2. 발전소부터 시작하는 컴퓨터 동작원리

전기 만들기 #

건전지 #

1. 양극 : 산화리튬을 사용하는데, 리튬같은 알칼리 금속은 전자를 쉽게 잃어버리고 양이온이 되려하는 성질이 있다.
   전압에 따라서 리튬이 음극과 양극 사이를 왔다갔다 하는게 리튬전지의 원리이다.
2. 전해액 : 부도체를 사용하여 전자가 이동하기 어렵게하고, 리튬 양이온만 이동할 수 있다.
3. 음극 : 리튬이 삽입되기 쉬운 구조의 흑연 등의 탄소계 물질로 이뤄진다.

방전과정 #

전극에 배선을 연결하면 음극의 리튬이 양이온과 전자로 분리되어 전자는 배선을 따라 이동하며 연결된 부하(전자기기)에 전기를 공급한다.
리튬 양이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하고 양극으로 이동한 전자와 만나 다시 리튬원소가 된다.

충전과정 #

외부 전압을 가진 충전기를 연결해 음극의 전압을 인위적으로 높여 양극에 있던 리튬이 이온화되어 전해질을 통해 음극으로 이동키고 음극에서 리튬원자로 결합되면서 흑연(음극의 활물질)에 저장된다.

쉽게말하면 양극과 음극의 물질은 다른데, 리튬이 포함되어있는 공통점이 있다. 회로가 연결되면 전위가 낮은곳에서 높은곳으로 전자가 이동되며 리튬양이온은 전해질을 통해 전달된다. 충전중에는 음극의 전압이 높기 때문에 양쪽의 활물질에 리튬과 전자가 왔다갔다하면서 충전 및 방전을 발생시켜 사용한다.

전지의 용량 #

배터리의 경우 2400mAh 같이 표기하는데, 최대 충전이 되었을때 2.4A를 한시간 흘릴 수 있다는 뜻이다. 배터리의 방전은 점점 전압을 떨어트리는데 보통 리튬배터리의 만충전압을 4.2V, 방전전압을 2.8V로 사용한다.

발전소 #

전자기유도법칙 #

전자는 도선을 타고 흐르면서 도선 주위로 자기장의 힘을 만들어낸다. = 도체에 전류를 흘리면 자석이된다
원자들 주위로 전자가 돌면서 원자도 일정 방향으로 자기장의 힘을 띄는데 자세한 원리는 복잡하지만 대충 이것이 많이 모이면 자석이된다.

1. 파란색선 : 자석의 자기장
2. 빨간색선 : 에너지보존법칙에 의해 자석의 자기장에 반발되는 자기장
3. 빨간선의 자기장을 만들기위해 자연스럽게 발생하는 전류

반대로 자기장을 이용해서 전자기 유도도 가능하다.
자연은 에너지 보존법칙으로 인해 에너지의 합이 어떤 형태로든 일정해야한다.

N극이 미는 힘을 가지고있어서 N극을 코일 안으로 밀어넣으면 (에너지 보존 법칙에 의해) 작용 반작용 느낌으로 그것을 방해하는 자기장이 생기면서 자기장을 만들기 위해 전류가 흐르게된다.

(만약 이때 그림과 반대인 방향으로 전류가 생긴다면 자기장도 반대방향이 되고 그럼 자석을 당기게돼서 무한동력이 되기 때문에 에너지가 생길거면 작용 반작용처럼 반대되는 힘이 생기는게 맞는것같다.)

내가 힘을 준만큼 전류로 변했고 더이상 힘을 주지않고 멈추면 전류는 생기지 않는다.

자석이 도체에서 멀어질 때 역시 방해하는 자기장이 생기며 전류가 흐른다 (가까워질때랑 반대로 흐른다)

발전기 #

당연히 도체가 많을수록, 자석이 강할수록, 자석과 코일 사이의 상대속도가 빠를수록 전기가 많이 발생한다.
자석을 움직이는 힘은 수력, 풍력, 원자력, 화력 등으로 움직이고 이게 교류전류의 생성 방법이다.

