전압, 전류, 저항.. 그리고 전력...

전압, 전류, 저항.. 그리고 전력...

 

전공자가 아니더라도 친숙한 이름들..

요즘 우리는 전자공학 전공자가 아니더라도 흔하게 전압과 전류에 친숙해 있답니다..

우리가 늘 들고 다니는 휴대폰의 리튬 배터리는 3.8V에 oooomAh (또는 oo.oWh) 라고 씌여져 있으며, 건전지 배터리는 1.5V, 가솔린 자동차의 경우 내부 12V 시스템으로 동작, 우리들 집은 교류 220V 전압(국가에 따라서는 110V)을 사용하고 있다는 사실 정도는 알고 있을 거예요.

조금 더 나아가 실험실에서 파워 서플라이라고 하는 제품은 우리가 원하는 전압(파워서플라이 마다 다 다르겠지만..) 을 만들어 줄 수도 있죠.

 

여기에서는 전압(Voltage, 단위는 V)과 전류(Current, 단위는 A), 그리고 전력(Power)과 전력량(Energy)에 대해서 알아보겠습니다.

 

미리 알고 들어가기

 

사용 단위

전압(Voltage) : V (volt/볼트)

전류(Current) : A (Ampere/암페어) - 기호는 I(Intensity of Current)로 표현함.

저항(Resistor) : Ω (Ohm/옴) - 기호는 R (Resistance)

전력(Power) : W (Watt/와트) - 기호는 P(Power)

전력량(Energy) : Wh (Watt-hour/와트시) - 기호는 W (전력의 단위와 헷갈린다.)

 

AC (Alternating Current) : 전압/전류가 특정 주파수를 가진 사인파형인 전원. 전력 전송에 있어서 DC 보다 뛰어나지만 대부분의 디지털 제품에서는 DC로 변환이 필요하다. 위키의 사전적 표현을 빌면 전류의 방향이 주기적으로 변화하는 전압,전류로 표현되어 있음.

DC (Direct Current) : 전류의 방향이 한 방향으로 정해져 있어서 +에서 -로만 흐를 수 있는 전압, 전류 시스템

주파수(Frequency) : 주기적인 파형의 변화

 

전압

비전공자에게 전압은? 이라고 질문한다면 보통 "전기의 압력" 또는 "직류와 교류로 나뉜다" 정도 말씀 하실 수 있을 거예요.

여기에서는 전압의 의미를 논하기 보다는 사용용도에 따라 어떤 전압을 사용하는가를 보도록 하겠습니다.

 

우리가 반도체나 IC를 구동하기 위해 사용하는 전압은 거의 대부분 DC 이며, 보통 5V, 3.3V, 3.0V, 1.8V, 1.2V, 12V, 24V, -5V, -12V 등등이 단독으로 구성 되거나 또는 여러개의 전압이 사용되는 경우도 있습니다.

만일 AC 플러그를 꽂는 장치라고 한다면, 그 내부에는 AC를 DC로 변환하는 회로가 있고, 또한 그 장치 안에 반도체가 있다면 그 반도체가 동작하는 전압을 만들어주는 소자(Power 소자)가 존재하게 됩니다.

 

전압은 상대적인 값이며 보통은 GND라고 해서 어떠한 회로에서 한 부분은 0V로 잡아주거나 또는 접지라고 해서 Earth Ground를 0V로 지정하여 이를 기준으로 상대적으로 높은 값을 + 전위로 만듭니다. 즉 회로에서 3.3V는 GND 대비한 3.3V 높은 값이 됩니다.

간단히 생각해서 우리가 1.5V 건전지 두 개를 TV 리모컨에 새로 넣었습니다. 만일 1.5V 건전지 두 개는 직렬로 연결이 되어서 3V가 되었다고 한다면 리모컨 내부의 회로는 건전지의 (-) 부분과 연결되는 회로부분이 GND가 되며, 건전지의 (+) 부분과 연결되는 부분이 3.0V가 되는 것입니다.  

만일 GND가 아닌 -1.5V를 건전지를 이용해서 만들고 싶다면 어떻게 할 수 있을까요?

