수동소자

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1. 개요
2. 열역학적 수동성
- 2.1. 수동성의 다른 정의들
3. 수동 소자의 안정성
4. 수동 소자의 종류 및 특징
- 4.1. 에너지 저장형 및 비저장형 수동 소자
5. 패시브 필터 (수동 필터)
- 5.1. 패시브 필터의 장점
- 5.2. 패시브 필터의 응용 분야
참조

1. 개요

수동 소자는 에너지를 소비하거나 저장하지만 생성하지 않는 전자 부품으로, 회로 이론에서 중요한 개념이다. 저항, 축전기, 인덕터 등이 수동 소자에 해당하며, 전압원이나 전류원은 능동 소자로 분류된다. 수동 소자는 열역학적 수동성을 가지며, 안정적인 회로 설계에 활용된다. 수동 소자는 에너지 저장 여부에 따라 에너지 저장형과 비저장형으로 나뉘며, 패시브 필터는 수동 소자만으로 구성된 전자 필터로, 안정성, 큰 신호 처리 능력, 저렴한 비용 등의 장점을 가진다.

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수동소자
수동성 (공학)
정의	에너지를 생성하거나 소비하지 않는 시스템의 특성
관련 용어	활성 소자 능동 소자
수동 소자
정의	외부 전원 없이 자체적으로 에너지 변화를 일으키지 못하는 전기 부품
주요 특징	전압, 전류, 전력 등의 신호를 변경하거나 조작할 수 있음 외부 전력 공급 없이 회로 내에서 수동적으로 기능 수행
종류	저항기 커패시터 인덕터 다이오드 퓨즈 스위치 변압기 서미스터 배리스터
활용	전자 회로 설계의 기본 요소 다양한 전자 장치에 광범위하게 사용
능동 소자와의 비교
능동 소자	외부 전원으로부터 에너지 공급을 받아 회로에 능동적으로 작용하는 소자 (예: 트랜지스터, 연산 증폭기)
에너지 변환	능동 소자: 에너지 변환 가능 (증폭, 발진 등) 수동 소자: 에너지 변환 불가, 에너지를 저장하거나 소모
회로 내 역할	능동 소자: 신호 증폭, 생성, 제어 수동 소자: 신호 감쇠, 필터링, 저장

2. 열역학적 수동성

제어 시스템 및 회로망 이론에서 수동 소자는 에너지를 소비하지만 생성하지 않는 소자를 의미한다. 전압원과 전류원은 능동 소자로 간주되는 반면, 저항, 축전기, 인덕터, 트랜지스터, 터널 다이오드, 메타물질 등은 수동 소자로 간주된다.^[1] 회로 설계자들은 때때로 이러한 종류의 소자들을 소산성 또는 열역학적으로 수동적이라고 부른다.

Wyatt 등의 논문에서는 수동성에 대한 엄밀한 정의를 제시하고 있는데,^[1] 이용 가능한 에너지(Available Energy) 개념을 통해 설명된다. 초기 상태 x를 갖는 n-포트 R에서 이용 가능한 에너지 E_A는 다음과 같이 정의된다.

: $E_A(x)=\sup_{x \to T \geq 0} \int_0^T -\langle v(t),i(t)\rangle \, \mathord{\operatorname{d}}t$

여기서 $\langle v(t),i(t) \rangle$ 는 순시 전력(전압과 전류의 곱)을 나타낸다. 시스템의 모든 초기 상태 x에 대해 E_A가 유한하면 수동적, 그렇지 않으면 능동적이라고 판단한다.

이용 가능한 에너지가 유한하면, 전압 v(t)=0인 모든 궤적은 적분이 0이 되므로 비음수임을 알 수 있으며, 이용 가능한 에너지는 모든 가능한 궤적에 대한 최소 상한이다. 또한, 정의에 따라 임의의 궤적 {v(·), i(·)}에 대해 다음 부등식이 성립한다.

: $\frac{\operatorname{d}E_A(x)}{\operatorname{d}}t = \nabla E_A(x(t)) \cdot \dot{x}(t)\le \langle v(t),i(t)\rangle$ .

이 부등식을 만족하는 비음 함수 E_A(이를 "저장 함수"라고 함)의 존재는 수동성과 동일하다.^[2]

2. 1. 수동성의 다른 정의들

이 용어는 여러 다른 맥락에서 비공식적으로 사용된다.

