답이 될 수 없고, 비대칭 회로에서는 Z₀₁ 과 Z₀₂ 가 서로 다르다는 점이 핵심이다.

a·c 사이에서 본 합성저항이 100[V] ÷ 1[A] = 100[Ω]이므로 R = 150[Ω]이다.
그림은 같은 값 R 세 개가 삼각(Δ)으로 이어지고 각 꼭짓점에 a, b, c 단자가 붙은 회로다. 따라서 a–c 사이에는 두 단자를 직접 잇는 R 하나와, 나머지 두 R이 직렬로 이어진 2R 이 병렬로 놓인다.
$R_{ac}=\dfrac{R\times 2R}{R+2R}=\dfrac{2}{3}R$
측정값을 대입하면 $\dfrac{2}{3}R=\dfrac{100}{1}=100\,[\Omega]$ 이므로 $R=150\,[\Omega]$ 이다.
b를 거치는 우회 경로(2R)를 빠뜨리면 R을 그대로 100[Ω]으로 보게 되고, 반대로 병렬을 무시하고 직렬 2R만 보면 50[Ω]이 되어 모두 틀린다.

리액턴스 조건으로부터 $X_L = 2\pi f L = 3\ \Omega$, $X_C = \dfrac{1}{2\pi f C} = 3\ \Omega$를 각각 풀면 된다.
$L = \dfrac{X_L}{2\pi f} = \dfrac{3}{2\pi \times 60} \approx 0.00796\ \mathrm{H} \approx 8\ \mathrm{mH}$
$C = \dfrac{1}{2\pi f X_C} = \dfrac{1}{2\pi \times 60 \times 3} \approx 0.000884\ \mathrm{F} \approx 884\ \mathrm{\mu F}$
따라서 자기인덕턴스는 약 8mH, 정전용량은 약 884μF이다.

결론은 $H(j\omega)=\dfrac{4}{(j\omega)^{2}+j\omega+4}$ 이다.
회로는 R = 1[Ω], L = 1[H], C = 0.25[F]가 직렬로 연결된 RLC 회로이고 출력이 커패시터 양단 전압이므로, 임피던스 분배로
$H(j\omega)=\dfrac{\frac{1}{j\omega C}}{R+j\omega L+\frac{1}{j\omega C}}=\dfrac{1}{LC(j\omega)^{2}+RC(j\omega)+1}$
소자값을 넣으면 $\dfrac{1}{0.25(j\omega)^{2}+0.25(j\omega)+1}$ 이고, 분자·분모에 4를 곱하면 $\dfrac{4}{(j\omega)^{2}+j\omega+4}$ 가 된다.
분모의 상수항은 1/LC = 1/(1×0.25) = 4, jω의 계수는 R/L = 1 이므로 상수항이 2나 1인 형태는 소자값을 잘못 잡은 것이고, 분자가 2인 형태는 분자에도 똑같이 4를 곱해야 한다는 점을 빠뜨린 결과다.

분포정수선로의 전파정수는 $\gamma=\sqrt{ZY}$ 로, 단위길이당 직렬 임피던스와 병렬 어드미턴스를 곱한 뒤 제곱근을 취한 값이다.
여기서 $Z=R+j\omega L$, $Y=G+j\omega C$ 이며 $\gamma=\alpha+j\beta=\sqrt{ZY}$ 로 두면 실수부 α는 감쇠정수[Np/m], 허수부 β는 위상정수[rad/m]가 된다.
Z와 Y의 비에 제곱근을 씌운 $\sqrt{Z/Y}$ 는 특성 임피던스 Z₀ 이고 $\sqrt{Y/Z}$ 는 그 역수인 특성 어드미턴스이며, 제곱근 없이 곱만 쓴 ZY 는 차원이 맞지 않는다. 곱은 전파정수, 비는 특성 임피던스로 짝지어 외우면 헷갈리지 않는다.

