直流および交互の電流の包括的な分析
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直接電流と交互の電流は、最新の電力システムの2つの基本的なコンポーネントであり、それぞれにユニークな特性と幅広いアプリケーションを備えています。特に、電気エンジニアと技術者は、これら2つの電圧フォームとそのアプリケーションを理解する必要があります。この記事では、さまざまな分野での直接電流および交互の電流の定義、特性、記号、測定方法、電力計算、および実際のアプリケーションを詳細に検討します。さらに、さまざまな技術的ニーズを満たすために、電力変換と規制のプロセスでこれらの電圧フォームがどのように適用されるかを紹介します。これらのコンテンツを完全に分析することにより、読者は電力システムの運用原則をよりよく理解し、実際のアプリケーションで動作する能力を向上させることができます。

カタログ

図1：交互の電流と直接電流

DC電圧とは何ですか？

直流（DC）は、電荷の単方向の動きを指します。電子が定期的に方向を変える交互の電流（AC）とは異なり、DCは電子流の固定方向を維持します。DCの一般的な例は電気化学セルであり、化学反応により、電流が回路を連続的に流れる定常電圧が生成されます。DCは、ワイヤ、半導体、絶縁体、さらには真空など、さまざまな導電性材料を通過できます。たとえば、真空中の電子またはイオンのビームはDCを表します。

図2：DC電圧の動作原理

過去には、DCはイタリアの科学者Luigi Galvaniにちなんで名付けられたガルバニック電流と呼ばれていました。略語ACとDCは、それぞれ交互の電流と直接電流を表します。ACをDCに変換するには、整流器が必要です。整流器は、ダイオードなどの電子コンポーネントまたはスイッチなどの電気機械コンポーネントで構成されており、電流は一方向のみに流れることができます。逆に、インバーターを使用してDCをACに変換できます。

DCは、現代のテクノロジーで広く使用されています。基本的なバッテリー駆動のデバイスだけでなく、さまざまな電子システムやモーターも搭載されています。アルミニウム製錬などのプロセスでは、材料処理に大量の直接電流を使用できます。さらに、一部の都市鉄道システムは、直接電流を使用して、継続的かつ効率的な動作を確保しています。高電圧直流（HVDC）は、長距離にわたって大量の電力を送信したり、異なるACグリッドを接続するのに適しています。HVDCシステムの高効率と低損失により、それらは広範囲で大容量の容量の送信に最適です。

AC/DC高電圧システムは、高電圧の交互の電流と直接電流を処理するように設計されています。これらのシステムは、産業プロセス、科学研究、電子試験、および電力システム向けに、安定した高電圧直接電流を生成および提供します。これらの電源装置は、さまざまな専門的および産業的要件を満たすために、正確な規制と信頼性を提供するように慎重に設計されています。

AC電圧とは何ですか？

交互の電流（AC）とは、時間の経過とともに強度と方向が定期的に変化する電流の種類を指します。1つの完全なサイクル中、ACの平均値はゼロですが、直流（DC）は一定のフロー方向を維持します。ACの主な特徴はその波形であり、通常は正弦波であり、効率的で安定した容量の送電を保証します。

図3：AC電圧の動作原理

Sinusoidal ACは、世界中の電力システムで一般的です。住宅と産業の両方の主電源の両方が、通常、送信中のエネルギー損失を最小限に抑え、生成と制御が容易であるため、正弦波ACを使用しています。正弦波に加えて、ACは三角波と正方形の波の形をとることもできます。これらの代替波形は、電子デバイスでの信号処理や特定の電力変換タスクなど、特定のアプリケーションで役立ちます。正方形または三角形の波は、正弦波よりも効率的です。

ACの周期的な性質により、長距離伝送に最適です。変圧器は、AC電圧を簡単に上昇または下降させ、伝送中のエネルギー損失を減らすことができます。対照的に、DCには長距離伝送のために、より複雑な変換および管理システムが必要なため、特定の産業用途と短距離アプリケーションにより適しています。

AC周波数は地域ごとに異なります。たとえば、北米や一部の国では60のHertz（Hz）を使用していますが、他のほとんどの地域は50 Hzを使用しています。これらの周波数の違いは、電気機器の設計と動作に影響するため、さまざまな地域で機器を製造および使用する場合は慎重に検討する必要があります。全体として、ACパワーは、さまざまなアプリケーションでの変換の容易さ、高い送信効率、汎用性のために、家庭、企業、産業で広く使用されています。

DCおよびAC電圧のシンボルは何ですか？

電気工学では、DCおよびAC電圧は異なるシンボルで表されます。通常「⎓」として表示されるユニコード文字u+2393は、DC電流の一定の方向を象徴するDCアプリケーションでよく使用されます。マルチメーターでは、DC電圧は通常、DC電圧の測定範囲を示す直線（「V）を持つ資本「V」で表されます。

