직류
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직류(直流, direct current, 약자 DC) 또는 연속 전류(連續電流)는 전하의 단방향 흐름이다. 화학 전지는 직류 전원의 대표적인 예이다. 직류는 전선과 같은 전도체를 통해 흐를 수 있지만, 반도체, 절연체 또는 전자나 이온 빔에서와 같이 진공을 통해서도 흐를 수 있다. 전류가 일정한 방향으로 흐른다는 점이 교류(AC)와 구별되는 특징이다. 과거에 이 유형의 전류를 부르던 용어는 갈바니 전류(galvanic current)였다.[1]
약어인 AC와 DC는 전류 또는 전압을 수식할 때 단순히 교류와 직류를 의미하기 위해 자주 사용된다.[2][3]
직류는 정류기를 사용하여 교류 전원으로부터 변환될 수 있다. 정류기에는 전류가 한 방향으로만 흐르도록 하는 (보통) 전자 소자나 (역사적으로) 전기 기계적 요소가 포함되어 있다. 직류는 인버터(인버터)를 통해 교류로 변환될 수 있다.
직류는 배터리 충전부터 전자 시스템, 전동기 등을 위한 대형 전원 공급 장치에 이르기까지 용도가 다양하다. 직류를 통해 공급되는 매우 많은 양의 전기는 알루미늄 제련 및 기타 전기화학 공정에 사용된다. 또한 일부 철도, 특히 도시 지역에서 사용된다. 초고압직류송전은 멀리 떨어진 발전소에서 대량의 전력을 전송하거나 교류 전력망을 서로 연결하는 데 사용된다.
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역사
[편집]
직류는 1800년 이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타의 배터리인 볼타 전지에 의해 만들어졌다.[5] 당시에는 전류가 흐르는 성질이 아직 이해되지 않았다. 프랑스의 물리학자 앙드레마리 앙페르는 전류가 양극에서 음극으로 한 방향으로 이동한다고 추측했다.[6] 프랑스의 기구 제작자 이폴리트 픽시가 1832년에 첫 번째 다이너모 전동 발전기를 만들었을 때, 그는 사용된 자석이 전선 루프를 반 바퀴 통과할 때마다 전기의 흐름이 반전되어 교류가 발생하는 것을 발견했다.[7] 앙페르의 제안에 따라 픽시는 나중에 샤프트의 접점이 "브러시" 접점과 함께 작동하여 직류를 생성하는 일종의 "스위치"인 정류자를 추가했다.
1870년대 후반과 1880년대 초반에 발전소에서 전기가 생산되기 시작했다. 이들은 처음에 매우 높은 전압(보통 3,000볼트 이상)의 직류 또는 교류로 작동하는 호광등(당시 인기 있는 가로등 유형)에 전력을 공급하기 위해 설치되었다.[8] 그 후 1882년 발명가 토머스 에디슨이 백열전구 기반의 전기 "공익사업"을 시작하면서 기업과 가정의 실내 전기 조명에 저전압 직류가 널리 사용되었다. 전압을 높이고 낮추어 훨씬 더 긴 송전 거리를 가능하게 하는 변압기 사용에 있어 교류가 직류보다 상당한 이점을 가졌기 때문에, 직류는 이후 수십 년 동안 전력 공급에서 교류로 대체되었다. 1950년대 중반에 초고압직류송전 기술이 개발되었으며, 현재는 장거리 고압 교류 시스템 대신 선택할 수 있는 대안이 되었다. 국가 간(예: 노네드) 장거리 해저 케이블의 경우, 이 직류 옵션이 기술적으로 실현 가능한 유일한 옵션이다. 제3궤조 전력 시스템과 같이 직류가 필요한 응용 분야의 경우, 교류가 변전소로 배전된 후 정류기를 사용하여 전력을 직류로 변환한다.
다양한 정의
[편집]
DC라는 용어는 전압 또는 전류의 한 가지 전기 극성만을 사용하는 전력 시스템을 지칭하거나, 전압 또는 전류의 일정하고 주파수가 0이거나 천천히 변하는 국부 평균값을 지칭하는 데 사용된다.[9] 예를 들어, 직류 전압원에 걸리는 전압은 일정하며 직류 전류원을 흐르는 전류도 일정하다. 전기 회로의 직류 해법은 모든 전압과 전류가 일정한 상태의 해이다. 임의의 정상 전압 또는 전류 파형은 직류 성분과 평균값이 0인 시간에 따라 변하는 교류 성분의 합으로 분해될 수 있다. 여기서 직류 성분은 전체 시간에 걸친 전압 또는 전류의 기댓값 또는 평균값으로 정의된다.