220V 전류는 효과전압이 220V 라는건데, 직류전압 220V와 같은 전류를 전달할 수 있는 교류전압의 값 311V를 의미한다.

311V까지 올라갔다가 -311V까지 내려오는데 이 패턴 한번이 반복되면 1hz이다. 전류의 공급은 전자 이동방향이 아니라 이동 여부에서 발생되기 때문에 전압이 0인 지점에서만 전류가 공급되지 않는다. = 한국의 경우 220V 60Hz인데, 형광등은 1초에 120번 깜빡인다.

발전은 매 순간 필요한 만큼만 발전된다. 너무 많이 생성되면 주파수나 전압이 일정치 못한 전기가 되며, 자동화된 공장이 생산하는 물건의 품질도 균일하지 못하게된다.

이를 방지하기 위해 과공급된 전류는 전력 저장시설에 저장하고 남은건 접지에 의해 땅으로 흘려보내고, 부족한 전류는 저장시설에서 끌어오는 작업으로 채워넣는다.

좋은 발전소의 조건중 하나는 전기의 수요에 따라 빠르게 변화해서 최대한 균일한 품질의 전류를 생산하는 것이다.

전기 보내기 #

직류와 교류 #

발전소와 집의 관계에 대해 짚고 넘어가야할 것이 있다. 그림에서 보면 배터리의 위치가 발전소이고, 전구의 위치가 전력을 공급받는 가정집이다.

직류는 배터리를 연결한것처럼 한방향으로 흐르는 전류이고, 교류는 배터리의 방향이 계속 바뀌는 전류인것이다.

결국 교류전류라고 해봤자 콘센트의 한쪽에서 측정한 전압일 뿐이고 전체적인 회로 관점에서 보면 전류의 방향은 전구 입장에서 빛을 밝히는데 아무런 문제가 없다.

즉, 교류라고 해서 마이너스일때도 발전소의 한 방향이 마이너스, 다른 한 방향이 플러스이며, 전기에너지는 발전소(전원)에서 만들어져 집(저항)에서 소모될 뿐이다.

이제 콘센트에 플러그를 어떤 방향으로 끼워도 상관없는 이유를 알게 됐을것이다.

송전 #

발전기 #

발전기는 위와같이 생겼다. 단상(교류전류 한개)보다 3상을 만드는게 정류(교류->직류) 시 더 효율적이라 3상을 사용하고 있다.
전압 그래프는 한쪽 전압을 기준으로 측정한것이고, 회로는 완성돼야 전류가 흐르기 때문에 양쪽 모두 연결되어 있어야한다.

단상 기준으로 양쪽 끝이 발전소의 변압기에 연결되어 있고, 전력손실을 막기 위해 고전압으로 변압하는 과정을 거친다.

변압기 #

변압기의 원리는 간단하다. 왼쪽 빨간 전류(i1)에 의해 빨간 자속이 생기고, 그걸 방해하려는 파란자속이 생기면서 오른쪽 코일에 파란 전류가 유도된다.
전류가 계속해서 유도되려면 자기장의 변화가 있어야하는데, 계속해서 방향이 변하는 교류전류를 흘려보내주기만 하면 되기 때문에 교류가 변압이 쉬운 이유이다.

같은 전력인데, 코일을 많이 감을수록 방해하는 강한 방해자속이 생기고, 반대편에선 적게 감았기 때문에 자속에 의해 낮은 전압과 높은 전류가 만들어진다.

전압이 높아지면 전류가 낮아져 전류의 손실이 그만큼 줄어들게 되는것이다.
변압은 처음 발전기에서 승압하고, 고압으로 송전 후 강압시켜 각 가정집에 배분한다.

송전 #

직류송전파 에디슨과 교류송전파 전류를 가지고 오랜시간 싸웠다. 에디슨이 교류에 대해 위험하다는 FUD를 날리고, 직류는 안전하다는것을 내세웠고, 테슬라는 교류의 효율성을 실험하며 내세웠다.
결국 테슬라를 고용한 웨스팅 하우스에서 테슬라의 목숨을 이용해 교류도 안전하다고 증명하며 대형계약을 따내며 테슬라와 웨스팅하우스 승리로 끝났다.

