열린회로

열린회로는 시작점과 끝점이 연결되어 있지 않아 열려 있는 전기회로를 뜻한다. 개방회로, 개회로라고도 불린다.

전기회로는 전류가 흐르는 통로로서, 여러 개의 회로소자 또는 회로요소(circuit element)를 서로 접속하여 구성한다.

그림 1. 실제 회로 기판들 ()

그림 1은 실제 회로요소들로 이루어진 회로 실물 모습을 보여준다.

전류는 전기의 흐름이며, 전기가 흐르도록 만든 길이 전기회로라고 할 수 있다. 전기회로는 일반적으로 전류의 흐름을 제어하는 회로요소를 우선 배치하고, 이 회로요소들을 도선들로 연결함으로써 이루어진다. 전기회로를 구성하는 이유는 회로에 전기에너지를 가해 주고 원하는 형태의 에너지로 다양하게 변환시키거나, 전기적인 신호를 원하는 대로 처리하기 위함이다. 회로를 구성하는 기본 요소로는 가해 주는 전기에너지에 해당하는 전원(power), 전기에너지를 받아 원하는 기능을 수행하는 부하(load), 이 둘을 연결해 주는 전선(conducting wire) 등이 있다. 회로는 일상생활에서 사용되는 수많은 전자 및 전기 제품에서 널리 사용되고 있으며, 그만큼 그 종류 또한 다양하다. 일반적으로 널리 사용되는 분류에 대해 몇 가지 예를 들자면 다음과 같다.

이 때 첫 번째 분류에서 열린회로와 닫힌회로를 볼 수 있는데, 전원의 한쪽 끝인 시작점에서 반대편 끝인 끝점까지 전선을 따라가면서 한 부분이라도 연결되어 있지 않은 경우가 열린회로이다. 열린회로에는 전류가 흐르지 않으며, 저항이 무한대라고 생각할 수도 있다. 가정집에서 스위치를 이용해 실내등을 켜고 끄는 경우, 등이 꺼져 있는 상태를 열린회로, 등이 켜져 있는 상태를 닫힌회로라고 할 수 있다. 즉, 일반적인 회로에서는 스위치를 이용해서 열린회로를 구성할 수 있다. 그림 2는 스위치를 이용한 간단한 열린회로와 닫힌회로의 예를 보여준다. 회로에서 왼쪽에는 전원이, 위쪽에는 저항이 두 개 직렬연결되어 있으며, 아래쪽에 스위치가 연결되어 있다. 스위치가 열림과 닫힘에 따라 이 회로는 열린회로와 딛힌회로가 되며, 닫힌 회로일 때만 전류가 흘러서 저항에서 전압강하가 일어난다.

그림 2. (왼쪽)열린회로, (오른쪽)닫힌회로 (출처:한국물리학회)

닫힌회로를 이루는 회로요소 중 하나라도 고장이 나서 그 회로요소의 저항이 무한대가 된 상태를 회로가 개방되었다고 하며, 이는 열린회로이다. 그 반대의 상황으로 회로요소 중 어떤 것이 고장나서 저항이 0이 되어버리면 그 부분의 회로는 단락(short)되었다고 한다. 단락된 회로는 닫힌회로이긴 하나 정상적으로 작동하지 않으며, 단락된 부분에 전류가 과하게 흘러 과열되면 화재의 원인이 될 수 있다. 이를 방지하기 위해서 일반적으로 회로에는 누전차단기가 연결되어 있어서, 회로가 단락되어 정상상태보다 과하게 전류가 흐르는 경우 누전차단기가 자동으로 작동하여 회로에 가해지는 전원을 차단한다.

열린회로에서 한 가지 중요한 개념으로 열린회로전압(open circuit voltage)이라는 것이 있다. 열린회로전압은 전원이 어떠한 회로요소에도 연결되지 않았을 때, 즉 전원 자체로만 열린회로를 구성하고 있을 때 전원이 가지는 전압이다. 이러한 상태를 전원에 부하가 걸리지 않은 상태라고도 한다. 열린회로전압은 주어진 전원이 낼 수 있는 전압의 최댓값이다. 전원에 부하가 걸리는 경우 열린회로전압의 대부분은 부하에 걸리지만, 전원 자체의 내부저항에도 일부 걸리기 때문이다. 1.5 V 건전지를 예로 설명해 보자. 이 건전지의 열린회로전압은 1.5 V이며, 멀티미터 전압측정모드에서 멀티미터의 두 탐침(probe)을 건전지의 양 끝에 갖다 대면 측정할 수 있는 값이다. 이제 이 건전지에 저항을 연결할 경우, 저항에서 일어나는 전압강하는 건전지 내부저항 값과 외부에 연결된 저항 값의 비율에서 결정되며, 그 값은 항상 1.5 V보다 작게 된다. 건전지가 새 것일 경우 외부 저항에 걸리는 전압은 1.5 V에 가깝지만, 건전지를 쓸수록 내부저항이 증가하여 외부저항에 걸리는 전압이 점점 작아지게 된다. 다 쓴 건전지라고 하는 것은 내부저항이 너무 높아져 외부에 걸리는 전압이 매우 낮아진 상태의 건전지를 뜻한다. 하지만 이 경우에도 건전지 자체의 양 끝 전압을 멀티미터 탐침으로 측정해 보면 여전히 1.5 V가 측정된다. 즉, 내부저항의 크기와 상관없이 열린회로전압은 1.5 V로 유지된다. 전원의 열린회로전압은 기전력(electromotive force)이라고도 불린다.