수동 USB-PS/2 어댑터는 전선, 저항, 그리고 이와 유사한 수동(점증적 및 열역학적 의미 모두에서) 부품으로 구성된다. 능동 USB-PS/2 어댑터는 신호를 변환하는 논리 회로(점증적 의미에서 능동)로 구성된다.
수동 믹서는 저항(점증적으로 수동)만으로 구성되는 반면, 능동 믹서에는 이득을 제공할 수 있는 부품(능동)이 포함된다.
오디오 작업에서는 평형 및 불평형 라인 간의 (점증적으로) 수동 및 능동 변환기를 모두 찾을 수 있다. 수동 밸런 변환기는 일반적으로 변압기와 필요한 커넥터로 구성되는 반면, 능동 변환기는 일반적으로 차동 드라이브 또는 계측 증폭기로 구성된다.
일부 서적에서는 이득 또는 정류 기능(예: 다이오드)을 나타내는 장치를 능동 소자로 간주한다. 저항, 축전기, 인덕터, 변압기 및 자이레이터만 수동 소자로 간주된다.^[7]^[8] ^[9] 미국 특허청은 다이오드를 능동 소자로 분류하는 기관 중 하나이다.^[10] 이 정의는 다소 비공식적이다. 다이오드는 비선형 저항으로 간주될 수 있으며, 거의 모든 실제 장치는 어느 정도의 비선형성을 나타내기 때문이다.
판매/제품 카탈로그는 판매되는 특정 제품 계층 구조에 맞게 이 용어에 대한 다른 비공식적인 정의를 자주 사용한다. 예를 들어, 일부 장치가 기술적으로 수동 소자이더라도 모든 실리콘 장치를 "능동 장치" 아래에 나열하는 것은 드문 일이 아니다.

3. 수동 소자의 안정성

대부분의 경우, 수동성을 이용하면 특정 조건에서 수동 회로가 안정적임을 보일 수 있다. 이는 위에 언급된 수동성 정의 중 하나만 사용하는 경우에만 적용된다. 두 가지 정의의 구성 요소를 혼합하면 시스템이 어떤 조건에서도 불안정해질 수 있다. 또한, 수동 회로가 모든 안정성 기준에 따라 반드시 안정적인 것은 아니다. 예를 들어, 공진 직렬 LC 회로는 제한된 전압 입력에 대해 무한한 전압 출력을 갖지만, 리아푸노프 안정성의 의미에서는 안정적이며, 제한된 에너지 입력이 주어지면 제한된 에너지 출력을 갖는다.

수동성은 제어 시스템에서 안정적인 제어 시스템을 설계하거나 제어 시스템의 안정성을 보이는 데 자주 사용된다. 이는 크고 복잡한 제어 시스템(예: 항공기의 안정성) 설계에서 특히 중요하다. 수동성은 회로 설계, 특히 필터 설계의 일부 영역에서도 사용된다.

4. 수동 소자의 종류 및 특징

수동 소자는 증폭이나 전기 에너지 변환과 같은 능동적 기능을 가지지 않고, 에너지를 소비, 축적, 또는 그대로 통과시키는 역할을 하는 전자 소자이다. 저항기, 콘덴서, 코일, 트랜스, 릴레이 등이 있다. 수동 소자는 외부 전원 없이 단독으로 동작 가능하며, 입력 조건에 따라 소자의 특성이 변하지 않고, 전류나 전압이 인가되지 않은 상태에서 특성이 결정된다. 기본적으로 선형 동작을 하므로 선형 해석만으로 충분하다.

저항: 전류의 흐름을 방해하고, 이 과정에서 전류를 열 에너지나 다른 에너지로 변환한다.
인덕터(코일): 전선에 전류가 흐를 때 전선 주변에 발생되는 자기장(자계)은 자기력이 되고, 이 전선을 코일처럼 감았을 때 기전력과 역기전력이 발생된다. 이것은 저항 성분이 되어 로우패스 필터의 역할을 하게 된다.
축전기(콘덴서): 전압의 급격한 변화를 막는다. 저항 성분은 주파수에 반비례한다.

인덕터와 커패시터가 결합되어 로우패스, 하이패스 필터가 만들어진다.