回路図では、バッテリーなどのDC電圧源のシンボルは、固体ラインと破線の2つの平行線で構成されています。実線は正の極（+）を表し、破線は負の極（ - ）を表します。この設計は、DC電圧源の極性と電流流の方向を直感的に示しています。具体的には、より長い線は、より高い電位または電圧に関連する正の極を示しますが、より短い線は、より低い電位に関連する負の極を示します。このシンボルは、電子回路設計で普遍的に使用されていますが、さまざまな標準に基づいてわずかなV ariatイオンがある可能性があります。

図4：DC電圧シンボル

一方、AC電圧は、その上に波状の線がある資本「V」で表されます。この波状の線は、時間の経過に伴うAC電流の周期的な変化を反映しています。DCとは異なり、AC電流の方向と電圧は絶えず変化し、波状の線はこの特性を効果的に伝えます。電気機器とテスト機器では、このAC電圧シンボルは、エンジニアと技術者がAC電圧を迅速に識別して測定するのに役立ちます。

図5：AC電圧シンボル

DCおよびAC電圧シンボルの正しい識別と使用により、正確な回路設計と電気機器の安全な動作が保証されます。回路図であろうと、機器の試運転とメンテナンス中であろうと、標準化されたシンボルは誤解とエラーを減らし、効率と安全性を向上させます。

マルチメーターでDCとAC電圧を測定する方法

DC電圧の測定

マルチメーターでDC電圧を測定する場合、ステップは簡単です。例としてバッテリーをチェックしましょう。

• 準備：デバイスからバッテリーを取り外し、車のバッテリーを測定する場合は、ヘッドライトを2分間オンにしてからオフにしてバッテリーを安定させます。

•プローブを接続します。ブラックプローブをCOMソケットに接続し、赤いプローブをDC電圧（VΩやV-など）でラベル付けしたソケットに差し込みます。

•バッテリー端子にアクセスします。ネガティブ（ - ）端子に黒いプローブを置き、正の（+）端子に赤いプローブを配置します。

•値を読む：マルチメーターに表示される電圧を観察して記録します。この値は、バッテリーの充電レベルを示します。

•切断：最初に赤いプローブを取り外し、次にブラックプローブを取り外します。

図6：DC電圧の測定

AC電圧の測定

AC電圧を測定するには、わずかに異なるアプローチが必要です。方法は次のとおりです。

•マルチメーターをセットアップします。ダイヤルをAC電圧位置（通常はṽまたはmṽとマーク）にし、電圧が不明の場合は、範囲を最高の電圧設定に設定します。

•リードを接続します：黒いリードをcomジャックに差し込み、赤いリードをVΩジャックに入れます。

•回路に触れます：黒い鉛を回路の一部に触れ、赤は別の部分に触れます。AC電圧には極性がないことに注意してください。

• 安全上のご注意：指をワイヤーの先端から遠ざけ、チップが互いに触れてもらって電気ショックを防ぐことを避けてください。

•値を読む：ディスプレイの測定値を観察し、終了したら、最初に赤い鉛を取り外し、次に黒のリードを取り外します。

図7：AC電圧の測定

プロのヒント

DC電圧の場合、読み取りが負の場合は、プローブを交換して肯定的な読み取り値を取得します。値は同じままです。アナログマルチメーターを使用する場合は注意してください。プローブを逆にすると、デバイスが損傷する可能性があります。これらの手順に従うことで、正確な電圧測定と電気機器の安全な動作が保証されます。

