[전기05] 독립전원

  끊임없이 작동을 하는 실제 전기회로에는 언제나 전원으로 에너지를 공급해주어야 한다. 전원은 전압원(voltage source)와 전류원(current source)두 종류가 있다. 이들은 이상적인 전기소자이며 실제 전원의 회로 모형에대해서는 다음번에 또 소개하도록 한다.

1 전압원

  전압원의 전류가 일정한 범위 내에 있을때 전압원이 제공하는 전압은 전류의 크기와 관계없이 항상 상수량(예로 직류전원)이거나 시간에 따라 정하진 규칙을 갖고 변화한다(예로 사인교류전원). 아래 그임은 전지와 안정전원을 보여준다.

출처는 위키백과

  전지의 전압은 조정이 불가능하다. 안정전원은 일종의 전원변화기로서 보통 일반적인 사인교류전기를 직류 혹은 교류전기로 변환하여주고 그 전압은 조정이 가능하다.

  전기회로 모형에서 전압원 소자를 사용함으로서 전지와 안정전원의 전자기 특성을 표시 할 수 있다. 자주 사용되는 전압원 부호는 아래 그림과 같다. 

여기서 (a)는 직류전압원을 가르키고 (b)는 출력 조종이 가능한 전압원을 가르키고 (c)는 교류전압원을 표시하고 (d)는 임의의 규칙에 따라 변화하는 전압원을 가르킨다. 그림(c)와 (d)중의 "+", "-" 부호는 전압의 참고방향을 보여준다. 

  전압이 제공해줄 수 있는 확정된 전원 전압를 원전압(source voltage)라고 한다. 여기서 "확정된"이라는 것은 원전압 와 전압원에 흘러 들어오는 전류가 무관함을 말하고, 전압원의 전류는 그와 연결되어 있는 회로에 따라 확정될 것이다. 는 상수일 수 있고, 이를 직류전압원(혹은 정전압원)이라 부르고 라고 쓴다. 또한 시간에 따라 변하는 양일수도 있고 이를 라고 쓴다. 전압원 의 방향은 "+"극에서 "-"극으로 향한다.

  전압원의 포트 특성은 다음과 같이 해석하여 표시할 수 있다.

(1)

식(1)에는 전류i 가 포함되지 않는다, 이는 원전압은 전압원에 들어오는 전류에 제약을 받지 않는다는것을 보여준다.

  원전압이 상수량 일때 포트 전압과 전류간의 관계는 아래의 그래프와 같다. 이 그래프가 보여주는 전류좌표축과 평행한 직선을 전원의 포트특성곡선 이라고 부른다. 원전압=0일때 즉, 전압원을 0으로 둘때, 전압원은 닫힌회로와 같이 작용한다.

  위의 회로 모형과 같은 그림에서 볼 수 있는 참고방향에서 전압과 전류가 형성하는 일은 다음과 같다

(2)

여기서 와 i 가 비관련참고방향을 가지기 때문에 전원 내부 전류는 저전위에서 고전위를 향해 흐른다, 따라서 식(2)는 전원이 일을 내보내는것을 표시한다. 그 결과값이 양수일때(대응하는 특성 곡선이 1, 3 사분면에 위치할때)는 전압원이 전원공급 상태임을 나타내고, 아니라면 전압원이 전원충전 상태(대응하는 특선 곡선이 2, 4 사분면에 위치할때)임을 나타낸다, 사실상 일을 받아들이는것으로, 이러한 상황에서 전압원은 부하가 되어 에너지를 소모한다.

2 전류원 

출처는 전자공정세계

  측량 및 제어기술에서는 정확한 전류를 공급해줄 수 있는 안정전류원이 자주 쓰인다. 만약 전류가 시간에 따라 변하지 않는다면 이를 정전류원 이라고 부른다. 위의 그림이 곧 실험실에서 사용되는 정전류원의 예시이다. 안정전원은 보통 전자소자로 이루어지며, 사용시 교류전원으로 전기를 공급한다. 그 외의 광전지는 일정한 조건 아래서 정해진 값의 전류를 공급해주는 특성을 가진다.

  회로모형중에서 전류원으로 안전전류원의 전자기특성을 표시해주는데 그 부호는 아래와 같다

  전류원은 확정된 전류 를 제공해 줄 수 있고, 이를 원전류(source current)라고 한다. 여기서 "확정된" 이라는것은가 전류원 포트의 전압과 무관하다는것을 가르킨다. 전류원 포트의 전압은 나머지 연결된 회로에 의해서 결정된다. 는 상수값 즉 정전류 일 수 있는데 이를 라고 쓰며 시간에따라 변하는 양일때는라고 쓴다.

  전류원의 포트 특성을 아래와 같은 식으로 쓸 수 있다

(3)

  식(3)은 전압u를 포함하지 않으며 전류원 포트가 전압의 제약을 받지 않는다는것을 표시한다. 만약 원전류가 상수값일때 식(3)은 u-i 평면상에서 전압좌표축과 평행한 직선과 대응된다. =0일때 즉, 전류원을 0으로 두었을때 전류원은 열린회로와 같이 작용한다.

  위 그림에서 보여지는 참고방향에서 전류원이 내보내는 일은 다음과 같다

(4)

  특성곡선이 1, 3사분면에 위치할때, 위 식의 p > 0이고 전류원이 전원공급 상태임을 나타내며, 특성곡선이 2, 4사분면에 위치하면 위 식의 p < 0이고 전류원이 전원충전 상태임을 나타낸다

  전압원과 전류원이 소자 모형으로서 작용할때 외부에 무한이 전기에너지를 공급해줄수 있으며 유원소자에 속한다. 실제 상황에서는 전원 내부에는 반드시 전기에너지이 아닌 형식의 에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 매커니즘이 존재한다. 예를들어 화학전지는 화학에너지를 전기에너지로 전환하여 외부에 전기를 공급해준다. 어느 화학전지는 전기에너지를 화학에너지러 전환 즉, 충전을 할 수 있다. 이때 전류는 전지의 고전위단에서 저전위단으로 흐르게된다. 충전상태의 전지는 전기에너지를 받아들이는 부하라고 볼 수 있다.

  회로중의 각 전압, 전류의 인과간계를 보자면 전압원이 제공하는 모든 전압과 전류원이 제공하는 모든 전류는 각 전압, 전류를 유지하는 원인으로서 존재하고 이를, 자극(excitation)이라 하고, 자극에 의해 야기되는 전압과 전류를[자극에 대한] 응답(response)이라고 한다. 전압원의 전압과 전류원의 전류가 회로 내의 다른 전압 및 전류와 무관하기에 이를 독립전원(independent source) 라고 부른다.