회로에서 부하란 무엇인가?

이번 글에서는 부하(Load)에 대해 알아보겠습니다.

1) 부하란 무엇입니까?

앞에 글에서 DC Source를 DC-DC 변환을 통해 우리가 사용할 수 있는 12V, 9V, 5V와 같은 낮은 전압으로 강압하는 것을 설명했습니다. 이때 강압했는 전압은 우리가 원하는 곳에 공급할 수 있습니다. 휴대폰을 충전하기 위해 5V가 필요하다고 가정하겠습니다. 그렇다면 휴대폰 충전기를 벽전원(Outlet)에 연결합니다. 그럼 이 충전기는 220 Vrms를 5V로 변환하여 휴대폰에 공급합니다. 이때 휴대폰이 부하입니다.

DC Source를 바로 사용하지 않아도 괜찮습니다. 벽전원의 220 Vrms를 바로 사용해도 됩니다. 예를 들어, 우리 집 벽전원에 TV도 연결되어 있고, 노트북도 연결되어 있고, 냉장고도 연결되어 있습니다. 이때 TV, 노트북, 냉장고 모두 부하라고 할 수 있습니다.(물론 제품 내부에 전력변환 회로가 있습니다.)

즉 전력을 소비하는 것을 부하라고 합니다. 앞서 언급한 휴대폰, TV, 노트북, 냉장고 모두 전력을 소비하고 있습니다. 전원(Source)이 에너지를 공급하는 역할을 하고, 부하는 에너지를 소비하는 역할을 합니다. 전원과 부하는 반대되는 개념이라 생각할 수 있습니다.

혹시 회로를 공부할 때, 부하를 왜 저항으로 나타내는지 궁금하지 않았나요? 앞서 전력을 소비하는 것을 부하라고 얘기했습니다. 저항은 전력을 소비합니다. 따라서 부하를 저항으로 나타낼 수 있습니다.

 

2) 그럼 실제 부하는 저항으로만 되어 있습니까?

이론에서 부하를 저항으로만 나타내는 것을 보고 이런 질문을 할 수도 있습니다. 하지만 부하는 저항으로만 구성되지 않습니다. 그렇게 나타낼 뿐입니다. 물론 완벽하게 저항으로 구성되어 있는 것도 있습니다. 전구와 같은 것이 예시입니다. 하지만 거의 모든 부하는 저항으로만 구성되어 있지 않습니다. 여러분의 휴대폰은 휴대폰 충전기 입장에서는 부하입니다. 그렇다면 휴대폰은 저항으로만 구성되어 있나요? 절대 그렇지 않습니다. 그렇게 나타낼 뿐입니다.

회로를 배우면 저항, 커패시터, 인덕터를 배웁니다. 이 글을 읽으시는 분들도 공부를 하셨을 것입니다. 이때 저항은 에너지를 소비하지만, 커패시터와 인덕터는 에너지를 소비하지 않는다고 배웁니다. 하지만 이것은 이상적인 조건에서만 성립하는 얘기입니다. 실제 커패시터와 인덕터는 내부에 기생 저항 ESR, ESL이 존재합니다. 따라서 실제 커패시터와 인덕터는 에너지를 소비하고 전력 손실이 발생합니다. 따라서 실제 부하는 저항, 커패시터, 인덕터 성분의 여러 조합으로 구성되어 있습니다. 회로를 해석하기 위해 저항으로만 나타낼 뿐인 것을 잊어서는 안 됩니다. 저도 앞으로 부하는 저항으로만 해석하겠습니다.

3) 부하가 크다, 부하가 작다

부하는 항상 일정하지 않습니다. 상황에 따라 부하는 계속 변동합니다. 휴대폰에 발생하는 열을 생각해보겠습니다. 휴대폰으로 문자를 보낼 때는 괜찮습니다. 하지만 오랫동안 통화를 하거나, 게임을 했을 때 휴대폰이 매우 뜨거워지는 것을 경험한 적이 있을 것입니다. 즉 동일한 부하(휴대폰)이더라도 상황에 따라 부하(전력 손실)가 변동합니다. 따라서 이런 부하의 상태를 나타낼 수 있는 용어가 필요합니다.

부하가 크다(Heavy Load), 부하가 작다(Light Load)라는 말을 들어보셨습니까? 이 말 뜻까지 이해하면 부하를 완벽히 공부한 것입니다. 부하의 전력 손실이 클 경우 부하가 크다라고 얘기합니다. 반대로 부하의 전력 손실이 작을경우 부하가 작다라고 얘기합니다. 부하를 저항으로 생각했을 때 부하 저항 값이 작으면 부하가 큽니다. 반대로 부하 저항 값이 작으면 부하가 작습니다.

DC-DC 변환을 공부할 때도 부하는 굉장히 중요합니다. 왜냐하면 컨버터 회로에는 부하에 따라 CCM(Continuous Conduction Mode), DCM(Discontinuous Conduction Mode)로 나뉘게 됩니다. 부하에 따라 인덕터에 흐르는 전류가 연속일 수도 있고 불연속적일 수도 있습니다. 부하가 클 경우(부하 저항 값이 작을 경우) CCM입니다. 부하가 작을 경우(부하 저항 값이 클 경우) DCM입니다. 이후에 DC-DC 변환 회로를 공부할 때 CCM, DCM을 공부할 것입니다. 지금은 부하 상태에 따라 CCM과 DCM으로 나눌 수 있다 정도로만 이해하면 됩니다.