실험 1 : 정류기 (Rectifier)

【 이론 】

반파정류기(Half-Wave Rectifier)

교류를 직류로 변화시킬 때 다이오드를 사용하는 데 이를 정류기라 하며, 그 과정을 정류라고 한다. 정류의 가장 기본적인 방법은 그림 9-1에 보인 반파정류회로이다. 변압기의 2차 전압이 정의 반주기(

$$ V_AB

가 +)일 때 다이오드

$$ D_1

은 순방향 바이어스가 되며, 따라서 전압원에 대하여 매우 낮은 저항값을 나타내므로 2차 전압의 대부분이 부하저항

$$ R_L

양단에 나타난다. 순방향 바이어스된 다이오드는 대표적으로 실리콘의 경우 0.5V에서 1.0V, 게르마늄의 경우 0.2V에서 0.6V의 순방향 전압강하를 나타낸다. 회로해석을 간단히 하기 위해 전압강하는 대부분 무시하며, 특히 공급전압이 높을 경우에는 다이오드의 순방향 전압강하는 출력전압에 대하여 아주 작은 비율이 된다.

그림 9-1(b)는 반파정류기의 동작을 설명한 것이다. 여기서 출력

$$ V_CD~

는 변압기전압

$$ V_AB~

가 부(-)일 때 0이 됨을 주목하라. 이것은 다이오드가 역방향바이어스(음극에 대하여 양극이 부가된다)가 되기 때문이다. 이상적으로, 개방회로와 같다. 평균 직류전압(

$$ V_dc

)은 최대치의 0.318배(

$$ 0.318 = 1/ pi

)와 같다. 대부분의 전압계는 평균값을 나타내므로 반파정류회로에 대하여 최대전압의 0.318을 지시하게 된다. 그러나 전력을 계산하기 위해서는 실효치가 사용되어야 한다. 반파정류회로에 대한 실효전압은 최대치의 0.5배이다.

반파의 경우,

 

$$ V_"rms " = 0.5V_P~

전압을 나타내는 이러한 2가지 다른 방법은 혼란의 요인이 될 수 있다. 다행히도 우리가 보통 다루는 직류에서는 실효치와 평균치가 거의 같으므로 대개는 염려하지 않아도 된다. 부하의 평균 전압을 부하저항으로 나눔으로써 얻어지는 전류를 평균전류

$$ I_o

라고 한다.

순방향 바이어스시 전압강하는 매우 작다. 그러나 역방향 바이어스시 최대입력전압은 다이오드 양단에서의 전압강하로 나타난다. 이것을 첨두역전압(peak reverse voltage ; PRV)이라고 한다. 모든 다이오드가 초과해서는 안되는 최대허용 PRV정격을 가지며, 이를 초과할 경우 소자는 타버리게 된다. 다이오드가 역바이어스시 그림 9-1(b)의 다이오드전압

$$ V_AC

는

$$ V_AB

를 따르며, 이 때문에 다이오드는 매우 큰 저항값을 갖게 된다. 또한

$$ D_1

이 순방향 바이어스시 전압강하(

$$ V_AC

)는 "0"이 아니며, 작은 정의 값을 가짐에 주의하라. 이것이 다이오드의 순방향 전압강하이며, 보통 1V이하이다.

전파 정류기(Full-Wave Rectifier)

일반적으로 교류를 직류로 변환시키는 더욱 유용하고 효율적인 방법은 교류입력신호의 정-부 영역을 모두 활용하는 것이다. 이러한 목적을 위하여 사용되는 두 가지 회로가 있는데 그중 한 가지를 그림 9-2에 나타내었다. 이 방법은 입력파형 전부를 직류출력으로 이용하므로 전파정류라고 알려져 있다.

그림 9-2의 중간탭(center-tap)정류기는 중간탭이 있는 2차권선을 사용한 것이다. 어떤 순간에 전압의 극성이 그림과 같다면 양극이 음극에 대하여 정의 극성을 가지므로

$$ D_1

은 순방향 바이어스가 되어 전도상태가 되며, 이에 반하여

$$ D_2

는 역방향바이어스가 되어 비전도상태가 된다. 그러므로 단지

$$ D_1

만이 부하에 전류를 공급하게 된다.

교류의 다음 반주기에서는 변압기 2차 전압의 극성이 반전되므로 상황이 반대로 된다. 그러므로

$$ D_1

은 역방향바이어스,

$$ D_2

는 순방향 바이어스가 되어

$$ D_2

가 부하에 전류를 공급하게 된다. 각 다이오드는 반주기동안만 전도상태가 되므로(교대로 반주기), 반파정류 전류의 2배가 되는 부하전류가 공급된다.

이에 대한 출력파형을 그림 9-3에 나타내었다. 여기서, 실질적으로 주파수가 2배로 증가하는 현상이 출력에서 나타남을 유의하라. 이는 출력파형의 주기 T가 교류입력신호의 1/2이 되기 때문이다. 주파수는 주기의 역수임을 상기하라 (

$$ f = 1/T~

).

대부분의 직류전원장치에서 진공관다이오드가 실리콘다이오드로 대치되었을 때까지 중간탭회로는 가장 보편적인 전파정유회로였다. 그러나, 현재는 저렴한 가격, 높은 신뢰도 및 작은 크기의 실리콘다이오드의 출현으로 브리지회로가 가장 보편적인 형태가 되었다.

그 이유는 중간탭회로와 같은 정도의 출력을 얻는데 필요한 변압기의 크기를 축소할 수 있기 때문이다. 중간탭회로에서는 정-부의 각 반주기 동안에 교대로 전류가 변압기의 2차측을 반분하여 반대방향으로 흐른다.