DCパワーとAC電力をどのように計算しますか？

図8：DCパワーとAC電力を計算する方法

DC電力の計算

DC回路の電力を計算するには、オームの法則を使用できます。方法は次のとおりです。

電圧を決定します

式v = i * Rを使用します。

例：電流（i）が0.5 a（または500 mA）で、抵抗（r）が100Ωの場合、次の場合：

V = 0.5 A *100Ω= 50 V

電力を計算します

式p = v * Iを使用します。

例：V = 50 VおよびI = 0.5 Aの場合：

P = 50 V * 0.5 A = 25 W

電圧ユニットを変換します

キロボルト（kV）に変換するには：1,000で割る。

例：17,250 VDC / 1,000 = 17.25 KVDC

Millivolts（MV）に変換するには：1,000を掛けます。

例：0.03215 VDC * 1,000 = 32.15 VDC

AC電力の計算

AC電力計算は、電圧と電流の周期的な性質により、より複雑です。ここに詳細なガイドがあります：

瞬間的な値を理解します

AC回路では、電圧と電流は定期的に異なります。瞬時の出力（P）は、瞬時電圧（V）と瞬時電流（I）の積です。

平均電力計算

1つのサイクルを超える平均電力が使用されます。これは、電圧と電流のRMS（ルート平均平方根）値を使用して計算されます。

複雑な力

s = v * i *として表されます。Vとiは、それぞれ電圧と電流のRMS値です。I*は、電流の複雑なコンジュゲートです。

AC回路のパワーコンポーネント

アクティブパワー（P）：実際に機能するパワー。

p = | s |cosφ= | i |^2 * r = | v |^2 / | z |^2 * r

反応電力（Q）：反応性要素によって保存およびリリースされた電力。

q = | s |sinφ= | i |^2 * x = | v |^2 / | z |^2 * x

見かけのパワー：アクティブパワーと反応性パワーの組み合わせ。

| s |=√（p^2 + q^2）

ACの例

RMS電圧と電流を計算します

AC回路でVRMS = 120 VおよびIRMS = 5 Aを仮定します。

見かけのパワーを決定します

S = VRMS * IRMS = 120 V * 5 A = 600 VA

アクティブパワーと反応性電力を計算します

位相角（φ）が30°の場合：

アクティブパワー：P = Scosφ= 600 va * cos（30°）= 600 va * 0.866 = 519.6 w

反応電力：Q = ssinφ= 600 va * sin（30°）= 600 va * 0.5 = 300 var

各ステップを分解し、これらの詳細な指示に従うことにより、DCとACの電力を正確に計算し、電気測定が正しく安全に行われるようにすることができます。

DC電圧をブーストする方法は？

直流（DC）電源システムでは、ブーストコンバーターなどの高電圧DC-DCコンバーターが電圧をブーストするために使用されることがよくあります。ブーストコンバーターは、スイッチを繰り返し閉じて開いて入力電圧をより高いレベルにブーストすることにより、エネルギーを保存および放出するDC-DCパワーコンバーターの一種です。このタイプのコンバーターは、より高いレベルへの安定した効率的な電圧変換が必要な場合に広く使用されています。

図9：ブーストコンバーター

ブーストコンバーターの動作には、2つの主要なステップが含まれます。

閉鎖の切り替え： スイッチが閉じていると、入力電圧がインダクタに適用されます。これにより、インダクタ内の磁場がエネルギーを蓄積させます。

スイッチの開口部： スイッチが開いていると、インダクタに保存されたエネルギーが出力に放出され、出力電圧が入力電圧よりも高くなります。

ブーストコンバーターには、通常、少なくとも2つの半導体スイッチ（ダイオードやトランジスタなど）とエネルギー貯蔵要素（インダクタやコンデンサなど）が含まれます。この設計により、効率的なエネルギー変換と電圧が向上します。

ブーストコンバーターは、出力電圧をさらに増加させるために、単独またはカスケードで使用できます。このアプローチは、産業用具や電気自動車などの用途での特定の高電圧ニーズを満たしているため、Boost ConverterはDC電圧変換の重要なコンポーネントになります。出力電圧の変動とノイズを最小限に抑えるために、ブーストコンバーターでフィルターが使用されます。これらのフィルターは、コンデンサまたはインダクタとコンデンサの組み合わせで構成されています。出力電圧を滑らかにし、電圧の変化による乱れを減らし、安定性を確保し、システム全体のパフォーマンスを改善します。ブーストコンバーターを使用する場合、エネルギーの保存法則により、電圧を上げると電力を維持するために電流が一般的に減少することに注意してください。これを理解することは、ブーストコンバーターの適切な設計と適用に役立ちます。

交互の電流（AC）電源システムでは、変圧器を使用して、電圧をステップアップまたはステップダウンします。トランスは、AC電流によって作成された変化する磁場を通る二次巻線に電圧を誘導することにより機能します。ただし、DC電流は一定であり、変化する磁場を作成しないため、トランスはDCシステムに電圧を誘導することはできません。したがって、DC電源システムでは、電圧を上げるにはブーストコンバーターが必要ですが、電圧を下げるためにバックコンバーターを使用します。

DC電圧を下げる方法は？

直流（DC）電源システムでは、DC電圧変換に変圧器を使用できないため、電圧の削減は交互の電流（AC）システムとは異なる方法で行われます。代わりに、「抵抗ベースのシリーズ電圧削減」や「電圧分割回路」などの方法が一般的に使用されます。以下に、DC電源として12ボルトバッテリーを使用して、6ボルトの6ワットのハロゲンランプを使用して両方の方法を詳しく説明します。

直列電圧削減抵抗器を使用します

図10：直列電圧ドロップ抵抗の配線図

直列電圧還元抵抗器は、適切な値の抵抗器を回路と接続することにより、電圧を低減するためのシンプルで一般的に使用される方法です。この抵抗器は荷重と直列であり、電圧の一部を共有して、負荷が必要な電圧を得るようにします。ここに特定の手順があります：

総電流を決定します： 負荷の電力と電圧に基づいて、総電流を計算します。たとえば、6V、6Wハロゲンランプの場合、電流i = p/v = 6w/6V = 1a

シリーズの抵抗を計算します： 12 Vから6 Vを減らすために、シリーズ抵抗は6V電圧降下を担う必要があります。オームの法則r = v/iによると、必要な抵抗r = 6V/1a =6Ω

適切な抵抗力を選択します： 抵抗器がp = v×i = 6V×1a = 6wに耐える必要がある電力なので、少なくとも6 wの定格電力を持つ抵抗器を選択します。

この6Ω抵抗を負荷と直列に接続した後、回路の電流はまだ1aですが、抵抗器は6 V電圧を共有して、負荷が6ボルトの動作電圧を取得するようにします。この方法は単純ですが、抵抗器が電力を消費するため、効率的ではありません。低電力要件を持つ単純な回路に適しています。