DC는 "직류"를 의미하지만, 종종 "일정한 극성"을 의미하기도 한다. 이 정의에 따르면 정류기의 가공되지 않은 출력이나 전화선의 변동하는 음성 신호에서 볼 수 있듯이 직류 전압은 시간에 따라 변할 수 있다.
( 전압 조정기에 의해 생성되는 것과 같은) 일부 형태의 직류는 전압 변화가 거의 없지만, 출력 전력과 전류에는 여전히 변화가 있을 수 있다.
회로
[편집]직류 회로는 일정한 전압원, 일정한 전류원 및 저항기의 조합으로 구성된 전기 회로이다. 이 경우 회로의 전압과 전류는 시간과 독립적이다. 특정 회로 전압 또는 전류는 회로 전압 또는 전류의 과거 값에 의존하지 않는다. 이는 직류 회로를 나타내는 방정식 시스템에 시간에 대한 적분이나 미분이 포함되지 않음을 의미한다.
직류 회로에 축전기나 유도자가 추가되면, 엄밀히 말해 결과 회로는 직류 회로가 아니다. 그러나 대부분의 이러한 회로에는 직류 해법이 존재한다. 이 해법은 회로가 직류 정상 상태에 있을 때의 회로 전압과 전류를 제공한다. 이러한 회로는 미분 방정식 시스템으로 표현된다. 이 방정식의 해에는 일반적으로 일정한 또는 정상 상태 부분뿐만 아니라 시간에 따라 변하는 또는 과도 상태 부분이 포함된다. 직류 해법이 되는 것은 바로 이 정상 상태 부분이다. 직류 해법이 없는 회로도 일부 존재한다. 두 가지 간단한 예로 축전기에 연결된 정전류원과 유도자에 연결된 정전압원이 있다.
전자공학에서는 배터리나 직류 전원 공급 장치의 출력과 같은 직류 전압원에 의해 전력이 공급되는 회로를, 실제로는 회로에 직류 전원이 공급된다는 의미임에도 불구하고 직류 회로라고 부르는 것이 일반적이다.
직류 회로에서 전원(예: 배터리, 축전기 등)은 양극과 음극 단자를 가지며, 마찬가지로 부하도 양극과 음극 단자를 가진다. 회로를 완성하려면 양전하가 전원에서 부하로 흘러야 한다. 그런 다음 전하는 부하의 음극 단자로 돌아가고, 다시 배터리의 음극 단자로 흘러들어가 회로를 완성한다. 양극 또는 음극 단자 중 하나라도 연결이 끊어지면 회로가 완성되지 않고 전하가 흐르지 않는다.
일부 직류 회로 응용 분야에서는 극성이 중요하지 않다. 즉, 양극과 음극을 반대로 연결해도 회로가 완성되고 부하가 정상적으로 작동할 수 있다. 그러나 대부분의 직류 응용 분야에서는 극성이 중요하며, 회로를 반대로 연결하면 부하가 제대로 작동하지 않게 된다.
응용 분야
[편집]가정 및 상업용 건물
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직류는 많은 초저전압 응용 분야와 일부 저전압 응용 분야, 특히 배터리나 태양 에너지 발전 시스템(둘 다 직류만 생성할 수 있으므로)으로 전력을 공급받는 곳에서 흔히 볼 수 있다.
대부분의 전자 회로 또는 장치는 직류 전원 공급 장치를 필요로 한다.
가정용 직류 설비는 대개 교류에 적합한 것과는 다른 유형의 소켓, 커넥터, 개폐기 및 조명기구를 사용한다. 이는 주로 사용되는 전압이 낮기 때문에 동일한 양의 전력을 생산하기 위해 더 높은 전류가 필요하기 때문이다.
직류 가전제품은 장치에 이를 보정하기 위한 다이오드 브리지가 있지 않는 한 극성을 준수하는 것이 대개 중요하다.
자동차
[편집]대부분의 자동차 응용 분야는 직류를 사용한다. 자동차 배터리는 엔진 시동, 조명, 점화 시스템, 공조 제어, 인포테인먼트 시스템 등에 전력을 제공한다. 교류 발전기는 정류기를 사용하여 배터리 충전을 위한 직류를 생산하는 교류 장치이다. 대부분의 고속도로 승용차는 공칭 12 V 시스템을 사용한다. 디젤 엔진을 장착한 많은 대형 트럭, 농기계 또는 토목 장비는 24볼트 시스템을 사용한다. 클래식 폭스바겐 비틀과 같은 일부 구형 차량에서는 6 V가 사용되었다. 한때 자동차용으로 42 V 전기 시스템이 고려되기도 했으나 거의 사용되지 않았다. 무게와 전선을 절약하기 위해 차량의 금속 프레임을 배터리의 한 극에 연결하고 회로의 귀환 전도체로 사용하는 경우가 많다. 흔히 음극을 차체 "접지"로 연결하지만, 일부 바퀴 달린 차량이나 선박에서는 양극 접지가 사용될 수도 있다. 배터리식 전기자동차에는 보통 두 개의 별도 직류 시스템이 있다. "저전압" 직류 시스템은 일반적으로 12V에서 작동하며 내연기관 차량과 동일한 용도로 사용된다.[11] "고전압" 시스템은 (차량에 따라) 300~400V에서 작동하며 견인 전동기에 전력을 공급한다.[12] 견인 전동기의 전압을 높이면 흐르는 전류가 줄어들어 효율이 높아진다.