각 주파수 성분의 실효값을 제곱해 더한 뒤 제곱근을 취하면 $\sqrt{120}$ [A] 가 된다.
직류분은 그대로 2[A], 기본파는 최대값이 4√2 이므로 실효값 4[A], 제3고조파는 최대값이 10√2 이므로 실효값 10[A]이다.
$I=\sqrt{2^{2}+4^{2}+10^{2}}=\sqrt{4+16+100}=\sqrt{120}\;[\mathrm{A}]$
주파수가 서로 다른 성분은 직교하므로 제3고조파의 위상각 π/6 은 실효값에 아무 영향을 주지 않는다. 최대값을 그대로 제곱해 더하거나 직류분 2[A]를 빠뜨리면 전혀 다른 값이 나오므로 주의한다.

1차 지연요소의 절점(꺾임) 주파수에서 이득은 약 −3[dB]이다.
절점 주파수는 $\omega=\dfrac{1}{T}$ 로 정의되므로 이를 대입하면 $G(j\omega)=\dfrac{1}{1+j\omega T}=\dfrac{1}{1+j}$ 가 되고, 크기는 $|G|=\dfrac{1}{\sqrt{2}}=0.707$ 이다.
이득으로 환산하면 $g=20\log_{10}\dfrac{1}{\sqrt{2}}=-20\times0.1505=-3.01\,[\mathrm{dB}]$ 이다.
보드 선도에서 절점 주파수는 저주파 점근선(0dB)과 −20[dB/dec] 점근선이 만나는 점이며, 실제 이득 곡선은 그 교점보다 3dB 아래를 지난다.

근궤적(Root Locus)은 특성방정식의 근이 이득 K의 변화에 따라 이동하는 궤적으로, 극에서 출발해 영점(또는 무한원점)으로 향하며 실수축상의 존재 조건은 우측의 극·영점 개수 합이 홀수인 구간이다.
특성방정식의 계수가 실수이므로 복소켤레근이 항상 쌍으로 존재하며, 그 결과 근궤적은 허수축이 아니라 실수축에 대해 대칭이다.
따라서 근궤적이 허수축에 대칭이라는 설명은 틀린 내용이다.

Routh-Hurwitz 판별법으로 안정도를 판정한다. 특성방정식 $2s^3+5s^2+3s+1=0$의 라우스 표를 구성하면 다음과 같다.
$s^3:\ 2,\ 3$
$s^2:\ 5,\ 1$
$s^1:\ \dfrac{5\times3-2\times1}{5}=2.6$
$s^0:\ 1$
라우스 표 제1열의 부호가 $2,\ 5,\ 2.6,\ 1$로 모두 양수이며 부호 변화가 없으므로, 이 계는 안정하고 우반평면(양의 실수부)에는 근이 존재하지 않는다.

제어계에서 전압(루프) 이득이 증가하면 감쇠비가 작아지면서 계의 진동성이 커진다.
그 결과 목표값을 초과해 응답하는 정도, 즉 오버슈트가 증가하는 경향을 보인다.

상태변수를 $x_1=c,\;x_2=\dot c,\;x_3=\ddot c$ 로 잡으면 A의 마지막 행이 [−12 −19 −8], B가 [0 0 6]T 인 형태가 된다.
앞의 두 식은 정의 그대로 $\dot x_1=x_2$, $\dot x_2=x_3$ 이고, 주어진 미분방정식을 최고차 항에 대해 풀면
$\dot x_3=\dddot c=-12c-19\dot c-8\ddot c+6u=-12x_1-19x_2-8x_3+6u$
따라서 A의 마지막 행에는 낮은 차수 계수부터 부호를 바꿔 −12, −19, −8 순서로 들어간다. −8과 −12의 자리가 바뀐 행렬은 계수 순서를 거꾸로 넣은 것이다.
또 입력 6u는 최고차 미분식에만 나타나므로 B는 세 번째 성분만 6이고 나머지는 0이다. 첫 성분에 6이 오는 형태는 입력이 $\dot x_1$ 에 들어간 잘못된 배치다.

