전원의 선택 - 이상적인 전원 (Ideal Power Source)

요전에 여러 LED가 있는 모듈(Module)을 만들었었죠. 이것을 켜려면 전원(Power Source)을 연결해야 합니다. 시험에서는 직류 전원 공급 장치(DC Power Supply)를 연결해서 켰었죠. 5V 전압원(Voltage Source)으로 설정했었습니다. 사진을 다시 보면 기억이 나겠죠?

직류 전원 공급 장치(DC Power Supply)를 5V 전압원(Voltage Source)으로 설정하여 LED 모듈을 켰던 모습입니다.

그런데, 5V 전압을 얻을 수만 있으면 내가 필요한 전원으로 적합한 것일까요? 전원은 어떻게 선택이 될까요?

이것은 내가 필요로 하는 전원(Power Source)을 선택할 때에 필요한 질문이기도 하고, 또 내가 설계하는 장치 안의 전원 회로(Power Circuit)를 설계할 때에 질문이기도 합니다. 

이 질문에 올바른 답을 찾기 위해서는 먼저 이상적인 전원(Ideal Power Source)에 대하여 알아야 합니다. 이상적인 전원은 이상적인 전압원(Ideal Voltage Source)과 이상적인 전류원(Ideal Current Source)으로 나뉩니다. 교과서에서는 아마 이 용어들이 먼저 나오거나 이 용어들만 나올 것입니다. 이상적인 전원(Ideal Power Source)이라는 말로만으로는 전원의 특성을 특정할 수가 없거든요. 전압이나 전류가 특정되어야 합니다. 왜 그런지는 포스트를 끝까지 읽으면 알게 될 것입니다. 

전력(Power)이라는 용어는 기억이 나죠? 다시 한 번 이 떼려야 뗄 수 없는 이 녀석들의 관계를 살펴볼까요?

$$P=V{\cdot}I$$

결론적부터 말하자면 이상적인 전원이라는 것은 자연계에 존재하지는 않습니다. 이상적(Ideal)이라는 말은 자연계에는 존재하지 않지만 있으면 좋겠다는 의미니까요. 그래서 이상적인 전압원이나 이상적인 전류원은 우리가 회로를 해석함에 있어 회로도에나 존재하지 자연계에 실제 하지는 않습니다. 왜 존재할 수 없다고 하는지는 좀 더 살펴 보고 얘기하지요. 회로도에는 이상적인 전압원과 이상적인 전류원을 다음 기호처럼 표시합니다. 

전압 V를 가지는 이상적인 전압원(왼쪽)과 전류 I가 흐르는 이상적인 전류원(오른쪽)

이상적인 전압원과 이상적인 전류원은 모두 2개의 단자를 가지고 있고, 이상적인 전압원의 경우에는 두 단자 사이의 전압을, 이상적인 전류원의 경우에는 두 단자 사이에 흐르는 전류를 특정합니다. 

예시) 5V의 이상적인 전압원에 연결된 저항 R(왼쪽)과 1A의 이상적인 전류원에 연결된 저항 R(오른쪽)

앞의 그림에 있는 회로 중, 왼쪽 회로는 이상적인 전압원에 저항을 연결한 것으로 이상적인 전압원의 2개 단자 사이의 전압이 5V입니다. 저항 $R$에 흐르는 전류 $I_R$은 저항에 따라 다르겠죠. 저항이 1Ω이라면 5A, 저항이 0.5Ω이라면 10A가 되겠죠. 저항이 얼마가 되든 전류를 그에 맞게 무한대로 공급해 줄 수 있습니다. 오른쪽 회로는 이상적인 전류원에 1A라는 전류를 공급해서 저항 R에 흐르게 하는데, $R$에 따라서 저항 2개 단자 사이의 전압 $V_R$은 달라지겠죠. 저항이 10Ω이라면 10V, 1000Ω이라면 1000V, 무제한의 전압을 공급할 수 있게 됩니다. 

다시 요약하자면, 이상적인 전압원(Ideal Voltage Source)은 정해진 전압에 무제한의 전류를, 이상적인 전류원(Ideal Current Source)은 정해진 전류에 무제한의 전압을 공급할 수 있습니다. 전력과 전압, 전류의 관계에서 전압이나 전류가 정해지고 나머지 하나가 무제한이라면 공급되는 전력도 무제한이 될 수 있습니다. 전력이 무제한이 된다는 것은 에너지(Energy)를 무제한으로 신경 쓸 필요 없이 공급할 수 있다는 의미이지요. 따라서 이상적인 전원(Ideal Power Source)는 무제한의 전력을 공급할 수 있는 에너지원입니다. 그러니까 이상적인 전원이라는 말로만으로는 전원의 특성을 특정할 수가 없는 것이지요. 무제한이니까. 그런데 무제한의 에너지?

그런 것은 자연계에 절대 있을 수가 없죠. 그런 것을 기대하고 회로를 설계할 수 없습니다. 세상에 무제한의 에너지가 어디 있겠어요? 이상적인 전압원(Ideal Voltage Source)과 이상적인 전류원(Ideal Current Source)은 단지 회로의 해석을 위하여 전압과 전류를 표시하는 것일 뿐입니다. 

그러면 실제 하는 전원(Power Source)은 어떤 것일까요? 회로를 설계하면서 어떤 것을 고려하게 될까요? 다음 이어지는 포스트에서 살펴보겠습니다.