오늘은 전압원에 대해서 포스팅을 해보려 합니다.
전원의 정의와 특징, 연결할 때 어떻게 해석할지 차례대로 알아보겠습니다.
후에 작성할 전류원, 종속전원과 시리즈로 이어질 예정입니다.
전압원
정의
전압원은 전위차를 발생시키는 전원입니다.
전류는 기본적으로 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동합니다.
마치 우리가 높은 곳에서 떨어지면 지면으로 향하는 것과 같습니다.
이 높이차를 만드는 것이 바로 전압원인 것입니다.
전압원의 특징
1. 회로는 단락취급한다 (내부 저항이 0이다)
회로의 취급 기준은 다른 전원이 연결됐을 때 전류의 값이 변할 수 있는가?입니다.
단락의 뜻은 저항이 0인 상태로 연결되었다는 뜻입니다. 전류의 흐름을 방해하지 않는다는 것이죠.
외부에서 전류의 값이 변하면, 전압원이 연결된 선로도 전류가 변합니다.
전압원은 전위차만 영향을 미치기 때문입니다.
전류원, 중첩의 정리에서 추가 설명하겠습니다.
보충설명을 들으실 분들은 다른 포스팅 참고하시길 바랍니다.
2. 직렬임피던스를 가진다
이상적인 전압원은 내부전압이 0이라고 했습니다. 하지만 현실은 무조건 내부저항이 존재할 수밖에 없습니다.
현실적인 전압원은 오른쪽 그림처럼 이상적인 전압원 + 직렬 임피던스(내부저항)의 형태로 표현합니다.
임피던스란?
전압을 가했을 때 전류의 흐름을 방해하는 정도를 말하는 말입니다.
보충해서 말하자면 교류회로에서 사용하는 저항의 상위 개념입니다.
직류회로 때는 저항만 저항성분을 가지고 있었습니다.
교류회로로 회로가 확장되면 L(코일), C(커패시터)도 부하로 작용하게 됩니다.
이 소자들도 교류에서 저항과 같은 역할을 하게 됩니다. 이것을 리액턴스(Reactance)라고 합니다.
정리하자면
임피던스 = 교류의 저항(리액턴스)+직류의 저항(전압)
앞으로 기호의 내부 저항 등은 임피던스라는 명칭을 쓸 것입니다.
실제 내부에 코일, 커패시터 등이 저항과 같이 있기 때문입니다.
전압원의 직렬연결
전압원을 직렬연결하면 방향에 따라 다르게 계산할 수 있습니다.
방향이 같으면 증가하고, 반대방향이면 그만큼 감소할 것입니다.
다음과 같은 회로에서는 어떻게 발생할까요?
그냥 5+3= 8V가 출력될 것입니다.
만일 3V 전압원이 반대로 접속이 되어있다면 어떨까요?
그럼 5-3= 2V가 출력값일 것입니다.
전압원의 병렬연결
병렬연결한 전압원이 다른 경우
두 전압원이 병렬연결 시 값이 다를 때 치명적인 문제가 발생합니다.
전위차가 두 전압원의 차만큼 발생하게 됩니다. 아무 저항이 없이 발생합니다.
즉 사진의 회로에선 2V의 전위차가 발생하게 됩니다.
그 전압만큼 전위가 낮은 전압원의 방향으로 흐르겠죠.
주황색 화살표와 같이 내부로 순환하는 방향으로 흐를 겁니다.
저항이 없이 전류가 흐르게 되면 엄청난 열이 발생합니다. (쇼트 발생)
병렬연결한 전압원이 같은 경우
두 전압원의 전위차가 0입니다.
따라서 Vout에는 그대로 전압원의 값이 나가게 될 것입니다.
(3V와 3V를 병렬연결할 시, 출력은 3V)
합선(Short)이란?
회로의 두 전선이 연결되어 엄청난 양의 전류가 흐르는 현상을 말합니다.
그림을 통해 알아보겠습니다.
좌측 회로는 평범한 회로입니다. 가운데 스위치가 열려있는 상태입니다.
스위치가 열려있으면 저항이 무한대라고 표현합니다. 흐르지 않기 때문입니다.
우측 회로는 기존 회로에 스위치만 닫은 형태입니다. 가운데 스위치를 닫았습니다.
가운데 아무 저항이 없는 길이 생겼습니다. 전류는 저항의 양의 반비례해서 흐릅니다. (옴의 법칙)
회로에 저항이 0인 전선이 생기면 어떻게 될까요?
회로에서 발생한 전류가 모두 저항이 없는 전선 방향으로 흐르게 됩니다.
저항이 있던 곳은 아예 전류가 흐르지 않습니다. (전류분배법칙)
회로 시뮬레이션에서는 아예 빨간색의 알림을 띄며 실행이 되질 않습니다.
합선이 위험한 이유
엄청난 양의 전류로 열이 발생해 화재가 발생할 수 있습니다.
평소보다 5배, 10배 많은 전류가 흐르게 되면 전선, 소자는 망가질 것입니다.
전류의 증가에 따라 엄청난 양의 열이 발생해서 스파크, 화재 등으로 이어집니다.
현실에서는 쇼트를 대비하여 미리 설치한 퓨즈가 타거나, 차단기가 내려갑니다.
추가. 왜 전압원의 직렬연결은 쇼트가 발생하지 않을까?
저항이 0인 전선이 발생하지 않기 때문입니다.
모든 전압이 Vout에 연결될 부하저항으로 이어지게 되겠죠.
(과거 부하저항 포스팅 참조)
맺음말
오늘은 전압원과 임피던스, 합선에 대해 알아보았습니다.
전압원 자체는 기존에도 계속 사용해 왔기 때문에 추가 개념들을 주로 설명했습니다.
다음 시간에는 전류원과 전원변환에 대해 알아볼 것입니다.
오늘도 고생했습니다. 다음에 만나요.
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