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| 직류 전원의 회로 기호도 |
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1. 개요
직류(Direct current)란 전류가 흐르는 모습 중 하나로, 줄여서 DC라고 부른다.[1]
2. 상세
인류가 전기에 대해 연구하면서 처음으로 접하게 된 전류이다. 화학적인 원리로 전지 등을 통해 자연스럽게 접하고 생산되기가 쉬웠기 때문이다. 우리가 알고 있는 모든 전지와 생물 전기는 화학적 원리를 기반으로 하는 직류이다. 당연히 전기 시대 초기에는 대부분 직류를 통해 전기의 생산과 소비, 연구가 이루어졌다.허나 교류 전기의 개념이 등장하고, 교류와 직류는 동시대인 19세기에 발견되었으며, 인류가 본격적으로 전기를 사용하기 시작하면서 어느 쪽을 본격적으로 상용화할 지 서로 치열한 경쟁이 일어났다. 직류상용화는 토머스 에디슨이, 교류상용화는 니콜라 테슬라가 필두가 되었던 전류 상용화를 위한 이른바 전류 전쟁이 벌어진 끝에 결국 전기 상용화는 교류의 승리로 막을 내렸다.
그렇다고 해서 직류를 완전히 포기하거나 마냥 손을 놓은 것은 아니라서 전기 송전이 교류로 정착한 이후에도 직류 기술은 나날이 발전해왔다. 각종 전력 소자와 전기를 다루는 기술의 눈부신 발달로, 직류도 초소형 변압 회로가 흔히 쓰일 수 있게 되었고, 필요하다면 수십만 볼트 이상도 만들어 낼 수 있게 되었다. 일단 현대에서도 일반적인 지역간 송전에는 교류가 주로 쓰이지만, 지상 600 km 혹은 해저/지하 50 km 이상 송전시에는 무효전력이 없는 직류 쪽의 전류량 손실이 적기 때문에, 초고압 직류 송전 HVDC[2]에 대해 많은 연구와 활용이 이뤄지고 있다. 차세대 송전법으로 기존 초고압 교류전기 송전 대비 이점이 있으며, 고부가가치 사업으로 분류된다. 특히 국토가 넓은 중국, 인도, 브라질, 오스트레일리아 등에서 사용하고 있으며, 한국에서도 한반도-제주도 간 송전의 경우 교류가 아닌 직류를 송전하고 있다.# 유럽연합에서도 교류 송전을 직류 송전 그리드로 바꾸는 것을 추진하고 있다. 2023년 HD현대에서는 1 MW급 건물용 직류배전설비가 실상용화되었다. # 미래에 상용화가 기대되는 초전도 케이블 송전방식에서도 교류는 손실이 발생하기에 초전도체를 통한 직류 송전이 연구되고 있다.
철도 분야에서는 직류가 적극적으로 사용되는데, 이동 거리가 짧은 도시철도 같은 단거리 노선에서는 직류를 주로 채택한다. 또한, 직류 철도가 교류 철도에 비해 건설 비용이 저렴하다.
2.1. 교류와의 변환
크게 교류를 직류로 바꾸는 컨버터와 직류를 교류 전기로 바꾸는 인버터가 있다. 여러가지 반도체 소자들도 정류기에 포함된다. 일반적으로는 교류를 직류를 바꾸는 컨버터 정류기, 일명 어뎁터를 많이 사용하니 그 원리의 순서를 기술하자면 다음과 같다:- 우선 정류를 하기 좋은 정도로 전압과 전류를 낮춘다.
- 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.
- 그래서 이렇게 뚝뚝 끊기는 양극의 변화 폭을 줄인다. 이를 '평활화'라고 한다.
- 최종적으로 가전 제품에 알맞는 전압과 전류로 다시 전력을 조정한다.
이런 네 단계의 과정을 거쳐 교류 전기를 직류로 사용하는 것이다. 20세기 후반에 상용화되어 대부분의 직류전원장치를 차지하고 있는 SMPS의 경우도 저주파 교류를 직류를 거쳐 고주파 교류로 만들고, 이를 변압기에 통과시킨 뒤 위와 동일한 단계를 거친다. 또한 효율화를 위해 정류기의 다이오드를 전용 IC로 제어되는 MOSFET 트랜지스터로 대체하는 동기정류 회로를 사용하는 경우도 있다.
인버터의 경우, 트랜지스터 4개를 H자 모양으로 배치한 뒤, 대각선 방향의 트랜지스터들을 번갈아가며 동시에 켜면 구형파 혹은 계단파 형태의 교류가 얻어진다. 그러나 이는 정현파(사인파)만 사용할 수 있는 민감한 전자제품에 부적합하므로 이들을 위해서는 PWM 제어를 통해 교류 평균치에 가까운 구형파를 만들고, LC필터를 통해 정현파를 만드는 방식이 사용된다. 3상이 필요할 경우 트랜지스터 6개를 사용한다.
