교류(Alternating current)란 무엇일까

교류와 직류는 19세기 동시대의 발견 되어 전기를 사용하는 데 있어 어느 쪽으로 상용화할 지 치열한 경쟁이 있었다.

직류 상용화는 토마스 에디슨. 교류 상용화는 니콜라 테슬라가 필두로 전류 전쟁 벌어짐.(토마스 에디슨은 교류의 위험성을 알리기 위해, 사형수에게 교류로 전기 사형 시도) 

 

일단, 전기란 무엇일까? 전기란, 전자의 흐름이다

ex) 평소 철로된 젓가락에 있는 전자들은 중위상태다. 하지만 온도변화나 자석을 갓다대거나 하는 등 전자들의 움직임을 유발시키게 되면 전기가 발생하는 것.(전기가 멈춰있으면 정전기, 움직이면 동전기 즉,전류)

 

- 정전기는, 물체 표면에 전자가 과다하거나 부족한 상태로 중위되어 있다. 전하의 불균형 상태는 실제로 매우 활발한 상태로 다른 물체와 접촉하면 즉시 전하가 이동하여 발생!

 

 

 

교류

 : 시간에 따라 크기와 방향이 주기적으로 바뀌는 전류이다. 따라서, 주파수로 이를 나타내는 표시가 필요. 우리나라,미국의 경우 60Hz, 일본은 동부 50Hz, 서부는 60Hz.

 : 마이클 페러데이가 교류현상 처음 발견, 니콜라 테슬라가 실용적인 목적으로 발전시키는 데 공헌.

 

ex) 형광등, TV가 계속해서 꾸준하게 전기가 들어오는 것이 아님. 양쪽 극성 각 60hz 즉, 총 120hz 가 전류의 흐름이 바뀌면서 1초에 120번 전기가 끊길 것임. 그래서 주파수가 다른 휴대폰 카메라로 찍어보면 빛이 보이지 않는 줄무늬 형태로 보임)

 

교류의 장점

: 변압기를 통해 쉽게 전압을 바꿀 수 있다.(엄청난 장점임, 일반적인 AC-DC 컨버터의 효율은 90%가 나옴)

(1) 고효율 송전에 사용

송전과 같이 먼 거리를 전선을 통해 전기를 보내는 경우, 전선의 미세한 저항에 의해 전기 저항이 커짐. 저항이 커지면 줄의 법칙에 의해 전력손실과 전압강하가 발생함. 따라서 전류를 줄여 손실을 방지함. 이런 이득을 위해서 수십만 볼트의 고전압으로 송전하는 것인데, 교류를 통해 이런 승압 강압이 쉽고 신뢰성있게 가능함.(중간 변전소에서 전압 낮추고, 최종 전봇대의 변압기에서 220V 변환)

(2) 내가 사는 집에 수전에 사용

전신주의 송전온 전압이 바로 전자 제품에 들어가면 내부회로가 버티지 못 한다. 따라서 내 부상황에 맞게 변압하는 작업에 사용된다.(직류로 220V 들어오면 변압하기 굉장히 비효율)

(3) 전동기(모터류) 부하에 유용하게 사용 가능(세탁기, 런닝머신, 선풍기, 전자렌지 등 주요 가전제품)

직류 전동기의 경우 브러쉬(직류 전동기 내에서 180도 회전할 때 마다 회전자에 공급 되는 전류의 방향이 일정하도록 하는 전환 장치) 가 별도로 필요하고 손상에 취약해 정기적인 점검 필요하기 떄문에 비효율

 

교류의 단점

: 도선 주위에 전자기장으로 인한 유도 장해 등 단점 꽤 많음

: 최근, 직류 송전 기술 발전이 되었지만 이미 구축된 교류 기반 인프라를 교체하기에는 무리가 있어, 유지 중

 

컨버터(AC- DC) 의 동작 원리

1. 우선 정류를 하기 좋은 정도로 전압과 전류를 낮춘다.
2. 전압을 낮춘 교류에서 한쪽으로만 전류가 흐르도록 흐름을 통제한다. 보통 양극(플러스) 쪽으로만 흐르도록 한다. 이를 정류라고 한다.
   • 정류의 원리는 간단하다. 교류는 양극(플러스)으로 흐르는 전류와, 음극(마이너스)으로 흐르는 전류가 서로 번갈아가면서 진동하듯이 왔다갔다 흐르는 것을 말하는데, 회로를 이용해서 전류가 음극으로 흐를 때는 차단하고, 양극으로 흐를 때만 흘려 보내는 것이다. 그러면 결과론적으로는 양극으로만 흐르는 전류만 나온다. 하지만 음극으로 차단될 때는 그 시간 동안 전류가 끊긴다는 문제가 있다. 즉 양극으로 흐르는 전류가 뚝뚝 끊어지며 나온다. 이 끊어지는 부분을 줄이기 위해 사용되는 것이 다이오드 4개를 이용한 브릿지 다이오드이다. 이를 사용하면 교류의 순간전압이 0V에 가까운 구간에서만 끊어진다. 또한 이마저도 3상 브릿지 정류기일 경우 끊기는 부분이 아예 없다.
3. 그래서 이렇게 뚝뚝 끊기는 양극의 변화 폭을 줄인다. 이를 '평활화'라고 한다.
4. 최종적으로 가전 제품에 알맞는 전압과 전류로 다시 전력을 조정한다.

 

직류

 : 전류의 방향이 한 방향.

 대표적인 직류 전원은 USB 5v이다.(따라서 극성을 잘못 연결하면 사용불가. 플러그의  방향이 회로에 맞게 장착. 교류 플러그는 맘대로 꽂음)

장점 

: 극성이 일정, 전력의 변화가 없어 전자 회로 설계가 간단해지고, 전기 자체의 안정성과 효율성이 좋음. 특히나, 저전압 저전류에서 교류보다 월등히 효율이 좋다.

 

 

단점 

 : 변압이 엄청 힘들다. 승강압이 힘들게 되면 송전 거리도 짧아지고, 손실도 너무 크다. --> 이것이 전류 전쟁에서 교류가 이기게 된 치명적인 단점..

 

출처 : https://www.youtube.com/watch?v=6VgY0fXCbcA

 

압력 : 전압 / 물 : 전자  / 물의 흐름 : 전류