온도·유량·압력 등 공업 공정의 상태량을 제어량으로 하고, 프로세스에 가해지는 외란의 억제를 주목적으로 하는 제어는 프로세스 제어이다.
자동조정은 전압·주파수 등 전기적 양을, 서보기구는 위치·방향·자세 등 기계적 변위량을 제어량으로 하는 제어로 프로세스 제어와 구분된다.

전달함수는 $\dfrac{ab}{1-b-abc}$가 된다.
선도에서 R부터 C까지 이어지는 전향경로는 하나뿐이고, 그 이득은 $1\times a\times b\times 1=ab$이다. 되먹임 가지는 세 번째 중간 마디에서 두 번째 마디로 가는 이득 1의 가지와, 세 번째 마디에서 첫 번째 마디로 가는 이득 $c$의 가지 두 개다.
따라서 루프이득은 $b\times 1=b$와 $a\times b\times c=abc$ 두 개이며, 두 루프가 같은 마디를 공유하므로 비접촉 루프는 존재하지 않는다. 특성식은 $\Delta = 1-(b+abc)$, 전향경로의 여인수는 $\Delta_1 = 1$이다.
메이슨 공식에 대입하면 $\dfrac{C}{R}=\dfrac{ab\cdot 1}{1-b-abc}$이므로 분모가 $1-b-abc$인 식이 정답이다. 분모를 $1+b$나 $+abc$로 적은 식들은 루프이득을 빼야 할 자리에서 부호를 잘못 쓴 것이다.

정답은 두 수열의 합성곱(convolution)인 $y(k)=\sum_{i=0}^{k} y_1(i)\,y_2(k-i)$이다.
z변환에는 실합성곱 정리가 있어, z영역에서의 곱 $Y(z)=Y_1(z)Y_2(z)$는 시간영역에서 두 수열의 곱이 아니라 합성곱에 대응한다. 라플라스 변환에서 $F_1(s)F_2(s)$의 역변환이 시간영역 합성곱인 것과 같은 성질이다.
$y_1(k)y_2(k)$ : 시간영역의 단순 곱으로, z영역에서는 복소합성곱 적분이 되어 두 z변환의 곱이 되지 않는다.
$\sum y_1(i)y_2(i-k)$ : 두 번째 수열의 지연 방향이 뒤집혀 있어 합성곱 정의와 다르다.
$\sum y_1(k)y_2(k-i)$ : 첫 번째 수열이 합의 지표와 무관한 $y_1(k)$로 고정되어 있어, 두 수열을 서로 어긋나게 겹쳐 더하는 합성곱이 되지 못한다.

점근선의 교차점은 $\sigma = -4$이다.
근궤적 점근선의 교차점은 $\sigma=\dfrac{\sum \text{극점} - \sum \text{영점}}{n-m}$으로 구한다.
주어진 개루프 전달함수의 극점은 $0,\ 0,\ -1,\ -2,\ -4$로 합이 $-7$이고, 영점은 $2,\ 3$으로 합이 $5$이다. 극점 수 $n=5$, 영점 수 $m=2$이므로 점근선은 $n-m=3$개다.
대입하면 $\sigma=\dfrac{-7-5}{5-2}=\dfrac{-12}{3}=-4$. 여기서 중근인 $S^2$은 극점 두 개로 세어야 하고, 우반평면 영점 $+2,\ +3$의 부호를 그대로 빼야 한다는 점이 이 문제의 함정이다.

이 회로의 출력은 $X = A\overline{B}$로 간단해진다.
회로는 NOR 게이트 두 개로 구성된다. 앞단 NOR은 A와 B를 받아 $\overline{A+B}$를 내고, B는 도중에 분기되어 뒷단 NOR의 두 번째 입력으로 들어간다. 따라서 출력은 $X=\overline{\overline{A+B}+B}$이다.
드모르간 정리를 적용하면 $X=\left(\overline{\overline{A+B}}\right)\cdot\overline{B}=(A+B)\overline{B}$가 되고, 전개하면 $A\overline{B}+B\overline{B}=A\overline{B}+0=A\overline{B}$이다.
즉 A가 1이고 B가 0일 때만 출력이 1이 되는 회로다. NOR 두 개를 거쳤다고 해서 원래 값 AB로 돌아오지 않는다는 점이 핵심이며, 두 번째 게이트로 곧장 분기되어 들어간 B가 $\overline{B}$ 항을 만들어 낸다.

