[회로이론] - 세상에 없는 전기, 이상적인 독립전원과 이상적인 종속전원

안녕하세요!

 

공직자에요!

 

지난 시간에 이어서 썰을 풀어보도록 할건데.

 

오늘은 다소 이론적인 이야기들이 많이 들어갈 것 같으니 이해가 안가시면

 

2~3번 혹은 10번을 읽어보셔서 자기것으로 체득하시기 권장드립니다.

 

연필과 노트를 준비하는 것도 좋겠어요!

 

자, 본격적으로 이야기 시작하기에 앞서

 

오늘은 사실 세상에 없는 전기를 배울 거라는 점을 미리 말씀드립니다.

 

"아니, 진짜 전기를 알려준다면서 왜 세상에 없는 전기를 배워야 되나요?"

 

답변 : 맞습니다. 세상에는 없어요.

        허나 우리가 추구해야할 방향성이며, 이상적인 길에 가까워질수록

        인간의 삶은 윤택해질거에요~ 더 싼가격으로 많은 사람들이

        기술의 혜택을 받겠죠!

 

이상적인 길은 끝도 없고 실체도 없지만 수많은 과학자 및 기술자들이 이상적인 방향으로

 

나아가기 위해서 지금도 애쓰고 있습니다.

 

여러분께 늘 실제를 배우라고 강조드렸으나 오늘은 지금까지의 흐름과 다르게

 

이상적인 부분을 설명을 드리는 것에 당위성을 부여해야할듯 합니다.

 

제가 지금 글을 쓰는 이 순간에도 저는 실제를 배우고 그다음 이상적인 부분을 배워야 한다는 것에 대해서는

 

생각에 변함이 없답니다.

 

허나 이상적인 부분이 필요가 없다는 이야기는 아니거든요.

 

자, 달리기 선수를 봅시다.

 

이 사람은 어떻게 세상에서 제일 빠른사람이 되었을까요?

 

잠시 이야기가 다른쪽으로 새지만 한번 생각해봅시다.

 

사람이 로케트만큼 빨리 달릴 수 있을까요?

 

혹은 사람이 빛과 같은 속도로 달릴 수 있을까요?

 

대부분의 사람들은 미쳤다며 손사래 치겠지요.

 

아마도 사람은 영원히 로켓의 속도만큼 빠르게 달릴 수 없을지 모릅니다.

 

하지만 중요한건, 로켓을 능가하는 속도를 얻기 위해 끊임없이 노력하는 그 누군가는 챔피언의 타이틀을 가진다는 것.

 

즉, 이상적인 상황을 목표로 두고 끊임없이 시도하는 누군가는 결국 챔피언의 자리를 거머쥐게 된다는 것이죠.

 

어차피 경쟁이란게 사람간에 유효한 것이니까요.

 

그 누구도 챔피언이 로켓보다 느리다고 저급하다고 말할 수 없습니다.

 

다시 이야기 본론으로 돌아옵니다.

 

우싸인 볼트가 동네 친구를 이기려는 마음으로 달리기를 시작했다면 과연 세계 챔피언의 자리에 오를 수 

 

있었을까요?

 

저는. 아니라고 봅니다.

 

그가 세계 최고일 수 있었던 것은 끊임없는 자기와의 싸움에서 이겼기 때문이고

 

비교 대상이 다른사람의 기록이 아닌, 자기가 꿈꾸는 이상적인 상황을 비교하며 늘 뼈를 깎는 고통을 감내했기

 

때문이겠죠.

 

서론이 길었습니다.

 

전기는 사실 이상적인 학문은 아닙니다.

 

실제 전기와 이상적인 전기는 너무도 다른 부분이 많지만.

 

우리는 전기라는 보이지 않는 힘을 최대한 효율적으로 사용하기 위해

 

이상적인 전기를 가정하고 그 과정을 닮기 위해 끊임없이 연구하고 나아가는 과정을 글로 배우는겁니다.

 

이게 현실에 없는 전기를 배워야만 하는 이유이겠죠.

 

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 이상적인 독립전원

 

이상적인 독립전원은 부하가 어떻건 늘 일정한 전압과 전류를 내보내는 전원을 말하는데요.

 

설명하자면 이렇습니다.

 

이상적인 전압원의 경우 

회로 1

회로1 에서 양단의 전압인 100[V]를 유지하기 위해 어떠한 전류도 무한정 만들어 낼 수 있다는 점이에요.

 

극단적으로는 양단의 전압이 100[V]이기만 하다면 전류가 0인, 즉 아예 전류가 없는 회로나

 

전류가 무한대인 회로도 가능하다는 의미죠.

 

즉, 이상적인 전압원은 옴의법칙(이후의 포스팅에서 자세하게 설명할께요. 지금은 그런게 있다만

알고 넘어가주시면 됩니다.)