電圧分割回路

電圧分割回路は、2つの抵抗器を使用して電圧分割器を形成し、目的の電圧分布を実現するための電圧を低減するためのより柔軟な方法です。

抵抗値を選択します。 2つの固定値抵抗（R1およびR2）を選択して、電圧分割器を作成します。12Vから6Vを減らすには、R1 = R2を選択するため、各抵抗器は電圧の半分を共有します。

回路を接続します： 2つの抵抗器を直列に接続します。シリーズ全体に12V供給を適用し、中央ノードの電圧を出力電圧として使用します。たとえば、R1とR2の両方が6Ωの場合、中間ノードには6Vがあります。

負荷を接続します： 電圧分割回路とグランドの中央ノードに負荷を取り付けます。電圧分割回路の出力は、負荷の入力電圧です。

図11：電圧分割回路

この方法により、電圧分割回路の設計による柔軟な電圧調整が可能になり、さまざまなアプリケーションに適しています。安定した出力電圧を維持するために、抵抗に対する負荷の影響が考慮されていることを確認してください。

エアコンの消費量を減らす方法は？

エアコンの高い請求書は気になる可能性がありますが、空調電力消費を削減する効果的な方法があります。これらのヒントは、電気料金のお金を節約するだけでなく、エアコンの寿命を延ばし、その効率を向上させます。ここにいくつかの実用的な提案があります。

図12：空調電力消費を減らすためのヒント

使用していないときはエアコンをオフにします

エアコンが不要なときは、常にオフにしてください。この簡単なステップは、大量の電気を節約できます。スタンバイモードであっても、エアコンはある程度の電力を使用するため、完全にオフにすると、不必要なエネルギー消費を避けることができます。

エアコンを理想的な温度に保ちます

夏の78〜82°F（26-28°C）など、エアコンを快適でエネルギー効率の高い温度範囲に設定します。温度設定が低いのは、エアコンのワークロードと消費電力を増加させます。

エアコンを定期的に維持します

定期的なメンテナンスは、エアコンが効率的に実行されるようにするための鍵です。フィルターをきれいにし、コンデンサーと蒸発器をチェックし、必要に応じて冷媒を補充します。これらのステップは、エアコンのパフォーマンスを改善し、消費電力を削減できます。

古いユニットまたは故障したユニットを交換します

定期的なメンテナンスにもかかわらず、消費電力が大幅に増加していることに気付いた場合、エアコンを交換する時が来るかもしれません。新しいモデルは、多くの場合、エネルギー効率比（EER）が高いため、消費電力を大幅に削減できます。

古いエアコンを販売またはアップグレードします

古いエアコンを新しいエネルギー効率の高いモデルに販売または交換することを検討してください。最新のエアコンは、電気料金を削減できるより効率的な高度な技術を使用しています。

補助冷却装置を使用します

エアコンの隣に天井ファンを走らせると、空気循環が改善され、部屋をより速く冷却できます。これにより、エアコンが短時間走ることができ、それにより消費電力が削減されます。

IoTデバイスを選択します

モノのインターネット（IoT）デバイスは、エアコンのスイッチング設定と温度設定をインテリジェントに制御するのに役立ちます。これらのデバイスは、ニーズに応じてエアコンを自動的にオンまたはオフにし、エネルギー廃棄物を防ぎます。また、スマートフォンアプリを通じてリモートで制御することもできます。

ドアと窓を閉じます

エアコンがオンの場合、冷たい空気が逃げないようにドアと窓を閉じている必要があります。屋内温度を安定させ、エアコンの負荷を減らし、消費電力を削減します。

エアコンフィルターを定期的に掃除します

エアコンフィルターの清潔さは、エアコンの効率に大きな影響を与えます。フィルターを定期的にクリーニングまたは交換すると、良好な換気を確保し、コンプレッサーの負荷を減らし、消費電力を削減できます。

直射日光を避けてください

エアコンコンプレッサーが涼しい場所に配置されていることを確認してください。直射日光は、コンプレッサーを過熱し、コンプレッサーの効率を低下させ、消費電力を増加させる可能性があります。屋外ユニットの上にサンシェードを設置するか、涼しい場所に置きます。

これらの方法により、エアコンの電力消費を効果的に削減し、毎月の電力料金を節約し、エアコンの効率とサービスの寿命を延ばすことができます。これらの措置は、省エネだけでなく、環境に優しいものでもあります。

直接電流の利点と短所

図13：直流の特性

直流の利点

ダイレクト電流（DC）は、効率性の大きな利点を提供します。交互の電流（AC）とは異なり、DCシステムは、反応性パワー、皮膚効果、電圧の低下によるエネルギー損失を回避するため、一般的により効率的です。この効率は、効率的なエネルギー伝達を必要とするアプリケーションで特に有益です。DCはバッテリー貯蔵の標準であり、太陽光発電や風力などの再生可能エネルギー源に最適です。ソーラーパネルと風力タービンは、バッテリーに保管され、住宅または産業用のインバーターを使用してACに変換されるDC電源を生成します。