단상 유도전동기의 기동방식 중 기동토크가 가장 큰 것은 반발 기동형이다.
기동토크가 큰 순서는 대략 반발 기동형 > 반발 유도형 > 콘덴서 기동형 > 분상 기동형 순이며, 반발 기동형은 브러시와 정류자를 이용해 기동 시 큰 토크를 얻도록 설계된 방식이다.

직류 직권전동기는 계자권선과 전기자권선이 직렬로 연결되어 부하전류가 곧 계자전류가 되므로, 기동 시 낮은 회전수에서도 큰 토크를 낼 수 있다.
건널목 전동차단기는 차단봉을 신속하게 오르내려야 하므로 이러한 기동토크가 큰 특성이 요구되어 직류 직권전동기가 사용된다.

열차 차축이 궤도회로 전원을 단락시키면 순간적으로 큰 전류가 흘러 장치가 손상될 수 있으므로, 이를 억제하고 전압을 안정적으로 조성하기 위해 한류장치를 설치한다.
레일본드는 레일 이음매의 전기적 연속성을 확보하는 장치이다.
점퍼선(잠파선)은 궤도회로 구간을 전기적으로 연결하는 배선이다.
둘 다 과전류 제한과는 목적이 다르다.

전기전철기의 마찰연축기(클러치)는 전철봉이 이물질 등으로 정상 전환되지 못할 때 전동기와 기계부 사이에서 미끄러지며 전동기를 보호하는 역할을 한다.
즉 과부하가 걸려도 동력 전달이 끊겨 전동기 소손을 막는 안전장치이다.

전기전철기의 전동기는 콘덴서로 위상차를 만들어 기동 회전자계를 얻는 콘덴서형 단상유도전동기이다.
콘덴서는 주로 기동 시 회전자계를 만들어 주기 위한 것이므로, 이미 회전 중인 상태에서 콘덴서 회로가 단선되더라도 주권선이 만드는 교번자계만으로 회전 토크가 유지되어 전동기는 계속 회전한다.

직권기는 계자권선과 전기자권선이 직렬로 연결되어 부하전류가 곧 계자전류이다.
무부하 상태에서는 부하전류가 흐르지 않아 계자자속이 만들어지지 않으므로 자기여자(자여자)가 일어나지 않는다.
분권기와 복권기는 계자가 전기자와 병렬로 연결되어 잔류자기만으로도 무부하에서 자여자가 가능하다.
타여자기는 외부 전원으로 계자를 여자하므로 자여자 여부 자체가 해당되지 않는다.

변압기의 단락전류는 퍼센트 임피던스(%Z)에 반비례하며, 정격전류에 대한 단락전류의 배수는 $\dfrac{100}{\%Z}$로 구한다.
$\dfrac{100}{4} = 25$이므로 단락전류는 정격전류의 25배가 된다.

동기속도는 $N_s=\dfrac{120f}{p}=\dfrac{120\times50}{6}=1000\,\mathrm{rpm}$이다.
슬립은 $s=\dfrac{N_s-N}{N_s}=\dfrac{1000-960}{1000}=0.04$이다.
2차 주파수는 $f_2=sf_1=0.04\times50=2\,\mathrm{Hz}$로 2Hz가 된다.

Δ결선으로 기동하다가 Y결선으로 바꾸면 토크는 $\dfrac{1}{3}$배로 줄어든다.
같은 선간전압 $V_l$이 걸려 있을 때 Δ결선의 상전압은 $V_l$ 그대로이지만, Y결선의 상전압은 $\dfrac{V_l}{\sqrt{3}}$이 된다. 즉 권선 한 상에 걸리는 전압이 $1/\sqrt{3}$로 낮아진다.
유도전동기의 토크는 인가전압의 제곱에 비례하므로 $T \propto V^2$에서 $\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right)^{2}=\dfrac{1}{3}$. 기동전류도 같은 비율인 $1/3$로 줄어든다.
Y-Δ 기동법이 기동전류를 억제하는 대신 기동토크까지 $1/3$로 희생하는 방식인 이유가 바로 이 관계이며, $1/\sqrt{3}$은 전압·전류의 비이지 토크의 비가 아니다.

