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1[철도신호기사 필기] 20년 1회차
RC직렬회로에 전류전압 V(V)가 인가되었을 때, 전류i(t)에 대한 전압 방정식(KVL)이 V=Ri(t)+1C∫i(t) dt (V)V = Ri(t) + \dfrac{1}{C}\int i(t)\,dt\,(V) 이다. 전류i(t)의 라플라스 변환인 I(s)는? (단, C에는 초기 전하가 없다.)
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해설

주어진 전압방정식을 라플라스 변환하면 I(s)=VR⋅1s+1RCI(s) = \dfrac{V}{R} \cdot \dfrac{1}{s + \dfrac{1}{RC}} 가 된다.

일정 전압 V가 인가되므로 좌변은 Vs\dfrac{V}{s} 로, 우변의 적분항은 초기 전하가 없으므로 I(s)sC\dfrac{I(s)}{sC} 로 변환된다.
Vs=R I(s)+I(s)sC\dfrac{V}{s} = R\,I(s) + \dfrac{I(s)}{sC}
I(s)=Vs(R+1sC)=VsR+1C=VR⋅1s+1RCI(s) = \dfrac{V}{s\left(R + \dfrac{1}{sC}\right)} = \dfrac{V}{sR + \dfrac{1}{C}} = \dfrac{V}{R} \cdot \dfrac{1}{s + \dfrac{1}{RC}}

즉 분자 계수는 V/R(초기 전류 V/R)이고 극점은 s = -1/RC(시정수 RC)에 놓인다. 역변환하면 i(t)=VRe−t/RCi(t) = \dfrac{V}{R}e^{-t/RC} 로, RC 회로의 지수 감쇠 전류와 정확히 일치한다.

  • 분자를 C/R이나 R/C로 쓴 식은 전류 차원(A)이 되지 않아 성립하지 않는다.
  • 분모를 s−1RCs - \dfrac{1}{RC} 로 쓴 식은 극점이 우반평면에 놓여 시간이 갈수록 전류가 발산한다는 뜻이므로 수동 RC 회로의 답이 될 수 없다.

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