3. 장점
직류는 전위차에 따른 극성이 늘 일정하고 시간에 따른 전력의 변화가 없기 때문에 전자 회로의 설계, 해석[3], 표현이 훨씬 쉽고 전기 자체의 안정성과 효율성이 교류 보다 훨씬 높다. 또한, 사용하는 데 있어 손실로 인한 무효전력이 생성되지 않는다. 이러한 점 덕에 특히 저전압 저전류에서의 성능은 교류보다 월등히 좋다. 예를 들면 가정집 교류 전압은 220V이지만 대표적인 직류 전원인 USB의 전압은 기본적으로 5V다.[4] 그래서 현재도 주변에서 흔히 볼 수 있는 대부분의 전자제품은 직류를 이용한다. 자체적으로 파워 서플라이가 내장되어 있거나 아니면 별도의 직류전원장치에 연결해 교류를 직류로 변환해서 사용하며, USB나 전지를 쓰는 제품은 그 자체가 직류 전원이다. 컴퓨터, TV, 오디오, 진공청소기[5]등은 물론 오늘날 사용하는 스마트폰은 가장 널리 쓰이는 대표적인 직류 가전제품 이다.또한 생성된 전기를 저장하는 것이 가능하다. 이를 이용한 제품이 배터리로, 직접 선으로 공급받아 사용하는 유선 방식이 아닌 제품 내부 배터리를 내장하는 무선 형태의 제품은 모두 직류 방식이다. 전기를 언제 어디든지 휴대 하면서 사용할 수 있게 된 것도 직류의 성질 덕분. 반면에 교류는 실시간으로 극성이 변하므로 축전지 안으로 들어간 전류만큼 밖으로 나와 저장이 불가능하다. 이 때문에 교류 전지는 제작이 불가능하다.
캠핑카나 중국 직구 전자기기(...)[6]를 사용할때 쓰는 인버터도 직류 12V/24V 제품이다. 12V/24V를 입력받아서 100-240V/50-60Hz로 변환한다.
4. 단점
허나 이렇게 많은 장점이 있는 직류 전원도 치명적인 단점이 하나 있는데, 변압이 엄청나게 힘들다. 그 때문에 생성된 전기를 다른 곳으로 보내는 송전에는 대단히 큰 하자로 작용했다. 전기가 갓 보급되기 시작했던 초기에는 교류에 대한 기초 지식이 부족하다보니 발전 및 송전 시설들이 직류를 다루도록 설계되었는데, 직류는 승강압이 어렵다보니 송전 시에 오만가지 트러블이 발생했다. 송전 가능한 거리도 너무 짧은데다 손실도 너무 크고, 어찌어찌 받아보니 전압이 일정하지도 않았던 것이다. 당시 기술의 한계로 직류의 결함을 보완할 수도 없었다. 만일 직류만으로 전기를 충분히 공급하게 하려면 중간 중간 변전소를 매우 많이 건설해야 하는데 이러면 거기에 들어가는 설비의 제조와 유지보수에 들어가는 비용이 늘어나서 전기가 비싸지게 된다. 이것은 직류가 전류 전쟁에서 패하게 된 결정적 이유로 작용했고, 이와는 반대로 승강압이 쉬워 먼 거리로 전기를 보내기가 용이한 교류가 직류를 밀어내고 완전히 정착했다. 현대 발전소들이 거주지와 멀찍이 떨어진 한적한 곳에 설치될 수 있는 이유도 교류 방식이기에 가능한 일이고, 중간에 변전소를 적게 설치 하더라도 훨씬 안정적인 전기 공급이 가능하다. 또한 직류에는 회로 차단시 아크 방전이 쉽게 발생한다는 단점 또한 있어 같은 스위치/차단기더라도 직류 내압이 교류 내압보다 수분의 1로 낮은 경우가 흔하다.사소한 단점이지만 교류와는 달리 극성을 잘못 연결하면 사용할 수 없다. 건전지를 꽂아쓰는 제품들이 (+)극과 (-)극을 제품에서 제시하는대로 정확한 방향으로 꽂아써야 하는 이유도 직류 방식을 쓰기 때문이다. 각종 직류 전원 단자들 또한 마찬가지여서 반대 극성으로 꽂을 수 없는 구조로 되어 있다.[7] 이건 사용자가 잘못 연결한 거니 바로 고쳐쓰면 되지만.
[1] 상대되는 개념인 교류는 AC(Alternating Current).[2] High Voltage Direct current ; 초고압 직류 (송전)[3] 교류 전원을 정성적으로 다루려면 복소해석학을 어느 정도 공부해야 한다.[4] 다만 USB PD는 규격 내에서 최대 48V까지 승압을 지원하긴 한다.[5] 오늘날 주류인 스틱형 제품은 전지를 충전하는 방식이다.[6] 시중에 파는 인버터들은 차량용이지만 시거잭 케이블이 동봉되어있어 슈코-시거잭 어댑터를 연결하면 가정에서도 사용이 가능하다.[7] 예외적으로는 USB-C 타입, 시거잭, 동심원형 DC잭 등의 단자가 있는데 이러한 단자도 자세히 보면 뒤집어 꽂아도 +핀과 -핀의 위치가 뒤집히지 않게 설계되어 있다.