변압기 내부고장(권선 단락 등)은 1차·2차 전류의 크기와 위상 차이를 이용해 검출하는 차동계전기로 보호한다.
정상 운전 시 1·2차 전류의 차는 0에 가깝지만, 내부 고장이 발생하면 차전류가 커져 계전기가 동작한다.
접지계전기는 지락사고를 검출한다.
과전압계전기는 계통의 이상전압을 검출한다.
역상계전기는 상 불평형(역상분)을 검출한다.

조괘식·킐식·카르단식은 차축마다 전동기가 개별적으로 연결되어 축을 따로 구동하는 단독축구동방식에 속한다.
반면 잭샤프트식은 전동기의 회전력을 잭샤프트와 연결봉(사이드로드)을 통해 여러 차축에 함께 전달하는 방식이므로, 단독축구동방식에 해당하지 않는다.

여기서 묻는 소자는 PNPN 4층 구조를 갖는 사이리스터(SCR)이다. P-N-P-N의 네 개 층으로 이루어져 있으며, 게이트 신호로 도통시키면 순방향 전류가 스스로 유지되는 단일 방향성 소자이다.
스위칭 기능을 갖는 쌍방향성 3단자 소자는 트라이액(TRIAC)에 대한 설명이다.
증폭 기능을 갖는 단일 방향성 3단자 소자는 트랜지스터에 대한 설명이다.

중성점이 있는 같은 용량의 단상변압기 2대를 T결선(스코트결선)하여 3상 변압을 할 때 이용률은 $\dfrac{\sqrt{3}}{2}\times100\approx86.6\,\%$이다.
변압기 2대의 정격용량 합에 대해 실제로 얻을 수 있는 3상 출력이 $\dfrac{\sqrt{3}}{2}$배에 그치기 때문이다.

계자제어법은 계자전류를 줄여 자속을 약화시키는 방식으로, 속도는 올라가지만 토크는 그만큼 낮아져 출력이 거의 일정하게 유지되므로 정출력 제어에 해당한다.
전압제어법(워드레오나드 방식 포함)과 전기자저항제어법은 자속을 일정하게 둔 채 속도를 바꾸므로 정토크 제어에 가깝다.

서행허용표지는 폐색신호기(자동폐색구간의 폐색신호기)에 설치되어, 그 신호기가 정지 현시를 하고 있더라도 정해진 서행속도로 신호기를 넘어 진행할 수 있음을 승무원에게 알려주는 표지이다.
유도신호기·중계신호기는 각각 설치 목적과 위치가 달라 서행허용표지를 부가하는 신호기가 아니다.

열차가 서로 교행하는 장소 등에서 열차가 정지위치를 지나쳐 과주하더라도 다른 열차와의 충돌·접촉을 막기 위해 본선에서 분기하여 설치하는 선로가 안전측선이다.

두 지상자 사이의 거리는 조사속도 × 주행시간 + 응동 범위로 구한다.
$L = \frac{50\times1000}{3600}\times0.5 + 0.32 = 6.944 + 0.32 \approx 7.26\,\text{m}$

건널목 제어자 중 401형은 개전로식으로 구성된다.
평상시에는 회로가 열려 있다가 열차가 검지 지점에 진입했을 때 회로가 닫히면서 검지 신호를 내보내는 방식이다. 이와 달리 201형은 평상시 회로가 닫혀 있는 폐전로식으로 구성된다.

단선구간의 선로용량은 $N=\dfrac{1440\times f}{t_1+t_2+r}$(f=선로이용률, t1·t2=상·하행 운전시분, r=폐색취급시분)로 구한다.
대입하면 $N=\dfrac{1440\times0.7}{6+4+2}=\dfrac{1008}{12}=84$회이다.

