[Chapter-6] 직류와 교류

직류는 전기(전자)가 흐르는 방향이 일정하고 교류는 방향이 변화합니다. 아래 그림을 보면 직류는 시간에 따라 일정하게 흐르고 교류는 시간에 따라 전류의 방향이 바뀌는 것을 확인하실 수 있습니다. x축이 시간이고 y축은 전류/전압이라고 보시면 됩니다.

1) 직류 (DC: Directive Current)

직류는 위에 그림에서 설명한대로 시간에 따라 일정한 전류 또는 전압이 발생하는 것을 말합니다. 앞으로 포스팅 내용들은 기본적으로 직류를 기준으로 포스팅을 할 예정입니다. [Chapter-1 전압]에서 실생활에서 사용하는 전압이라는 내용으로 직류가 실생활에 어떻게 사용되고 있는지 설명을 드렸었습니다.
다시 간단하게 설명을 드리면 가전제품은 모두 220V라는 교류를 사용합니다. 입력 전압이 220V 교류전압 이라는 의미입니다. 하지만 내부회로는 직류가 사용됩니다. TV를 예로 들면 저희가 TV를 사용하기 위해서 220V의 코드를 꽂습니다. 그러면 TV가 나오게 되죠. 하지만 TV가 동작하기 위해서는 제어회로가 필요하게 되고 이 제어회로는 직류로만 동작이 됩니다. 5V 또는 3.3V의 직류전압을 사용합니다. 220V 교류전압을 5V나 3.3V로 변환해주는 회로가 내부에 포함이 되어 있습니다.
이렇게 실생활에서는 우리가 잘 모르지만 무엇인가 제어를 하는 로직이 들어간다면 100% 직류를 사용하고 있습니다.
자동차의 경우 승용차는 12V직류를 화물차는 24V직류를 사용합니다.
앞으로 많이 다룰 아두이노 보드의 경우 5V와 3.3V의 직류전압을 사용합니다.

2)교류(AC: Alternative Current)

교류는 소개글에서 설명했듯이 시간에 따라 전압이나 전류치가 바뀝니다.
교류에는 주파수(f)와 주기(T)가 존재합니다. 주파수란 1초간 반복횟수를 나타낸 것으로 단위는 [Hz]이고, 헤르츠라고 읽습니다. 주기란 1 사이클의 시간을 나타내고 단위는 [s], 세크라고 읽습니다. second의 약자입니다.
주파수 f[Hz] = 1/T, 주기T[s]=1/f 입니다.
교류는 4가지의 기본적인 성질을 가지고 있습니다. 다음과 같습니다.
1. 최대치
  - 아래 그림과 같이 교류 파형에는 최대치가 존재합니다.
2. 파형
  - 교류파형은 위의 그림과 같이 정현파만 있는 것이 아닙니다. 주파수와 최대치가 다른 여러개의 파형들이 합성이 되면 아래와 같은 파형들도 만들어집니다.
3. 주파수
  - 교류 파형은 주파수를 갖습니다. 주파수 f = 1 / T 입니다. 주기 T가 다르면 다른 주파수를 갖는다는 의미입니다. 아래 파형처럼 점선의 교류파형과 실선의 교류파형이 다르기 때문에 당연히 주파수도 달라지게 됩니다.
4. 위상
  - 아래 파형처럼 동일한 파형이지만 파형의 시작 시간이 다릅니다. 이것을 위상차라고 합니다. 파형의 위상차 즉 시간차가 발생하는 이유는 회로에 C와 L성분이 있기 때문입니다. 이 내용을 설명하자면 내용이 길어지기 때문에 별도의 포스팅에서 상세하게 다뤄보도록 하겠습니다.
위에 설명한 교류의 4가지 성질을 식으로 표현하면 다음과 같습니다. 정현파를 기준으로 설명하겠습니다.
- e = Em⋅sin(ωt+ø)
  - e=순시값 (순간의 전압치)
  - Em=최대값
  - sin=파형(정현파)
  - ω=각속도 (ω=2πf)
  - ø=위상
- 복잡한 파형의 경우도 여러개의 정현파의 합성으로 나타낼 수 있습니다.
교류의 크기는 다음과 같이 3가지 형태로 나타낼 수 있습니다.
1. 최대치 (Peak to Peak)
  - 최대치를 첨두치 라고 합니다.
2. 평균치
  - 교류의 반주기 값을 평균화 한 것을 말합니다.
  - 정현파의 경우 최대값과의 관계는 다음과 같습니다.
    - 평균치=2/π × 최대치 = 0.637 × 최대치
3. 실효치
  - 직류의 일의 양과 동일한 교류의 값을 말합니다. 다시 말해 직류파형과 교류파형의 실제 일의 양이 같은 값을 말합니다.
  - 저항 R에 직류전류 Im가 흐를때 발생하는 열량 = 저항 R에 교류전류 i가 흐르고 있을때에 발생하는 열량
  - 위의 내용을 식으로 표현하면 다음과 같습니다.
    - i=Im⋅sin(ωt) = √2⋅I⋅sin(ωt)