直流

直流（DC ）は電荷の一方向の流れです。電気化学セルはDC電力の代表的な例です。直流は電線などの導体を流れることもありますが、半導体、絶縁体、さらには電子ビームやイオンビームのように真空中を流れることもあります。電流は一定の方向に流れるため、交流（AC）と区別されます。このタイプの電流は以前ガルバニック電流と呼ばれていました。^[1]

ACとDCという略語は、電流や電圧を変化させるときに、単に交流と直流を意味するためによく使用されます。^[2]^[3]

直流は、整流器を使用して交流電源から変換できます。整流器には、電流が一方向にのみ流れるようにする電子素子 (通常) または電気機械素子 (歴史的)が含まれています。直流は、インバーターを介して交流に変換できます。

直流電流は、バッテリーの充電から電子システム、モーターなどの大容量電源まで、さまざまな用途に使用されています。直流電流によって供給される非常に大量の電気エネルギーは、アルミニウムの製錬やその他の電気化学プロセスで使用されます。また、特に都市部では、一部の鉄道でも使用されています。高電圧直流電流は、遠隔地の発電所から大量の電力を伝送したり、交流電力網を相互接続したりするために使用されます。

歴史

直流電流は、1800年にイタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタの電池、ボルタ電池によって生み出されました。^[5]電流がどのように流れるかの性質はまだ理解されていませんでした。フランスの物理学者アンドレ・マリー・アンペールは、電流はプラスからマイナスへの一方向に流れると推測しました。^[6]フランスの計器製作者イポリット・ピクシーが1832年に最初のダイナモ発電機を製作したとき、彼は、使用された磁石が半回転ごとにワイヤのループを通過すると、電気の流れが逆転し、交流電流が発生することを発見しました。^[7]アンペールの提案により、ピクシーは後に整流子を追加しました。これは、シャフトの接点が「ブラシ」接点と連動して直流を生成する一種の「スイッチ」です。

1870年代後半から1880年代前半にかけて、発電所で電気が作られるようになりました。これらは当初、非常に高い電圧（通常3,000ボルト以上）の直流または交流で稼働するアーク灯（一般的な街灯の一種）に電力を供給するために設置されました。^[8]その後、発明家のトーマス・エジソンが1882年に白熱電球をベースにした電気「ユーティリティ」を立ち上げた後、ビジネスや家庭の屋内電気照明に低電圧の直流が広く使用されるようになりました。直流に比べて交流の方が、変圧器を使用して電圧を上げ下げすることではるかに長い伝送距離を可能にするという大きな利点があるため、その後数十年で直流は電力供給において交流に置き換えられました。1950年代半ばには、高電圧直流送電が開発され、現在では長距離高電圧交流システムの代わりの選択肢となっています。長距離海底ケーブル（NorNedなど、国同士を結ぶものなど）の場合、このDCオプションが技術的に実現可能な唯一のオプションです。第三軌条電力システムなどの直流を必要とするアプリケーションの場合、交流電流が変電所に配電され、変電所は整流器を使用して電力を直流電流に変換します。

さまざまな定義

DCという用語は、電圧または電流の1つの電気極性のみを使用する電力システムを指す場合と、電圧または電流の一定、ゼロ周波数、またはゆっくり変化する局所平均値を指す場合に使用されます。 ^[9]たとえば、DC電圧源の両端の電圧は一定であり、直流電流源を流れる電流も一定です。電気回路のDCソリューションは、すべての電圧と電流が一定であるソリューションです。定常電圧または電流波形は、DC成分とゼロ平均時間変動成分の合計に分解できます。DC成分は、期待値、つまり全時間にわたる電圧または電流の平均値として定義されます。

DC は「直流」の略ですが、多くの場合「一定極性」を意味します。この定義では、整流器の生の出力や電話回線の変動する音声信号に見られるように、DC 電圧は時間とともに変化することがあります。

一部の形式の DC (電圧レギュレータによって生成されるものなど) では電圧にはほとんど変化がありませんが、出力電力と電流には依然として変化が生じる可能性があります。

回路

直流回路は、定電圧源、定電流源、抵抗器の任意の組み合わせで構成される電気回路です。この場合、回路の電圧と電流は時間に依存しません。特定の回路電圧または電流は、回路電圧または電流の過去の値に依存しません。これは、DC 回路を表す方程式のシステムには、時間に関する積分や微分が含まれていないことを意味します。

