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2018.03.30 AC/DC

AC/DC의 기본

AC/DC의 기본

AC (교류) 전압에서 DC (직류) 전압으로 변환하는 기본적인 방법인 트랜스 방식과 스위칭 방식에 대해 설명하겠습니다. 그리고 이 내용을 바탕으로 트랜스 방식과 스위칭 방식의 비교 검토를 실시하고자 합니다.

먼저, 「왜 AC/DC 변환이 필요한가」라는 근본적인 내용을 복습하고자 합니다.

그림 1

그림 1

가정이나 빌딩에 공급되는 전기는 일본의 경우 주로 AC 100V 및 200V입니다. 그러나, 전기로 동작하는 전자제품 대부분의 전자 회로는 5V 및 3.3V의 DC 전압으로 동작합니다. 그 중에서는 모터 기기 및 백열전구 등 AC 전압을 그대로 사용하는 제품도 있지만, 최근에는 모터와 스위치만으로 이루어진 단순한 기기는 거의 없으며, 다양한 목적으로 탑재되는 전자 제어 회로는 모두 DC 전압으로 동작합니다. 또한, 백열전구도 LED로 대체되고 있는데, 아시다시피 LED는 기본적으로 DC 구동입니다. 즉, 「송전망을 통해 공급되는 전기는 AC인 반면, 전자제품의 심장부인 전자 회로는 DC 구동이므로, AC 전압을 DC 전압으로 변환하지 않으면, 전자제품이 동작하지 않는다.」는 것입니다. 「그러면 처음부터 DC를 공급하면 되지 않는가」라고 생각할지 모르겠지만, AC로 공급되는 것에는, 역사적인 배경을 바탕으로 한 이유가 있습니다.

1881년에 에디슨이 백열광 램프의 전등을 발명했습니다. 사실 당시 미국에서는 DC로 전력 공급하는 것이 표준 방식이어서, 에디슨은 백열전등 보급을 확대하기 위해 DC 110V의 송전망을 전개하는 사업을 추진하였습니다. 그러나, DC로 송전할 경우, 큰 전압 강하가 발생하기 때문에 1.5km의 범위밖에 송전할 수 없어, 거리 거리마다 발전소를 세울 필요가 있었습니다. 지금은 정말 믿기 어려운 이야기입니다. 한편, 테슬라는 AC의 발전, 송전, 사용 방법을 고안하여, 에디슨과 경쟁하였던 것이 바로 전류 전쟁입니다. 최종적으로는 간단히 변압할 수 있고, 전선이 길고 얇아도 큰 손실없이 송전 가능한 AC 시스템의 이점을 바탕으로, 테슬라 측이 승리하여 현재에까지 이르게 된 것입니다.

AC의 메리트
・AC는 변압기를 사용하여 간단히 전압의 변환 (승압, 강압) 가능
・고전압 / 저전류 송전에서는 전압 강하 (I2R 손실) 저감 가능
・AC에서 DC로의 변환도 용이하여 DC 구동 기기에 대한 전력 공급도 용이

실제로 발전소에서는 수천에서 2만 볼트(V)의 AC 고전압이 송전되고, 가정에 도달하기 직전에 전신주에 있는 변압기에서 100V 및 200V로 강압됩니다.

현재 가정의 콘센트에서 공급되는 전원이 AC이므로, 각 기기에 각각 AC/DC 변환 회로를 탑재할 필요가 있습니다. 이는 저전력이나 소형화와 같은 관점에서는 낭비이므로, 최근 각지에서 시험 운용 및 연구가 실시되는 스마트 하우스에서는 가정 내 콘센트에서 직접 DC를 공급하는 시스템도 고려되고 있다고 합니다. 그렇다고 해서, 전력 송전망 인프라가 갑자기 DC로 바뀌는 것은 아니므로, AC/DC 변환이 필요 없어지는 것은 아닙니다. 이러한 시스템에서는 가정의 DC 전력 공급 장치의 근본으로서 높은 역률과 효율의 대전력 AC/DC 컨버터 및 로컬에 중전력 AC/DC 컨버터가 필요하게 될 것입니다.

이어서 또 한가지 기본적인 복습을 하겠습니다. 앞서 기술한 내용에 「AC에서 DC로의 변환도 용이」라는 내용이 있습니다. 이는 「정류」라는 작용이며, AC/DC 변환의 근본입니다.

그림2

그림2

그림 2는 정류의 기본이 되는 전파 정류와 반파 정류의 작용을 나타낸 것입니다. 양쪽 모두 입력된 AC 전압의 마이너스 측 진폭을 다이오드를 통해 클램프합니다. 반파 정류는 1개의 다이오드로 마이너스 측을 클램프하기 때문에 마이너스 부분이 없어져, 호칭과 같은 절반의 파형이 됩니다. 전파 정류는 4개의 다이오드를 조합한 브릿지 다이오드를 사용하여, 마이너스 측을 반전시켜 플러스 측으로 출력하므로 전파형이 DC가 됩니다.

DC화된 후에는 콘덴서를 사용하여 평활합니다. 평활해도 리플 (Ripple : 맥류)은 남아, 그 진폭인 리플 전압은 콘덴서 용량과 부하에 따라 변화합니다. 콘덴서 용량과 부하가 동일한 경우, 전파 정류와 반파 정류 중, 전파 정류 쪽의 리플 전압이 작아집니다.

키 포인트

・전자 회로에서 보면 AC/DC 변환은 DC 전원의 근본이므로, 기초 이론은 꼭 알아두자.

AC/DC 변환의 기초