그렇습니다. 방금 TV 리모컨으로 3V를 만든 걸 확장해보죠? 거기에 추가로 건전지 1개를 더 연결해 주어서 -1.5V와 3V를 만들거나 4.5V로 만들 수도 있을 것입니다. GND 회로를 어디에 연결하느냐가 관건인 것입니다.

 

전류

전류는 전기의 흐름을 말하며, 통상적으로 (+) -> (-) 전위로 흐릅니다. 정확히는 도체 내에 있는 자유전자(-)의 움직임이 전류를 발생시키며 전류는 자유전자의 반대방향으로 움직입니다. 로켓이 발사될때 나아가는 모습을 생각해보시죠. 로켓의 방향이 자유전자의 방향이라면 로켓을 나아가게 하는 추진체 불꽃의 방향이 전류의 방향이라 생각하시면 쉽습니다. 또는 쉽게 건전지의 (+) 극에서 나와서 꼬마전구에 불을 켜주고 (-) 극으로 들어가는 존재가 전류라고 생각하시면 됩니다.

여기서 중요한 포인트가 있습니다. 전류는 무조건 하나 또는 하나 이상의 폐회로(closed loop)가 형성되어야 발생한다는 점입니다. 폐회로란 전원의 (+) 단자에서 나오는 신호가 목적지를 거쳐서 전원의 (-) 단자로 끊어지지 않고 연결되는 것을 말합니다.

만일 꼬마전구를 연결한 선이 끊어지면 전류는 흐르지 않죠? 또는 Earth GND에 접지하면 0V가 만들어진다고 잘못 이해해서 건전지 (-) 단자에 연결하지 않고 땅에다 연결한다고 꼬마전구는 켜지지 않습니다.

 

전압과 전류의 흐름을 설명할 때, 보통 물로써 설명을 많이 합니다. 전압은 댐처럼 높은 위치, 전류는 물의 양.. 그런데 개회로(open loop), 폐회로(closed loop) 설명에서는 물로 설명이 되지가 않네요. 물이 다시 돌아와야 하는데.. 그 부분은 설명이 안되는군요....;;;

 

아무튼 전류가 흐를 조건은, 폐회로이면서 전위차가 있어야 합니다.

이를 아주 잘 설명한 것이 옴의 법칙입니다.

 

저항

저항(Resister)이란 영어 어원대로라면 무언가를 거스른다는 뜻입니다. 무엇을 거스르는 것일까요? 바로 전류입니다. 

저항은 전류의 흐름을 방해하는 물질로, 회로에서는 도체와 도체 사이에 탄소피막, 산화금속 피막 등을 입히거나 넣어서 만듭니다. 

아래 링크에서 저항에 대해 설명이 잘 되어 있네요..

<아이씨 뱅큐 저항 설명 보고오기> 

 

 

앞서서 저항의 어원을 설명하기는 하였지만, 실제 회로에서 저항은 전류의 흐름을 방해하는 역할이라기 보다는 전류의 양을 조절하는 역할, 또는 전류를 제어하고자 하는 목적으로 저항을 사용한다고 생각하시면 맞습니다.

 

 

옴의 법칙, 전력과 전력량

전압, 전류는 옴의 법칙으로 다음과 같이 표현됩니다.

I = V/R        (응용하면, V = IR, R = V/I 로 표현할 수 있다. 즉, 세 개의 인자 중에 두 개를 알면 하나를 계산할 수 있다.)

위 수식을 글로 설명하면 "1 ohm 저항에 1V를 흘리면 1A가 된다. 또는 1A 라고 하자." 가 됩니다.

 

옴의 법칙을 설명하면서 우리는 SI 단위(또는 MKS 단위)에 대해서도 한 번 생각해 보겠습니다.

SI 단위 또는 SI 단위의 대표격인 Meter, Kilogram, Second의 약자를 따서 MKS 단위라고도 부르는데, 과연 I, V, R 중에서 어떤 값이 SI 단위의 값일까요?

아니면 I, V, R 모두 다 SI 단위가 아닐까요?