コンデンサまたはインダクタをDC 回路に追加した場合、厳密に言えば、結果として得られる回路は DC 回路ではありません。ただし、このような回路のほとんどには DC 解が存在します。この解は、回路がDC 定常状態にあるときの回路の電圧と電流を示します。このような回路は、微分方程式のシステムで表されます。これらの方程式の解には通常、一定または定常状態の部分だけでなく、時間によって変化する部分または過渡的な部分も含まれます。この定常状態部分が DC 解です。DC 解を持たない回路もあります。単純な例として、コンデンサに接続された定電流源とインダクタに接続された定電圧源の 2 つが挙げられます。

電子工学では、バッテリーなどの DC 電圧源や DC 電源の出力によって電力が供給される回路を、実際には回路が DC 電源で駆動されていることを意味するにもかかわらず、DC 回路と呼ぶのが一般的です。

DC 回路では、電源 (バッテリー、コンデンサなど) には正極と負極があり、同様に負荷にも正極と負極があります。回路を完成するには、正電荷が電源から負荷に流れる必要があります。その後、電荷は負荷の負極に戻り、バッテリーの負極に戻って回路が完成します。正極または負極のいずれかの端子が切断されると、回路は完成せず、電荷は流れません。

一部の DC 回路アプリケーションでは極性は重要ではありません。つまり、プラスとマイナスを逆に接続しても回路は完全であり、負荷は正常に機能します。ただし、ほとんどの DC アプリケーションでは極性は重要であり、回路を逆に接続すると負荷が正常に機能しなくなります。

アプリケーション

住宅および商業ビル

DC は、多くの超低電圧アプリケーションや一部の低電圧アプリケーション、特にバッテリーや太陽光発電システムで電力が供給されるアプリケーションでよく使用されます(どちらも DC しか生成できないため)。

ほとんどの電子回路やデバイスには DC電源が必要です。

家庭用 DC 設備では通常、交流に適したものとは異なるタイプのソケット、コネクタ、スイッチ、および器具が使用されます。これは主に、使用される電圧が低いため、同じ量の電力を生成するのにより高い電流が必要になるためです。

DC 機器の場合、これを補正するためのダイオードブリッジがデバイスに備わっていない限り、極性を観察することが通常重要です。

自動車

ほとんどの自動車アプリケーションは DC を使用します。自動車バッテリーは、エンジン始動、照明、点火システム、空調コントロール、インフォテインメントシステムなどに電力を供給します。オルタネーターは、整流器を使用してバッテリー充電用の DC を生成する AC デバイスです。ほとんどの高速道路乗用車は、公称 12 Vシステムを使用します。ディーゼルエンジンを搭載した大型トラック、農機具、土木機械の多くは、24 ボルトシステムを使用します。一部の古い車両では、オリジナルのクラシックなフォルクスワーゲンビートルのように 6 V が使用されていました。一時期、自動車用に42 V の電気システムが検討されましたが、ほとんど使用されませんでした。重量と配線を節約するため、車両の金属フレームがバッテリーの 1 つの極に接続され、回路の戻り導体として使用されることがよくあります。多くの場合、負極はシャーシの「接地」接続ですが、一部の車輪付き車両や船舶車両では正極接地が使用されることがあります。バッテリー電気自動車では、通常、2 つの独立した DC システムがあります。「低電圧」DCシステムは通常12Vで動作し、内燃機関車両と同じ目的を果たします。^[10]「高電圧」システムは300〜400V（車両によって異なります）で動作し、牽引モーターに電力を供給します。^[11]牽引モーターの電圧を上げると、モーターを流れる電流が減少し、効率が向上します。

通信

電話交換通信機器は、標準の -48 V DC 電源を使用します。負極性は、電源システムの正極端子とバッテリーバンクを接地することで実現されます。これは、電気分解による堆積を防ぐためです。電話設備には、停電時に加入者回線への電力供給が維持されるようにバッテリーシステムが備わっています。

その他のデバイスは、 DC-DC コンバータを使用して通信 DC システムから電力を供給され、任意の電圧が提供されます。

多くの電話機はツイストペア線に接続され、バイアスティーを使用して、2 本の線間の電圧の AC 成分 (オーディオ信号) と 2 本の線間の電圧の DC 成分 (電話機の電源として使用) を内部的に分離します。

高電圧送電

高電圧直流 (HVDC) 電力伝送システムは、より一般的な交流システムとは対照的に、電力の大量伝送に直流を使用します。長距離伝送の場合、HVDC システムはコストが低く、電気損失も少なくなります。

