전압은 이름표가 아니라 두 지점의 차이

두 지점이 있어야 전압이 정의됩니다

전압은 두 지점 사이의 전위차입니다. ‘노드 A는 3 V이다’라는 말은 명시한 기준에 비해 3 V라는 뜻이며, 보통 접지라고 이름 붙인 노드를 기준으로 삼습니다. 접지는 회로의 전위를 정리하기 위한 기준입니다. 이름이 접지라고 해서 반드시 대지에 연결되어 있다는 뜻은 아닙니다. 배터리로 동작하는 회로는 실내의 대지 전위를 기준으로 보면 전체 기준 전위가 떠 있을 수 있습니다.

$V_{AB}=V_A-V_B$로 정의합시다. A가 3.3 V이고 B가 1.2 V이면 A에서 B를 기준으로 읽는 전압은 2.1 V입니다. 계측기의 두 리드를 바꾸면 −2.1 V가 나옵니다. 음수는 불가능한 전기 상태가 아니라 측정 방향을 나타냅니다. 계산하기 전에 노드 이름과 극성을 정하고, 모든 식에 같은 정의를 적용해야 합니다. 서로 다른 접지 기준으로 얻은 수치는 기준 사이의 전위차를 확인하기 전에는 바로 빼면 안 됩니다.

첫 번째 저항 계산

이상적인 저항에는 옴의 법칙 $V=IR$이 성립합니다. 2.2 kΩ 저항에 1.5 mA가 흐르면 양단 전압은 3.3 V입니다. 기본 단위로 쓰면 $2200\times0.0015=3.3$입니다. 이 계산에서 kilo와 milli가 상쇄되는 이유는 각각의 지수가 서로 반대이기 때문입니다. 저항이 220 Ω이면 같은 전류에서 전압은 0.33 V가 됩니다. 예상과 다른 결과가 나왔을 때는 Ω와 A로 환산한 계산을 한 줄 적어 단위 오류를 먼저 확인하세요.

A (3.3 V) --- R = 2.2 kohm --- B (0 V)
                  I = 1.5 mA -->

그림은 A에서 B로 흐르는 전류를 양의 방향으로, 저항의 A쪽 전압을 양의 극성으로 정합니다. 수동 부호 규약에 따라 전류가 양의 전압 단자로 들어가므로 $V_{AB}=IR$을 그대로 쓸 수 있습니다. 전류 화살표만 반대로 정한다면 식에 필요한 부호도 바뀝니다. 화살표는 계산을 시작할 때 정하는 기준이지, 계산 전에 실제 흐름을 반드시 맞혀야 한다는 요구는 아닙니다.

이 그림은 두 단자 사이의 관계를 설명할 뿐, 실제 전원이 원하는 전류를 항상 공급한다는 보장은 아닙니다. 전원 전류 제한, 저항 허용 오차, 배선 저항 때문에 결과가 달라질 수 있습니다. 계산값은 이러한 효과를 제외한 공칭 모델의 예측임을 구분해 기록하세요.

연결 전에 확인하기

전압계는 회로를 연결한 상태에서 측정하려는 두 노드에 병렬로 연결합니다. 계측기의 입력 저항은 유한하므로 회로에 새로운 가지를 추가합니다. 이로 인한 부하 효과는 뒤에서 계산합니다. 이 강좌에서는 3.3 V 또는 5 V 전원을 사용하는 저전압 예제를 다룹니다. 측정 전에 전원 값, 기준 노드, 저항 값, 예상 전압을 기록하면 배선 문제와 산술 문제를 구별하기 쉽습니다.

측정 기록에는 빨간 리드가 연결된 노드와 검은 리드가 연결된 노드도 함께 적으세요. 같은 두 노드를 측정해도 리드 순서가 바뀌면 부호가 바뀝니다. 계산한 크기는 맞는데 계측값이 음수라면 전원 고장을 단정하기 전에 이 순서를 확인합니다. 전압은 ‘어느 노드인가’와 ‘무엇을 기준으로 하는가’를 함께 적을 때 비로소 완전한 정보가 됩니다.