DC電源は、繊細な電子機器に適した安定した一定の電圧または電流を提供します。この安定性により、電圧の変動と電気ノイズが最小限に抑えられ、医療機器や通信機器などの高出力の要求の厳しい分野でDCが不可欠になります。DCは制御と規制に優れています。電圧と電流レベルの正確な微調整を可能にするため、電気自動車、電気モーター、産業自動化システムなどの正確な制御を必要とするアプリケーションに適しています。

DCもより安全であり、ACよりも電気ショックのリスクが低いです。適切な断熱と接地により、DCシステムは低電圧操作の安全性を高めることができ、国内および産業環境に適しています。

DCの短所

ただし、DCには欠点もあります。長距離にわたってDCを送信することは非効率的です。高電圧DC（HVDC）テクノロジーはこの問題を軽減できますが、ACはトランスを介して電圧を簡単に調整し、長距離でより効率的になります。DCディストリビューションインフラストラクチャの構築は高価で複雑です。DCシステムには、電子コンバーター、インバーター、およびその他の特殊な機器が必要であり、初期投資とメンテナンスコストが増加します。

DC電源は限られています。ユーティリティグリッドから容易に入手できるAC電源とは異なり、DC Powerには、バッテリー、ソーラーパネル、発電機などの特定のセットアップが必要です。この制限により、一部の分野でDCの広範な採用が制限されています。既存の機器との互換性は別の問題です。ほとんどの電気機器と電化製品は、AC電源用に設計されています。これらのデバイスをDC電源に変換するには、追加の変換機器または変更が必要であり、複雑さとコストが追加されます。

DCシステムのメンテナンスはより困難です。インバーターやコンバーターなどの複雑な電子コンポーネントには、より頻繁なメンテナンスと複雑なトラブルシューティングが必要になる場合があります。これにより、システムの運用コストと時間の投資が増加する可能性があります。

交互の電流の利点と短所

交互の電流（AC）の重要な特徴は、その電圧または電流が時間とともに定期的に変化し、通常は正弦波を形成することです。直接電流（DC）とは異なり、AC回路には、電流の方向が絶えず変化しているため、固定陽性と負の極がありません。ACは通常、電磁誘導を介して発電機によって生成されます。さらに、AC供給電圧は、変圧器を使用して簡単に上昇または下に上昇させることができ、効率的な電力伝達と分布を促進できます。

図14：交互の電流の特性

AC回路の利点

ACサーキットにはいくつかの利点があります。1つの大きな利点は、変圧器の使用であり、電圧調整を簡素化することです。ジェネレーターは、高電圧ACを生成し、長距離伝送のためにステップアップして、効率を向上させ、損失を減らすことができます。高電圧は伝送損失を最小限に抑えます。

もう1つの利点は、ACを整流器を使用してDCに簡単に変換できるため、ACがさまざまなDC負荷に電力を供給できるようにすることです。ACは単相および3相負荷を処理でき、産業および国内のアプリケーションに適しています。AC機器の広範な使用によりコストが削減され、AC機器が比較的安価でコンパクトでスタイリッシュになり、ACシステムの世界的な採用を促進しました。

AC回路の短所

ACの多くの利点にもかかわらず、いくつかの欠点があります。バッテリーには一定のDC電圧が必要なため、ACはバッテリー充電回路には適していません。また、これらの産業には安定した電流方向と電圧が必要なため、電気めっきや電気牽引にも適していません。

ACの重要な問題は、AC電流が導体の表面に流れる傾向があり、有効抵抗を増加させ、電流移動の効率を低下させる皮膚効果です。AC回路では、インダクタとコンデンサの値は周波数によって異なり、回路設計を複雑にします。また、AC機器は、振動、騒音、および高調波効果のために、サービス寿命を短くする傾向があります。さらに、AC回路の電圧低下はより重要であり、電圧調節が低下します。設計上の考慮事項は、複雑さを増す抵抗器、インダクタ、およびコンデンサの周波数依存性挙動を説明する必要があります。

DCのアプリケーション

図15：直接電流の適用

エレクトロニクス： ダイレクト電流（DC）は、コンピューター、スマートフォン、テレビ、ラジオなどの多くの電子デバイスで使用されています。これらのデバイスの統合回路とデジタルコンポーネントは、適切に機能するためにDC電力を着実に供給する必要があります。この一定の電圧と電流は、デバイスの信頼性とパフォーマンスを保証します。さらに、電気ファン、サウンドシステム、ホームオートメーションデバイスなど、多くの家電製品がDCの電力に依存して動作しています。

小さなデバイスの電源： 多くのポータブルデバイスは、DC電源を提供するバッテリーを搭載しています。例には、懐中電灯、リモートコントロール、ポータブル音楽プレーヤーが含まれます。バッテリーは安定した電源を提供し、電気コンセントを必要とせずにこれらのデバイスをどこでも使用できるようにします。この利便性により、電気コンセントがなくてもデバイスが確実に動作できるようになります。