他の

燃料電池（水素と酸素を触媒と混合して電気と副産物として水を生成する）を使用するアプリケーションも、DC のみを生成します。

軽飛行機の電気システムは、通常、自動車と同様に 12 V または 24 V DC です。

参照

参考文献

^ Andrew J. Robinson、Lynn Snyder-Mackler (2007)。臨床電気生理学：電気療法と電気生理学的 検査（第3版）。Lippincott Williams & Wilkins。p . 10。ISBN 978-0-7817-4484-3。
^ NN Bhargava および DC Kulshrishtha (1984)。電子工学と線形回路の基礎。Tata McGraw-Hill Education。p . 90。ISBN 978-0-07-451965-3。
^ 全米電灯協会 (1915)。電気メーターマンハンドブック。Trow Press。p. 81。
^メル ・ゴーマン。「チャールズ・F・ブラッシュとアメリカ初の公共電気街路照明システム」。オハイオの歴史。70 。ケント州立大学出版局：142。^{[永久リンク切れ‍ ]}
^ “Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta – grants.hhp.coe.uh.edu”. 2017年8月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年5月29日閲覧。
^ ジム・ブライトハウプト (2010)。物理学。パルグレイブ・マクミラン。 p. 175.ISBN 9780230231924。
^ 「Pixii Machine は Hippolyte Pixii によって発明されました。国立高磁場研究所」。2008 年 9 月 7 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008 年 6 月 12 日閲覧。
^ 「最初の電灯形態炭素アークランプの歴史（1800～1980年代）」。
^ Roger S. Amos、Geoffrey William Arnold Dummer (1999)。Newnes Dictionary of Electronic (第4版)。Newnes。p. 83。ISBN 0-7506-4331-5。
^ Pradhan, SK; Chakraborty, B. (2022-07-01). 「バッテリー管理戦略：バッテリーの健全性状態監視技術に関する必須レビュー」. Journal of Energy Storage . 51 : 104427. doi :10.1016/j.est.2022.104427. ISSN 2352-152X.
^ Arcus, Christopher (2018年7月8日). 「Tesla Model 3とChevy Boltのバッテリーパックを検証」CleanTechnica . 2022年6月6日閲覧。

外部リンク

ウィキメディア・コモンズの直流に関連するメディア
AC/DC: 違いは何か? 2017-08-26 にWayback Machineでアーカイブ– PBS Learning Media
DC および AC 電源アーカイブ 2016-12-28 at the Wayback Machine – ITACA

[1] ^ Andrew J. Robinson、Lynn Snyder-Mackler (2007)。臨床電気生理学：電気療法と電気生理学的 検査（第3版）。Lippincott Williams & Wilkins。p . 10。ISBN 978-0-7817-4484-3。

[2] NN Bhargava および DC Kulshrishtha (1984)。電子工学と線形回路の基礎。Tata McGraw-Hill Education。p . 90。ISBN 978-0-07-451965-3。

[3] 全米電灯協会 (1915)。電気メーターマンハンドブック。Trow Press。p. 81。

[4] ^メル ・ゴーマン。「チャールズ・F・ブラッシュとアメリカ初の公共電気街路照明システム」。オハイオの歴史。70 。ケント州立大学出版局：142。^{[永久リンク切れ‍ ]}

[5] “Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta – grants.hhp.coe.uh.edu”. 2017年8月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年5月29日閲覧。

[6] ジム・ブライトハウプト (2010)。物理学。パルグレイブ・マクミラン。 p. 175.ISBN 9780230231924。

[7] 「Pixii Machine は Hippolyte Pixii によって発明されました。国立高磁場研究所」。2008 年 9 月 7 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008 年 6 月 12 日閲覧。

[8] 「最初の電灯形態炭素アークランプの歴史（1800～1980年代）」。

[9] Roger S. Amos、Geoffrey William Arnold Dummer (1999)。Newnes Dictionary of Electronic (第4版)。Newnes。p. 83。ISBN 0-7506-4331-5。

[10] Pradhan, SK; Chakraborty, B. (2022-07-01). 「バッテリー管理戦略：バッテリーの健全性状態監視技術に関する必須レビュー」. Journal of Energy Storage . 51 : 104427. doi :10.1016/j.est.2022.104427. ISSN 2352-152X.

[11] Arcus, Christopher (2018年7月8日). 「Tesla Model 3とChevy Boltのバッテリーパックを検証」CleanTechnica . 2022年6月6日閲覧。