정답은 I가 SI 단위입니다. 아래 위키 사이트를 한 번 클릭해서 확인해 보세요.

<SI 단위 위키 링크1 보고오기 > 

<SI 단위 위키 링크2 보고오기 >

 

머, 어쨌든 1V와 1 ohm은 모두 전류를 기준으로 만들어진 값이라는 것을 SI 단위를 통해서 알게 되었군요..

 

그리고 옴의 법칙을 통해서 알 수 있는 것은, 전압이 일정할 때, 저항값이 커지면 커질 수록 전류는 작아진다는 것입니다.

즉 저항값을 키워서 전류를 제한할 수 있다는 것입니다.

 

전력과 전력량

전압, 전류의 곱인 전력 P는 다음과 같이 표현됩니다.

P = IV            (여기에 옴의 법칙으로 I나 V를 치환하면,  P = I^2 * R, P = V^2 / R 가 되어 전력은 전압, 전류, 저항 중 두개만 알고 있으면 계산이 된다.)

 

전력량은 표시에서도 유추할 수 있겠지만 시간을 곱한 값이다.

W = Pt            (만일 1시간 동안의 전력량이라고 하면 Wh로 표시될 것이다.)

 

한마디로, 전력은 어느 한 순간의 전압과 전류의 곱을 말하며, 전력량은 시간까지 곱한 값이 됩니다.

그럼 한국전력에서 공급받는 전력은 어떻게 계산 될까요? 당연히 전력량으로 계산이 되겠죠?ㅎ 

 

위와 같이 표현했지만, 전력과 전력량에 대해 잘 이해가 가지 않는다면, 한 가지 예를 들어 보겠습니다.

우리가 갖고 있는 폰을 보게 되면 배터리가 있습니다.(글을 쓰는 시점에서 Li-Ion 또는 Li-Po, 즉 리튬이온 또는 리튬 폴리머 배터리)

제 폰 배터리 용량은 3.8V, 9.88Wh로 표시되어 있습니다. 다른 표현법인 mAh로 표현하면 2600mAh가 됩니다.

이 배터리는 한시간 동안 9.88W(=3.8V*2.6A) 를 꾸준히 쓰면 방전되는 용량을 가진 배터리입니다. 

만일 제 폰이 계속 전류를 소모해서 4.94W를 꾸준히 소모한다면 2시간 동안 폰을 사용할 수 있겠지요?

즉 한시간동안 2.6A(=9.88W/3.8V)를 꾸준히 소모시키면 배터리는 1시간만에 방전되어 버립니다.

만일 제가 30분동안 1.3A를 소모하는 동작을 시키고, 30분동안은 피곤하니까 쉬어주는 동작을 반복한다면 이 배터리는 몇시간을 버틸까요?

생각 한 번 해보시고 아래부분을 마우스로 긁어보세요.

-> 정답은 3시간 반입니다. 4시간이라 말씀하신분은 조금만 더 생각해보세요..^^

물론 현실세계에서는 꾸준히 일정하게 전류가 인가되는 상황을 만드는 것도 쉽지 않으며, 계속적인 사용으로 인한 열이 발생하고 그 열로 인해 반도체로 유입되는 전류가 높아져 동작 시간은 더 짧아집니다. 더구나 배터리의 경우 여러번 충방전을 반복하다보면 초기의 용량만큼 충전이 되지 않는 상태가 올 수도 있습니다.

 

조금 더 현실적으로, 실제 배터리는 어떻게 방전이 될까요?

우리가 휴대폰에서 보듯이 리튬이온 배터리가 완충 되었을 때에는 약 4.2V의 전압이 출력됩니다. 하지만 배터리가 전류를 공급하면 배터리는 소모가 되고, 그러면서 점점 전압은 낮아지게 됩니다. 전압이 약 3.2~3.4V에 이르면 배터리는 거의 방전 상태가 됩니다. 

배터리에서는 순간적으로 높은 전류를 소모하는 경우, 전압 강하가 발생할 수 있습니다. 배터리에서 높은 전류를 소모하는 것은 배터리 내부 온도를 높이는 결과를 주며, 그에 따른 열저항의 영향으로 전류와 열이 더 높아지게 됩니다. 결국 과전류와 열이 반복되면 배터리가 부풀어 오르면서 사용가능 시간이 짧아져 수명을 다하게 됩니다.