電気自動車： 電気自動車（EV）は、DCパワーに大きく依存しています。EVSのバッテリーはDC電源を保存します。これは、電気モーターによって駆動エネルギーに変換されます。オンボード充電システムは、AC電源を充電ステーションからDC電源に変換してバッテリーを充電します。この効率的で制御可能なDCパワーシステムは、EVのパフォーマンスと範囲を改善します。

再生可能エネルギーシステム： DC電力は、再生可能エネルギーシステムで使用されます。太陽光発電（PV）パネルと風力タービンは、直接電流（DC）を生成します。これは、グリッド統合またはグリッドオフグリッドアプリケーション用のインバーターによって交互の電流（AC）に変換されます。これにより、エネルギー変換効率が向上し、クリーンエネルギーの開発がサポートされます。たとえば、在宅ソーラーシステムであるDCは、インバーターによって変換され、信頼できる家庭力を提供します。

電気通信： 通信ネットワークはDCを使用して、重要なインフラストラクチャのバックアップパワーを確保します。セルタワー、データセンター、および通信機器は、多くの場合、DCシステムに接続されており、停電中に電力を維持します。これらのシステムのバッテリーはDC電源を保存し、緊急時に安定した電力を提供し、継続的なネットワーク操作を確保します。

交通機関： DCは、一般的に電車、路面電車、地下鉄システムで使用されています。DCトラクションシステムは、DCモーターを介して効率的かつ制御可能な加速を提供し、鉄道輸送に最適です。このアプリケーションは、運用コストと環境への影響を削減しながら、輸送エネルギー効率を向上させます。

電気めっき： 産業用電気めっきでは、DCを使用して、基質に金属コーティングを堆積させます。電圧と電流を制御することにより、金属堆積速度を正確に調整して、高品質の電気めっき結果を得ることができます。このテクノロジーは、特に自動車、電子機器、装飾産業で、製造業界で広く使用されています。

溶接： DCは、溶接に使用されて、溶接電極とワークピースの間に電気放電を作成します。排出からの熱は金属を溶かし、金属の融合を生み出します。この溶接方法は、建設、製造、修理産業で一般的であり、強力で耐久性のある接続を提供します。

調査とテスト： 研究所は、研究、テスト、キャリブレーションにDCパワーを使用します。実験機器には、安定した正確な電源が必要であり、DCはこれらのニーズを満たすことができます。たとえば、DCを使用して電子コンポーネントをテストすると、実験結果の精度と信頼性が保証されます。

医療アプリケーション： DCは、ペースメーカー、除細動器、電気局所ツール、一部の診断機器などの医療機器で使用されます。これらのデバイスは、正確で制御された手術のためにDCに依存しており、患者が信頼できる安全な治療を受けていることを保証します。医療機器でDCを使用すると、治療の結果を改善するだけでなく、機器の安定性と寿命も向上させることができます。

これらのアプリケーションを理解することにより、ユーザーはさまざまな分野でのDCの汎用性と重要性を理解し、各ユースケースで効果的で信頼できるパフォーマンスを確保できます。

ACのアプリケーション

図16：ACのアプリケーション

輸送と産業発電： 交互の電流（AC）は、特に輸送と産業発電に最新の電力システムに不可欠です。ほぼすべての家とビジネスは、毎日の電力ニーズに依存しています。対照的に、直接電流（DC）は、長距離の伝送中に熱くなる傾向があり、火災リスクとコストが増加するため、より限られた範囲のアプリケーションを持っています。さらに、DCが高電圧と低電流を低電圧と高電流に変換することは困難ですが、ACはトランスで簡単にこれを行うことができます。

家電： ACは電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する電気モーターを供給します。冷蔵庫、食器洗い機、ゴミ処理、オーブンなどの家電製品はすべてACに依存して動作します。これらのアプライアンスのモーターは、ACを使用してさまざまな機械的機能を実行します。ACは、その信頼性と利便性のため、ホームデバイスに優先される電源です。

バッテリー駆動のデバイス： ACが支配的ですが、DCはバッテリー駆動のデバイスに適しています。これらのデバイスは通常、ACを壁のソケットまたはUSB接続に接続するAC/DCアダプターなど、ACをDCに変換するアダプターを介して充電されます。例には、懐中電灯、携帯電話、最新のテレビ（AC/DCアダプター付き）、電気自動車が含まれます。これらのデバイスはDC電源で実行されますが、それらの電源は通常ACであり、コンバージョンはアダプターによって処理されます。

流通システム： ACには、流通システムに大きな利点があります。トランスを介して、ACはさまざまな電力ニーズを満たすために異なる電圧に簡単に変換できます。変圧器により、DCシステムで同じ機能を達成することが困難になるため、ACはより柔軟で効率的です。高電圧伝送は、長距離伝送にとって特に重要な電力損失を効果的に減らすことができます。電源電圧が250ボルトで、電流は4アンペア、ケーブル抵抗は1オーム、伝送能は1000ワットです。IS 16ワットで、損失を減らす際の高電圧伝播の利点を示しています。

