교류에서 직류로 바꾸기 AC, DC 직류에서 교류는 다음편에

우리가 전기를 사용해야 하는 제품이 있다면 어김없이 벽에 있는 콘센트에 플러그를 꽂아야 합니다. 그런데 이 전기는 교류일까요? 직류일까요?

 

우리가 사용하는 스마트폰은 충전을 해서 사용하는 방식입니다. 보조 베터리든 어뎁터든 스마트폰이 제 기능을 할 수 있도록 전기를 공급합니다(전력을 공급한다는 말이 옳은 말입니다).

 

보조 베터리는 교류일까요 직류일까요? 지금부터 우리가 사용하는 전기는 교류인지 직류인지와 교류에서 직류로 바꾸는 방법과 직류에서 교류로 바꾸는 방법에 대해 자세히 알려드리겠습니다.

 

교류와 직류에 관한 기본적인 글은 아래 링크를 통해 먼저 확인하세요~^^

2018/04/03 - [과학/전기] - 교류와 직류 차이 AC DC

 

 

 

<콘센트 전기는 교류>

우리가 헤어드라이기나 데스크탑, 프린터 등을 사용하기 위해 제품에 있는 플러그를 콘센트에 꽂습니다. 이 콘센트에 흐르는 전류는 건물 외부에 있는 전봇대에 있는 주상변압기가 고전압을 가정에서 사용하는 220V의 전압으로 변압을 한 것을 사용합니다.

 

주상변압기 <사진 = 네이버 백과사전>

 

 

이렇게 변압기로 변압이 가능한 전류가 교류입니다. 바로 발전소에서 발전기를 통해 교류전력이 나오게 되는데 이 전력을 장거리와 중거리, 단거리에 맞게 변압을 해서 송전을 해서 각 도시에 있는 변전소를 통해 변압이 되고, 전봇대에 있는 주상변압기를 통해 220V로 변압된 것을 우리가 사용합니다. 

 

하지만 우리가 보통 집에서 사용하는 다수의 전자제품은 직류로 작동을 합니다. 그렇기에 우리가 사용하는 전자제품들에 맞게 변압을 해서 직류로 바꿉니다. 그렇다면 교류에서 직류로 어떻게 바꿀까요??

 

<교류의 여러 용어들>

교류에서 직류로 바꾸는 과정에 대해 알려드리겠습니다. 우선 우리가 사용하는 가정용 전압은 220V입니다. 우선 이 220V에 대해 먼저 알려드리겠습니다. 우리가 생각하는 교류 전압은 다음과 같은 파형을 가지고 있습니다. 

 

 

 

 

 

위 그림을 보시면 전압의 크기는 최대값과 최소값, rms값이 있습니다. 이 파형을 보면 어떻게 220V라는 말이 나왔는지 알 수가 없습니다.

지금부터 상세히 알려드리겠습니다.

우리가 교류전압 220V라고 말하는 것은 기본적으로 이 교류전압이 직류전압에 대해 얼마 정도의 역할을 할 수 있는지에 대해 말하는 것입니다. 즉 이 교류전압이 해내는 일이 직류전압 몇 V 일 때와 같냐는 것입니다. 그래서 교류전압 220V의 파형에서 rms라고 되어 있는 부분의 값이 220이고, 최대값과 최솟값은 

의 값입니다. 대략 

311V정도입니다. 

 

RMS라는 말은 Root Mean Square의 약자로 교류 파형을 제곱해서 평균낸 것에 루트를 씌운 값을 말하는 것입니다. 이렇게 하는 이유는 교류파형을 보시면 값이 +와 -로 계속 변합니다. 그렇기에 지금 상태에서 평균을 내면 값이 0이 되기 때문입니다.

 

그래서 우리가 사용하는 교류는 항상 이 RMS값을 말하는 것이고, 최대값과 최솟값은 RMS값에 루트2를 곱한 것의 양과 음의 값입니다.

 

앞선 글에서 이런 내용을 다루지 않은 이유는 단순히 교류와 직류의 차이를 알고싶어 하시는 분들을 위해 작성했고, 지금은 조금 전문적인 부분이라서 이번 글에서 알려드리는 것입니다.

 

<교류에서 직류로 바꾸기>

앞서 교류의 최대값과 최소값, RMS값에 대해 말씀 드린 이유가 교류에서 직류로 바꾸는 것을 설명하기 위해서입니다.  교류를 직류로 바꾸기 위해서는 교류전압과 직류전압의 값을 알아야 합니다. 교류전압이 rms값이 220V 라고 할 때 내가 원하는 직류전압이 5V라고 하면 변압기는 311V를 기준으로 5V로 바꿔야 합니다. 전압비가 311:5인 변압기를 사용해야 합니다. 이 변압기에 관해서는 다른 글에서 저 자세히 소개해 드리겠습니다.

 

사실 전세계 전력 시스템이 교류인 이유는 이 변압이 용이하기 때문입니다. 즉, 변압이 용이하기 때문에 가정이든 산업이든 원하는 장비에 원하는 전력을 사용할 수 있습니다.

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이렇게 전압이 바뀐 바뀌었지만 아직 교류 전압입니다. 그것도 최대값이 5V인 교류전력으로 바뀌었습니다. 이렇게 바뀐 교류 전압을 직류로 바꾸기 위해 가장 많이 사용하는 방법인 다이오드를 사용해서 교류에서 직류로 바꾸는 방법에 대해 알려드리겠습니다.

 

다이오드라는 것의 특성은 한쪽 방향으로 밖에 전류를 흘리지 않는다는 것입니다. 교류는 양방향으로 제가 오른쪽으로 전류가 흐르는 것을 정방향인 +라고 하였을 때 왼쪽으로 흐르는 것은 반대방향인 -라고 규정을 합니다. 교류라는 것이 이 정방향과 반대방향을 왔다 갔다하는 전류입니다.