 

V = I * R 에서

 

V = 100[V]를 만들기 위해서 저항이 0인 경우에 무한대의 전류를 만들어낼 수 있고

(회로가 단락이된 상태에서 무한대의 전류를 만들어 전압을 100[V]로 만든다.)

 

V = 100[V]를 만들기 위해서 저항이 무한대인 경우에 0의 전류를 만들어낼 수 있다.

(즉, 회로 구성을 안한상태, 쉽게 말해서 전지의 경우 기구에 끼우지 않아도 양단의 전압이 100[V]로 유지된다.) 

 

실제로는 발전기나 전지들이 이상적인 전압원에 아주 근접해있다고 보죠

 

전기공학도 학생들은 위 회로에서 전류치를 계산하라고하면 자신있게들 1[A]를 외치는데

 

틀렸어용.

 

실제로 산업에서 옴의 법칙을 적용했을때는 1[A]가 흐르지 않는답니다.

 

저렇게 집중 부하가 존재하지 않는 이유때문이기도 하지만

 

에너지 전달이 전기로만 이루어지지 않고(빛, 열로 소모), 유도성 부하가 많기 때문이죠.

(이해 못해도 좋음 이후에 자세히 설명)

 

어쨋든... 왜 우리는 이것을 이상적이라고 표현할까요?

 

이유야 간단합니다.

 

무한대의 전류를 만들어 낸다는 것은 1초에 따른 전자의 이동이 무한하게 이루어진다는 것이죠.

 

허나 실제로는 이런일이 발생할 수 없어요.

 

이전포스팅 발췌

 

전자는 도선 내부를 움직이면서 저항을 받아 열로 에너지가 변환되거나 빛으로 전환되면서 점차

 

전자의 흐름이 연해지고 종국에는 전류가 없어지는 상태에 이르거든요.

 

회로2

우리 전기공학도 학생들에게 한번더 문제를 내보자면.

 

회로 1의 전원은 그대로 빼서 회로 2에 넣었습니다.

 

V1은 100[V]일까요 아닐까요?

정답: 응. 아니야.

 

전압원의 양단의 전압이 100[V]가 아니라는거에요.

 

대체 왜 이런현상이 생길까요?

 

답은.

 

현실세계에 존재하는 모든 전압원 자체에 저항이 존재하고 있기도 할 뿐더러

(즉, 전압원 자체의 전압강하가 이루어짐.)

 

유도성 부하로 인해 전압이 점점 떨어지는 현상이 나타나기 때문에

 

100[V]가 될 수 없어요.

 

이부분은 이해하시는 분들도 있을거고 이해 못하신다해도 이후에 자세하게 설명드릴 거니까

 

조금 기다려주시구요!

 

제가 회로1에 나타낸 전압원은 실제 구조를 회로로 그려보면 

 

 이렇다보니 실제로 V1에서 100[V]를 내보내더라도 전압원 자체저항으로 인해 전압강하가 일어나고

 

더욱이 모터는 대부분이 유도성 부하이므로 역전압이 걸려 전압이 강하되는 현상이 나타난답니다.

 

이렇게 전압이 떨어지는 부하를 많이 많이 까는경우

 

어쨋든 전압이 떨어지면 전력손실이 증가하기 때문에

 

변압기의 탭을 조정하여 전압을 다시 승압시켜주기도 하는데

 

지금하는 것도 어려우니 조용히 넘어가고 나중에 설명할게요 ^-^

 

제가 몰라서 설명안하는게 아니라 여러분이 이해하기 어려우실까봐.

 

차근차근 설명드리는거니까 ^-^

 

이해바랍니다.

 

그다음은 기호를 설명드리지요. 

왼쪽 그림은 시간에따라서 변화할 수 있는 직류전압만을 표현하는 것이고

 

오른쪽 그림은 일반적인 직류전압을 통칭할 수 있어요.

 

그렇담 시간에 따라서 변화할 수 있는 직류전압은 대체 뭔가요?

 

이겁니다. 지난주 포스팅때 설명했던거.

 

지난 시간에 자세히 설명했으므로 더이상의 설명은 생략합니다.

 

이상적인 전압원이 있었다면 이상적인 전류원도 존재한다는건 눈치빠른 사람이라면 알겠죵?

 

 

이상적인 독립 전류원의 특징은.

 

전압원과 비슷한데요.

 

이상적인 독립 전압원이 일정 전압을 유지하기 위해서 어떠한 전류를 내보냈다면

 

이상적인 독립 전류원은 일정 전류를 유지하기 위해서 어떠한 전압도 만들어냅니다.

위 회로의 경우에는 100[V] 전압이 만들어지겠지요. 