図17：AC電源配送システム

ACとDCの電圧の違い

電気エネルギーには、交互の電流（AC）と直流（DC）の2つの主要な形式があります。どちらも電気装置で広く使用されていますが、使用、信号パターン、その他の側面が大きく異なります。以下の詳細ACとDCの主な違い。

図18：AC電圧対DC電圧

定義と信号パターン

AC電圧は、2つのポイント間の電流の振動流を駆動し、定期的に電流の方向が変化します。対照的に、DC電圧は、2つのポイント間で一方向電流を生成し、電流の残りの方向は一定の方向になります。AC電圧と電流は時間とともに異なり、通常は正弦波、四角波、台形波、または三角波を形成します。DCは、一定の方向と振幅を備えた脈動または純粋なものです。

頻度と効率

ACの頻度は地域によって異なり、60 Hzが北米では一般的で、ヨーロッパおよびその他の地域では50 Hzが一般的です。DCには頻度がありません。実際、その周波数はゼロです。AC効率は0〜1の範囲ですが、DC効率は0で一定です。これにより、特に長距離伝送の場合、一部のアプリケーションではACがDCよりも潜在的に効率的になります。

現在の方向と変動

AC電流方向は絶えず変化し、時間の経過とともに電圧と電流値が変動します。DC電流方向は一貫しており、電圧と電流値は安定しています。これにより、ACは動的荷重に適していますが、DCは安定した電源に適しています。

電源と変換

ACは通常、発電機によって生成され、変圧器を使用して異なる電圧に簡単に変換でき、効率的な電力伝送が促進されます。DCは通常、バッテリーまたは貯蔵バッテリーから来ています。DCをACに変換するには、ACをDCに変換する際にインバーターが必要です。整流器が必要です。

適応性と負荷タイプ

ACは、容量、インダクタンス、抵抗など、さまざまな負荷を処理できます。DCは主に抵抗荷重に適しています。この汎用性により、ACは、食器洗い機、冷蔵庫、トースターなどの家庭用品や産業機器で広く使用されています。DCは、携帯電話、LCDテレビ、電気自動車などのポータブルデバイスや電子機器で一般的です。

安全性とアプリケーション

ACとDCの両方は本質的に危険ですが、DCは一般に、一定の電流方向とより高い電流密度のためにより危険です。ACは主に高出力の家庭用品および産業機器で使用されますが、DCはバッテリー駆動のポータブルデバイスと電子機器で普及しています。

送電と損失

ACは、高電圧直流（HVDC）システムで効率的に送信でき、長距離にわたる損失を最小限に抑えることができます。DCはHVDCシステムを介して送信することもできますが、送電での使用はあまり一般的ではありません。HVDCシステムは非常に高度であり、特に電圧損失を減らす必要があるアプリケーションに適しています。

スイープタイプと分析

ACの周波数分析は、回路の小型電圧応答を計算するために使用されます。DCスイープ関数は、通常は事前に定義された増分で、一連の電圧値にわたって指定された電源の動作点を計算します。DCスイープ関数は、可変DCコンポーネントを備えた任意の電源と互換性があり、100ミリ秒から10,000秒の範囲のスイープレートを持ち、ランプまたは三角波形のいずれかを使用して動作できます。

図19：ACとDCの違い

AC電圧をDC電圧に変換する方法

交互の電流（AC）を誘導電流（DC）に変換することは、パワーエレクトロニクスに不可欠です。このプロセスでは、それぞれが特定の特性とアプリケーションを備えたさまざまな手法とデバイスを使用しています。AC電圧をDC電圧に変換する3つの一般的な方法、整流器、回転コンバーター、スイッチモード電源（SMPS）。

図20：ACからDC電源回路図

整流器

整流器は、一連のステップでACをDCに変換します。

•電圧削減： 高電圧ACは送信により効率的ですが、安全に使用するには電圧を減らす必要があります。ステップダウントランスは、プライマリコイルとセカンダリコイルの間のターン比を使用して電圧を減らします。プライマリコイルにはより多くのターンがあり、高電圧をより低い使用可能な電圧に変換します。

•ACからDC変換： 電圧が低下した後、整流器を使用してACをDCに変換します。4つのダイオードを備えたフルブリッジ整流器が一般的です。これらのダイオードは、ACの正と負のハーフサイクルを交互に交互に、脈動するDCを生成します。2つのダイオードは、正のハーフサイクル中に走行し、他の2つのダイオードは負のハーフサイクル中に導かれ、フル波修正を達成します。

•DC波形の改善： 初期整流DC波形には、脈動と変動があります。エネルギーが上昇したときにエネルギーを保存することにより、コンデンサが波形を滑らかにし、電圧が低下したときにそれを放出し、より滑らかなDC出力をもたらします。

•安定したDC電圧： 電圧レギュレーター積分回路（IC）は、DC電圧を定数値に安定させます。7805や7809などのICは、それぞれ出力を5Vと9Vに調整し、安定した電源を提供します。