 

반도체 회로에서의 전압, 전류

반도체 회로는 필요에 따라 원하는 종류의 전압과 원하는 양의 전류를 인가해 주어야 합니다.

일반 사용자 입장이 아닌 반도체를 가지고 회로를 설계하는 사람의 입장에서 봤을 때,

반도체에 공급해 주어야 하는 전원이 있을 것이고, 회로에서 사용되는 각 디바이스(통상 개별 반도체 소자를 디바이스(device)라고 부릅니다. 앞으로는 반도체 소자는 디바이스라고 통칭하도록 하겠습니다.) 에서 용인해 주는 전원이 있어서 전압 조건은 두 가지를 생각해야합니다.

 

공급전원의 경우, 보통 VCC나 VDD로 불리는 (+) 전압과 GND 불리는 기준전압(0V) 전원이 필요합니다. 일부 특정 반도체에서는 필요에 의해서 0V 기준전압보다 낮은 (-)전압이 필요합니다.

디바이스 관점에서는, 각 디바이스는 정격 또는 허용하는 전압이 있습니다.

가령, 제가 사용하려는 MCU는 1.8V ~ 3.6V 사이의 전압이 공급되면 안정적으로 동작하는 특징이 있습니다. 여기에 어떤 디바이스를 추가해서 원하는 동작을 하려합니다. 어떤 디바이스는 동작범위가 2.2V ~ 4V 라고 한다면, 이 회로에는 2.2V ~ 3.6V 사이의 전압이 인가되어야 합니다.

따라서 1.5V AA 건전지 2개를 직렬로 연결하면 동작이 되겠네요.

또다른 예를 들면, MCU는 1.8V ~ 3.6V이고, 어떤 디바이스를 동작시키기 위해서 5~12V 전압이 필요하다고 가정하겠습니다. 그 경우에는 5~12V 전원을 만들고, 그 전원에서 LDO나 DCDC라고 불리는 power device를 연결해서 5~12V의 전압을 1.8V~3.3V로 만들어줄 필요가 있겠습니다.

 

이렇듯, 모든 전자제품의 기본이 되는 power 공급을 어떻게 할 것인가는, 회로 설계에 있어서 가장 첫번째 고려 사항이 됩니다.

 

 

여담) 직류와 교류

이 블로그에서는 주로 직류에 대해서만 다룰 예정입니다만, 간단히 직류, 교류에 대해 알아보겠습니다.

1900년대 초에 에디슨과 테슬라라고 하는 과학자가 있었습니다. 필라멘트 전구를 만든 에디슨은 DC, 테슬라는 AC를 가정에 공급하는 시스템을 만들어서 서로 싸우게 됩니다. 당대의 유명한 발명가 에디슨, 그리고 젊고 천재적이지만 유명세에서는 에디슨에 못미치는 테슬라..

그 결과가 어떻게 되었을지는 아래 유튜브 동영상을 참고 바랍니다.

< EBS 클립뱅크, 직류와 교류의 역사 >

 

요약하면, DC는 단순하지만 이를 발전소에서 각 가정에 공급하기에는 시스템이 너무 비싼 반면에, AC는 전송효율이 좋아서 DC 보다는 훨씬 싼 전송 비용이 듭니다. 테슬라의 모든 사람들이 다 누릴 수 있는 AC 가 결국 승리합니다.

" 이 세상은 더이상 가진자들의 폭력이 가난한 자들에게 굴욕을 주는 일이 없는 세상이 될 것입니다.

그 세상에서는 지식과 과학, 예술의 산물이 개인의 부를 위해서가 아니라 인류의 복지와 윤택한 삶을 위해서 쓰일 것입니다."

- 임종 전, 고국에 띄운 테슬라의 편지 중

 

 

<끝>

 

Todo : 내용 깔끔하게 정리필요. 사진 스샷 첨부 및 폰트와 소제목 정리..