 

한 도선에 대해 교류는 오른쪽과 왼쪽을 번갈아가면서 전류를 이동시킵니다. 하지만 다이오드의 특성은 한 쪽 방향으로만 가게 합니다. 다이오드가 오른쪽으로만 전류를 통과시킨다면 교류가 흐르는 도선을 잘라서 다이오드를 넣으면 파형이 다음과 같아집니다.

 

 

 

이렇게 전압파형이 바뀝니다. 위 그림을 보시면 왼쪽이 교류 파형입니다. 오른쪽은 교류가 흐르는 도선 두 개중 하나를 잘라서 거기에 다이오드를 넣은 파형이라고 생각하시면 됩니다. 바로 직류가 된 것입니다. 

 

앞선 글에서도 설명을 드렸지만 직류라는 것은 일직선인 파형을 뜻하는 것이 아니라 전류는 한 방향으로만 흐르는 것을 말하는 것이라고 말씀드렸습니다. 바로 위의 오른쪽 파형처럼 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 것이 바로 직류입니다.

 

하지만 우리가 원하는 직류파형은 일직선의 파형입니다. 위의 오른쪽 파형과 같이 과속방지턱이 두 개 연달아 있는 그림을 원하는 것이 아니라 아주 평평한 일직선의 고속도로와 같은 파형을 원하는 것입니다.

 

그래서 저 과속방지턱 두개가 아니라 왼쪽의 교류 파형을 가로로 +와 - 사이에 있는 저 기준선 같이 보이는 점을 기준으로 접은 과속방지턱이 4개인 모양으로 바꾸는 것을 우선으로 해야 합니다.

 

 

위 그림처럼 교류파형을 바꾸기 위해서는 일반적으로 다이오드 4개를 사용합니다. 

설계도를 보시면 다음과 같습니다.

 

 

 

그림을 왼쪽과 오른쪽으로 나누어 보시기 바랍니다. 그림 가운데 화살표 앞에 뭔가 일자로 되어 있는 것이 바로 다이오드입니다. 이 다이오드들이 4개가 있는데 회색이 바로 지금 전류가 흐르지 않는 다이오드이고, 검정색이 지금 전류가 흐르는 다이오드를 뜻하는 것입니다.

 

※ 그냥 교류에서 직류로 바꾸는 것을 보러 오셨다면 아래 두 빨간 글씨는 무시하고 보셔도 됩니다.

 

※ 위의 다이오드의 옆에 있는 화살표 방향이 잘 못 되었다고 생각하시는 분들은 잘 생각해 보시기 바랍니다. 위의 그림은 전자의 방향을 말하고 있는 것입니다. 일반적으로 우리가 전류가 흐른다고 말하는 방향은 정공(Hole)의 방향입니다. 그림을 찾다보니 전자의 방향에 맞게 그려진 그림을 찾았을 뿐입니다.

 

※ 일반적으로 생각하는 전류의 방향은 위의 그림에 화살표가 반대로 표시되어 있어야 합니다. 하지만 위 그림은 전자의 방향에 맞게 그려진 그림임을 감안하셔서 보셔야 합니다. 일반적으로 생각하는 전류의 방향을 가정하면 회색 다이오드가 전류가 흐르는 방향이고, 그 방향으로 화살표가 그려져 있어야 하고, 검정색 다이오드는 전류가 흐르지 않는 것으로 보는 것이 맞습니다. 

 

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위 그림의 왼쪽과 다이오드 근처(그림 가운데 검정색과 회색 화살표에 앞에 수평으로 일직선 그어놓은 것이 다이오드 입니다. 첫 그림에 나온 DIode가 그것입니다)의 화살표 방향은 위 두 그림에서 바뀝니다만 오른쪽의 화살표는 바뀌지 않습니다.

 

위 그림이 다이오드가 한쪽 방향으로만 전류를 흘리는 원리를 가지고 직류로 바꾸는 방법입니다. 위 그림 대로 하면 파형은 다음 그림의 왼쪽과 같이 과속방지턱 4개가 연달아 붙어있는 그림이 됩니다. 하지만 앞서 말씀드린대로 우리가 원하는 직류 전압파형은 일직선이어야 합니다. 그러기 위해서 한 가지가 더 필요합니다.

 

 

 

바로 커패시터라고 불리는 소자를 추가해 주어야 합니다. 이 커패시터라는 소자는 커패시터 앞과 뒤쪽의 전압을 유지시켜주는 소자라고 할 수 있습니다. 이 커패시터의 정전용량이라는 것이 클 수록 전압을 유지시켜주는 능력이 더 좋습니다만 무턱대고 더 좋은 커패시터를 사용할 필요는 없습니다.

 

과속방지턱 4개가 연달아 붙어있는 파형을 그나마 일직선으로 만들기 위해 위 그림에 있는 C1이라고 되어 있는 저 위치에 C1인 커패시터를 달면 출력단 파형이 오른쪽 빨간색으로 된 것 처럼 그나마 일직선에 가까운 모양이 됩니다. 보통의 배터리 충전기 또는 스마트폰 충전기의 출력단 파형이 보통 저렇게 됩니다. 하지만 노트북, 데스크탑의 경우파형은 저렇지는 않습니다. 

 

이번 글은 교류에서 직류로 전류를 바꾸는 가장 기본적이고도 일반적인 방법에 대해 설명을 해드리는 것이기 때문에 가장 기본이 되는 reactifier(정류기)에 대해 알려드렸습니다. 다음 글은 직류에서 교류로 바꾸는 방법에 대해 알려드리겠습니다.