ロータリーコンバーター

ロータリーコンバーターは、速度エネルギーと電磁誘導を使用して、AC電力をDC電力に変換する機械装置です。

•構造と機能： 回転アーマチュアと励起コイルで構成されています。AC電力は、DC電力を生成するためにローター巻きに統合された整流子によって修正されます。

• 手術： エネルギー化されたコイルが回転し、固定されたフィールドワインディングを刺激し、安定したDCパワーを生成します。ACスリップリングのため、ACジェネレーターとしても使用できます。

電源の切り替え（SMPS）

スイッチング電源（SMPS）は、AC電力をDC電力に変換する非常に効率的な電子回路です。

•修正とフィルタリング： AC電源は、最初に整流器によって脈動するDC電源に変換され、次にフィルターによって滑らかになります。

•高周波変換： 平滑化されたDC電力は、高周波スイッチング要素（MOSFETなど）によって処理され、高周波AC電力に変換されます。パルス幅変調（PWM）は、出力電圧と電流を制御します。

•変換と修正： 高周波AC電力は変圧器によって調整され、整流器によってDC電力に戻されます。

•出力フィルタリング： 最後に、DC電源は出力フィルターを通過して波形をさらに滑らかにし、安定したDC電源を提供します。

SMPは、効率と柔軟性のために、コンピューター電源、テレビ、バッテリー充電器で一般的に使用されています。これらの方法に従うことにより、AC電圧をDC電圧に効果的に変換し、さまざまな電子デバイスの信頼できる電源を確保できます。

結論

DCとACには、それぞれ独自の利点とアプリケーションシナリオがあります。DCは、その安定性と効率的なエネルギー伝送のために、電子機器、電気自動車、再生可能エネルギーシステムで広く使用されています。ACは、その簡単な電圧変換と効率的な伝送のために、家庭、産業、および長距離電力伝達でより一般的です。測定と規制の観点から、DCとACの基本原則と運用手順を理解することで、電力システムの安全で安定した動作を確保できます。この記事の詳細な分析を通じて、読者はDCとACの基本的な知識を習得するだけでなく、この知識を実際に適用して、技術レベルと仕事の効率を向上させることもできます。この記事が、技術者と電気工学愛好家に貴重な参照とガイダンスを提供できることを願っています。

よくある質問[FAQ]

1. AC対DCをどのようにテストしますか？

電流がACまたはDCであるかどうかをテストするには、マルチメーターを使用できます。まず、電圧テストモードにマルチメーターを調整します。使用している電源の種類がわからない場合は、最初にAC位置でテストすることをお勧めします。赤と黒のテストペンを電源の両端に触れます。マルチメーターが電圧値を表示する場合、ACです。応答がない場合は、DCの位置に切り替えて、再度テストします。現時点で電圧値を表示する場合、DCです。メーターの損傷を避けるために、動作するときはマルチメーター範囲が適切であることを確認してください。

2. DCをACに変換する方法は？

通常、DCをACに変換するために使用されるデバイスは、インバーターと呼ばれます。インバーターはDC入力を受け入れ、内部回路設計（通常はトランジスタまたはMOSFETをスイッチとして使用する）を介して電流の方向を連続的に切り替えてACを生成します。右のインバーターを選択すると、出力電圧と周波数、および運転する負荷の種類によって異なります。たとえば、ホームソーラーシステム用のインバーターを選択するときは、出力電圧と周波数が家電製品と一致することを確認する必要があります。

3. DCまたはACのかどうかを知る方法は？

マルチメーターの使用に加えて、ロードデバイスのタイプとロゴを観察することにより、予備的な判断を下すこともできます。通常、入力電圧とタイプは家電製品にマークされています。「DC」とマークされている場合、DCが必要であることを意味します。さらに、電源がバッテリーまたはバッテリーパックの場合、ほとんどの場合DCが出力されます。未知の電源の場合、最も安全で最も効果的な方法は、マルチメーターを使用して確認することです。

4.バッテリーはACまたはDCですか？

バッテリーは直接電流（DC）を出力します。バッテリーは化学反応を通じて電気エネルギーを生成し、その結果、安定した継続的な電力供給を必要とするポータブルデバイスと電子デバイスに適した安定した単方向電流が発生します。

5. AC電流はDCよりも速いですか？

この質問に対する答えは、「高速」の定義に依存します。それが電流の流れの速度を指す場合、実際、導体（電子ドリフト速度）で電子が移動する速度は、ACであろうとDCであろうと非常に遅いです。しかし、送電の効率と速度が考慮されると、ACはトランスを介して高電圧で簡単に送信でき、それによりエネルギー損失を減らし、長距離電力透過に適しています。この観点から見ると、ACは多くの場合、送電の観点からは「より速く」、大規模なパワーグリッドにより適しています。DCは、特にエネルギー損失を減らすという点で、特定の最新のアプリケーション（データセンターや特定の種類の長距離伝送技術など）の利点も示しています。