직류전철구간의 전식을 방지할 때, 반도체(정류소자)를 레일과 매설 금속관 사이에 직접 접속해 누설전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 방법이 선택배류방식이다.
정류 작용에 의해 매설관에서 레일 쪽으로만 전류가 배류되어 전식이 억제된다.

궤도회로에서 양쪽 레일을 모두 절연하여 구성하는 방식을 복궤조식이라 한다.
한쪽 레일만 절연하는 단궤조식과 달리, 복궤조식은 두 레일 모두를 궤도회로용으로 절연해 사용한다.

컴퓨터 시스템 접지와 전원접지의 분리, 통신케이블과 공조설비 배선의 직각 교차, 부하 급변동에 대비한 충분한 배선 단면적 확보는 모두 신호용 전원·접지 설계의 기본 원칙에 부합한다.
다만 출제 당시의 구 접지 등급 기준에서 제3종 접지공사의 접지저항은 100Ω 이하였으므로, 저항값을 50으로 명시한 설명은 옳지 않다.

단락감도는 궤도계전기가 낙하하는 순간의 단락저항 값으로, 동작전압 $V_p$와 낙하전압 $V_d$를 이용해 단락 지점에서 본 궤도회로의 임피던스를 $Z=R_s\times\dfrac{V_p-V_d}{V_d}$로 구할 수 있다.
대입하면 $Z=0.1\times\dfrac{0.9-0.3}{0.3}=0.1\times2=0.2\,\Omega$이다.

차막이 표지는 정사각형 안에 대각선 두 개를 그어 ×자를 넣은 기호로 나타낸다.
차막이 표지는 선로의 종단에 설치한 차막이의 위치를 알려 주는 표지로, 차량이 그 지점을 넘어가지 못하도록 운전자에게 선로 끝을 인지시키는 구실을 한다. 그래서 도식기호도 "더 이상 진행할 수 없다"는 뜻이 드러나도록 막힌 사각형 안을 ×로 가로지른 형태를 쓴다.
나머지 기호들은 원형·마름모형·깃발형처럼 외곽 도형 자체가 다르게 배정되어 있으므로, 도식기호 문제는 안쪽 표시보다 바깥 도형의 형태를 먼저 구분하는 것이 요령이다.
표지의 도식기호는 규정 개정에 따라 바뀔 수 있으므로, 이 문항은 출제 당시 기준으로 판단한 것이다.

버스형은 CSMA/CD 접속 방식을 사용하고, 링형·루프형은 순환 구조 특성상 회선상의 한 지점 고장이 전체 시스템 다운으로 이어질 수 있다는 설명은 모두 타당하다.
그러나 스타형은 모든 단말이 중앙장치(허브)를 거쳐 연결되는 구조이므로, 중앙장치가 고장 나면 전체 시스템이 정상 동작할 수 없다. 따라서 중앙장치 고장에도 정상 동작한다는 설명은 옳지 않다.

전자페달은 레일에 설치해 차륜(차축)이 통과하는 것을 검지하는 장치로, 건널목 제어나 차축계수 등에 사용된다. 궤도회로를 구성하는 기기가 아니다.
반면 동조유니트·공심유도자·임피던스본드는 UM71 계열 무절연 궤도회로를 구성하는 기기에 해당한다.

교류전철구간에서는 궤도에 흐르는 교류 견인전류(귀선전류)의 간섭을 피해야 하므로, 임펄스 방식·직류바이어스 방식·PF 방식처럼 견인전류와 구별되도록 설계된 궤도회로가 사용된다.
반면 일반적인 직류궤도회로는 이러한 간섭에 취약해 교류전철구간에는 사용되지 않는다.

ATS(자동열차정지장치)는 장내신호기·폐색신호기 등 지상 신호기의 현시 상태에 따라 지상자가 동작하고, 그 정보를 차상장치가 받아 열차를 제어한다.
즉 ATS 동작의 주체가 되는 것은 신호기와 그 현시 상태이다.