통신
[편집]전화 교환기 통신 장비는 표준 −48 V 직류 전원 공급 장치를 사용한다. 음극성은 전원 공급 시스템과 배터리 뱅크의 양극 단자를 접지함으로써 얻어진다. 이는 전기 분해 침전물을 방지하기 위해 수행된다. 전화 설비에는 정전 시에도 가입자 회선에 전력이 유지되도록 배터리 시스템이 갖춰져 있다.
다른 장치들은 DC-DC 컨버터를 사용하여 적절한 전압을 제공함으로써 통신용 직류 시스템으로부터 전력을 공급받을 수 있다.
많은 전화기는 연선에 연결되며, 바이어스 티(bias tee)를 사용하여 내부적으로 두 전선 사이 전압의 교류 성분(음성 신호)과 두 전선 사이 전압의 직류 성분(전화기에 전력을 공급하는 데 사용됨)을 분리한다.
고압 송전
[편집]초고압직류송전(HVDC) 시스템은 일반적인 교류 시스템과 대조적으로 전력의 대량 송전을 위해 직류를 사용한다. 장거리 송전의 경우 HVDC 시스템이 더 저렴하고 전기적 손실이 적을 수 있다.
기타
[편집]연료 전지(촉매와 함께 수소와 산소를 혼합하여 전기와 물을 부산물로 생성)를 사용하는 응용 분야 또한 직류만을 생산한다.
경비행기의 전기 시스템은 대개 자동차와 유사하게 12 V 또는 24 V 직류이다.
각주
[편집]- ↑ Andrew J. Robinson, Lynn Snyder-Mackler (2007). 《Clinical Electrophysiology: Electrotherapy and Electrophysiologic Testing》 3판. Lippincott Williams & Wilkins. 10쪽. ISBN 978-0-7817-4484-3.
- ↑ N. N. Bhargava and D. C. Kulshrishtha (1984). 《Basic Electronics & Linear Circuits》. Tata McGraw-Hill Education. 90쪽. ISBN 978-0-07-451965-3.
- ↑ National Electric Light Association (1915). 《Electrical meterman's handbook》. Trow Press. 81쪽.
- ↑ Mel Gorman. 《Charles F. Brush and the First Public Electric Street Lighting System in America》. 《Ohio History》 70 (Kent State University Press). 142쪽.
- ↑ “Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta – grants.hhp.coe.uh.edu”. 2017년 8월 28일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2017년 5월 29일에 확인함.
- ↑ Breithaupt, Jim (2010). 《Physics》. Palgrave Macmillan. 175쪽. ISBN 978-0-230-23192-4.
- ↑ “Pixii Machine invented by Hippolyte Pixii, National High Magnetic Field Laboratory”. 2008년 9월 7일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2008년 6월 12일에 확인함.
- ↑ “The First Form of Electric Light History of the Carbon Arc Lamp (1800–1980s)”.
- ↑ Roger S. Amos, Geoffrey William Arnold Dummer (1999). 《Newnes Dictionary of Electronic》 4판. Newnes. 83쪽. ISBN 0-7506-4331-5.
- ↑ Hugh McG Ross (1999년 2월 25일). “Electro-Technical Symbols Mapping Between IEC 617/P1289 and ISO 10646” (PDF). ISO/IEC JTC 1/SC 2/WG 2. N2032. 2025년 12월 11일에 확인함.
— 3/14 DIRECT-CURRENT SYMBOL FORM ONE = 2014 EM DASH
- ↑ Pradhan, S. K.; Chakraborty, B. (2022년 7월 1일). 《Battery management strategies: An essential review for battery state of health monitoring techniques》. 《Journal of Energy Storage》 51. Bibcode:2022JEnSt..5104427P. doi:10.1016/j.est.2022.104427. ISSN 2352-152X.
- ↑ Arcus, Christopher (2018년 7월 8일). “Tesla Model 3 & Chevy Bolt Battery Packs Examined”. 《CleanTechnica》. 2022년 6월 6일에 확인함.
외부 링크
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