4. 1. 에너지 저장형 및 비저장형 수동 소자

수동 소자는 에너지 저장 여부에 따라 두 가지로 분류할 수 있다. 에너지 저장형 수동 소자는 전류가 흐를 때 공급받은 에너지의 일부를 열로 변환하는데, 이는 소산형이다. 비저장형 수동 소자는 전류가 흐를 때 공급받은 에너지를 열로 전혀 변환하지 않는데, 이는 비소산형이다. 저항은 에너지 저장형이다. 이상적인 축전기, 인덕터, 변압기, 자이레이터는 비저장형이다.^[11]

5. 패시브 필터 (수동 필터)

패시브 필터는 액티브 필터와 달리 외부 전원 공급 없이 수동 소자만으로 구성된 전자 필터이다.^[14] 대부분의 패시브 필터는 저항, 축전기, 인덕터, 변압기의 네 가지 기본 선형 소자로 구성되지만, 비선형 소자나 전송선과 같이 더 복잡한 소자가 포함될 수도 있다.

수동 고역 통과 필터(왼쪽)와 수동 저역 통과 필터(오른쪽)로 구성된 텔레비전 신호 분배기. 안테나는 중앙 왼쪽의 나사 단자에 연결됩니다.

5. 1. 패시브 필터의 장점

안정성이 보장된다.^[15]
큰 신호(수십 암페어, 수백 볼트)를 처리하는 데 유리하다.^[15]
전원 공급 장치가 필요하지 않다.^[14]^[15]
(대형 코일이 필요하지 않은 경우) 개별 설계 시 더 저렴하다.^[15]
필요한 부품에 따라 높은 선형성을 가진다.^[15]

5. 2. 패시브 필터의 응용 분야

패시브 필터는 스피커 크로스오버 설계(전압과 전류가 적당히 높고 전원 공급 장치에 쉽게 접근할 수 없기 때문에), 전력 분배 네트워크의 필터(전압과 전류가 높기 때문에), 전원 공급 장치 바이패싱(저렴한 비용과 경우에 따라 전력 요구 사항으로 인해), 다양한 개별 및 자작 회로(저렴한 비용과 단순성으로 인해)에 일반적으로 사용된다.^[16]^[17] 모놀리식 집적 회로 설계에서는 저항기 및 커패시터에 비해 능동 소자가 저렴하고 인덕턴스 코일이 엄청나게 비싸기 때문에 패시브 필터는 거의 사용되지 않는다.^[16]^[17] 그러나 수동 필터는 여전히 하이브리드 집적 회로에서 발견된다. 실제로 수동 필터를 통합하려는 욕구가 설계자로 하여금 하이브리드 형식을 사용하게 하는 원인이 될 수도 있다.

참조

_[1] 논문 Energy Concepts in the State-Space Theory of Nonlinear ''n''-Ports: Part I—Passivity http://www.et.byu.ed[...] 1981-01
_[2] 서적 Nonlinear Systems Prentice Hall
_[3] 웹사이트 What are the Main Differences Between Active and Passive Components in Electronics? https://www.electron[...] 2022-07-06
_[4] 서적 Tellegen's Theorem and Electrical Networks MIT Press
_[5] 문서 This is probably formalized in one of the extensions to Duffin's Theorem. One of the extensions may state that if the small signal model is thermodynamically passive, under some conditions, the overall system will be incrementally passive, and therefore, stable. This needs to be verified.
_[6] 논문 Control Systems, Robotics, and Automation Encyclopedia of Life Support Systems 2022-07-06
_[7] 서적 passive Penguin Books
_[8] 서적 Crash Course in Electronics Technology Newnes
_[9] 서적 Analog Electronics Elsevier
_[10] 웹사이트 Class 257: Active Solid-state Devices https://www.uspto.go[...]
_[11] 서적 Design of High-Performance Negative Feedback Amplifiers Elsevier Scientific Publishing Company
_[12] 웹인용 What is active filter and passive filter? https://studybuff.co[...] studybuff.com 2023-10-30
_[13] 웹인용 What is a Passive Low Pass Filter – Circuit & Its Working https://www.knowelec[...] www.knowelectronic.com 2023-10-30
_[14] 웹인용 Improving Signal Quality With Filters: Types, Applications, and Choosing the Right One https://partstack.co[...] partstack.com 2023-10-30
_[15] 웹인용 Modern active filters and traditional passive filters https://www.research[...] www.researchgate.net 2023-10-30
_[16] 웹인용 Difference Between Active and Passive Filter https://circuitglobe[...] circuitglobe.com 2023-10-30
_[17] 웹인용 Passive, Active, and Digital Filters https://www.research[...] www.researchgate.net 2023-10-30

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