안전은 200mA의 전류가 교류는 0.5초, 직류는 2초가 흘러야 사람이 다치기 때문에 직류가 좀더 안전하긴 하다.

당시에는 직류의 전압을 높일 기술이 없어서 에디슨이 졌지만, 현대에는 초고압직류송전(HVDC)가 가능해지면서 500km 이상의 장거리의 경우 직류가 효율적이라고 한다.

배전 #

발전소부터 송전된 전기를 가정집에 분배하는 과정이다.
딱히 원리가 있는건 아니다.

전기 사용하기 #

가정집에서는 교류전류가 들어오고, 콘센트와 연결된 전자기기들이 전기에너지를 사용하게 된다.

만약 가전제품들이 직렬로 연결되었다면 가전제품이 많이 연결될수록 각 가전제품의 전압이 줄어들기 때문에 전압이 유지되는걸 전제로한 회로에서는 문제가 생길 수 있다.

그렇기 때문에 가전제품은 다 병렬로 연결되고, 모든 가전제품에 220V의 동일한 전압을 줄 수 있는 대신 저항(전기에너지 사용처)을 달아 필요한만큼 전류량을 조절한다.

멀티탭도 병렬로 연결해서 전류를 많이 필요로 하게되고 문어발식 제품을 연결해서 허용 전류를 넘어서면 불이 날 수 있다.

컴퓨터 #

컴퓨터를 알아보기 전에 전자회로 를 공부해라

파워서플라이 #

출처 : https://blog.daum.net/hanarm/16511208 자세히 알아보기 : https://www.flayus.com/it/48010433

컴퓨터 파워선을 교류 220V에 연결되어 있는데, 컴퓨터는 사용중 꺼지면 안되니까 직류로 변환해서 사용해야한다. 전력이 필요한 부품에 전력을 분배하는 역할도 있다.

1. EMI필터부 : 교류는 파동을 일으켜 잡음이 많이 발생하기 때문에 필터부를 통해 잡음을 필터링 해준다. 또 직류로 정류될때 교류라인으로 역류하는것도 필터링해 막아준다.
2. 교류->직류 정류부 : 임시로 311V의 직류로 변경해준다. 맥동직류는 아직 불안정한 직류인데, 다이오드와 트랜지스터로 이뤄진 정전압 회로를 거쳐 안정적인 직류를 만들어준다.
3. 직류->직류 스위칭 변환부 : 311V의 직류를 각종 부품이 필요로 하는 3.3V/5V/12V 등으로 감압한다.
4. 출력부 : 마지막 필터링을 거쳐 완벽한 직류를 만들고 각 부품에 전기를 공급한다.
5. 검사 : 위 작업이 끝나면 내부적으로 부품검사 후 메인보드로 Power Good Signal을 보낸다.

사실 간단한 직류전원장치는 거짓말 조금 보태서 다이오드 1개로도 가능하다. 하지만 컴퓨터는 예민하기 때문에 여러 필터 과정과 깔끔한 직류를 위해 회사마다 자신만의 기술을 추가한다. 그래서 비싸지는것. 거기에 쇼트방지 이런 부가서비스도 추가된다.

(전력)W = V * A
파워서플라이는 용량이라는게 존재한다. 이 용량은 최대로 파워서플라이가 낼수있는 힘(최대전력)이라고 보면 된다.
컴퓨터의 부품마다 전압이 다르고 부품이 얼마나 갈궈지냐에 따라 필요한 전류가 다르다.
전류를 더 많이 요구할 수 있지만, 파워가 버틸 수 있는 정도가 파워의 용량이라고 생각하면 된다. 파워의 정격 용량을 넘어서는 순간 회로의 안전을 위해 차단된다.
W 수가 높을 수록 캐패시터의 용량이 커져 축전을 더 많이 해둘 수 있게 된다.

하지만 파워 용량이 무조건 높다고 좋은건 아니다. 내부에서 여러 과정을 거치면서 열도 발생하고, 그걸 또 쿨러로 식혀줘야돼서 전류를 100% 사용할 수 없다. 이 효율을 인증마크로 해둔게 80PLUS 인증이다.