 

극단적인 경우에 이상적인 전류원은

 

옴의 법칙인 V = I * R을 I를 기준으로 정리하여

 

I = V / R 수식을 만족한다고 가정했을때

 

I값을 유지하기 위해서  R이 무한대인 경우 V를 무한대로 만들어낼 수 있으며

(회로가 개방되어 있는 경우)

 

I값을 유지하기 위해서 R이 0인 경우 V를 0으로 만들 수 있어요.

(회로가 단락되어 있는 경우).

 

회로가 개방되어있는데 전류가 흐른다는 것과.

 

전압이 없는데 전류의 이동이 있다는게 이세상 이야기는 아니네요.

 

무튼 그렇습니당.

 

기호는 전압원과는 다르게 하나밖에 없어요!

 

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 이상적인 종속전원

 

그 다음은 종속전원을 소개드릴 차례네요!

 

종속 전원은 뭐냐!.

 

종속 전원이란 다른 전압이나 전류에 의해 결정되는 능동회로 요손데

 

쉽게 말해서 자기스스로 값을 가지지 못하고 다른 값이 결정되면

 

종속적으로 결정되는걸 말해요

 

쉽게 비유하자면

 

 

회식 자리에서 사원들의 의사는 없고(물론 수평적인 회사도 있음. 우리 회사는 매우 수직적인 회사이므로 절대불가.)

 

늘 부장님들의 입맛이 중요하므로

 

사원 입맛은 부장한테 종속되어 있다.

 

부장은 독립적으로 메뉴를 결정하지만

 

사원은 부장이 먹는걸 따라먹어야 한다.

(우리 회사 부장님은 치아가 약해서 회를 좋아함. - Feat. 비싼데 배는 안참;;)

 

기호는 마름모 모양으로 사용하는데요.

 

좀 특이한점이 있어요.

 

기호가 붙어있죠.

 

종속적이라는건 변수인 전압이나 전류 둘에 의해서 결정이 될 것 이므로

 

전압과 전류의 변수의 조합은 총 4가지가 있죠.

 

1.VCCS(전압제어 전류원)

  다른 소자의 전압값에 의해서 전류원의 전류값이 결정

2.VCVS(전압제어 전압원)

 다른 소자의 전압값에 의해서 전압원의 전압값이 결정

3.CCVS(전류제어 전압원)

 다른 소자의 전류값에 의해서 전압원의 전압값이 결정

4.CCCS(전류제어 전류원)

 다른 소자의 전류값에 의해서 전류원의 전류값이 결정

 

말로만 설명하니 이해가 어려울수 있기 때문에

 

그림을 그려서 봐볼게요.

 

VCVS(전압제어 전압원 예제)

 

이 예제로 사례를 들어볼까요?

 

먼저 이, 사례는 이상적인 회로로 가정하였습니다. 

 

왼쪽에 5[V] 전압소자가 있고

 

오른쪽 회로는 종속 전압원이 있는데 2라는 수치가 써져있네요

 

이회로에서 R2에는 몇 A의 전류가 흐를까요?

 

정답 1[A]

 

왜냐하면,

 

V1= 5[V]

VCVS1 = 5[V] * 2 = 10[V]

R2 = 10[Ω]

 

VCVS1/R2 = 1[A]

 

정답 1[A]

 

그러면... 이해를 돕기위해 또 다른 사례를 봅시다.

 

이경우에는 전류가 어떻게 될까요?

 

정답 2[A]

 

왜냐하면

 

V1= 5[V]

VCVS1 = 5[V] * 4 = 20[V]

R2 = 10[Ω]

 

VCVS1/R2 = 2[A]

 

자. 여기까지 보니까 얼추 이해가시죠?

 

VCVS는 왼쪽 회로의 값에

 

자체 상수를 곱해준만큼이 전압이 됩니다. 즉 수식으로 정리하자면

 

V(1차측) * K(상수값-> 어려운말로 게인값이라고 함) = 종속 전압제어 전압원의 출력값

 

입니다.

 

여기서 K값은 이후에 배우게될 제어공학의 P I D 제어의 시초가 됩니다.

 

매우매우 중요중요하니까

 

이런게 있다구나 정도는 알고 넘어가주시기 바랍니다~

 

다른 3가지의 경우도 위와 마찬가지로 제어가 된다고 보시면 됩니다.^-^

---

이상적인 부분을 이해하는데 있어서는

 

약간의 수식이 포함된 연습문제를 풀어보는게 이해를 하는데 꽤나 도움이 된답니다.

 

해서. 다음시간에는 이번시간에 배웠던 이론을 회로를 해석하며 수치를 계산해보는 시간을

 

갖도록 하겠습니다!

 

오늘 여기까지에요!

 

끝.