반파 정류기 실험: 소형 DC 모터 구동 회로 제작, 측정, 시뮬레이션

개요

이 실습 실험에서는 저전압 AC 전원을 DC 바이어스 신호로 변환해 소형 영구 자석 모터를 구동하는 반파 정류기를 만듭니다. 결과적인 DC 바이어스와 리플 전압 측정법, 오디오 검출기로 리플 청취, SPICE 시뮬레이션으로 동작 검증을 배웁니다.

부품 및 재료

• 저전압 AC 전원 장치 (6V 출력)
• 6V 배터리
• 1N4001 정류 다이오드 1개 (또는 1N400X 시리즈)
• 소형 하비 모터, 영구 자석 타입 (예: Radio Shack #273-223)
• 헤드폰 장착 오디오 검출기
• 0.1µF 커플링 커패시터 (예: Radio Shack #272-135)

0.1µF 커패시터는 오디오 검출기를 회로에 결합해 AC만 검출기에 도달하게 합니다. 정확한 값은 중요하지 않으며, 0.27µF~0.015µF 범위에서 성공적으로 사용했습니다. 값이 낮으면 저주파 성분이 감쇠해 헤드폰 음량이 줄어드니, 톤이 약하면 더 높은 값을 쓰세요.

참조 자료

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, Chapter 3: "Diodes and Rectifiers" (다이오드와 정류기)

학습 목표

• 다이오드의 정류기 역할 이해
• AC 대 DC 전원에서 모터 동작 비교
• 디지털 전압계로 리플 전압 측정

회로도

 

 

실물 배선도

 

 

실험 방법

1. 회로도대로 모터를 정류 다이오드를 통해 6V AC 전원에 연결하세요. 다이오드는 양의 반주기만 통과시켜 펄세이팅 DC를 만들어 모터를 한 방향으로 돌립니다.
2. 점퍼 와이어로 모터 단자를 순간 단락시켜 전체 AC 파형이 모터에 닿게 해보세요. 모터가 멈추거나 잘 돌지 않습니다.
3. 점퍼를 제거하고 다이오드 방향을 반대로 하세요. 모터 동작 변화를 관찰하세요. 이제 모터가 반대 방향으로 부드럽게 돌아야 합니다.
4. 전압계를 DC 모드로 설정해 모터 단자 양단 DC 전압을 측정하세요. 이 읽기는 반파 정류 신호의 평균 바이어스를 반영합니다.
5. 미터를 AC 모드로 바꿔 리플 전압을 측정하세요. 이 읽기는 DC 바이어스 위에 중첩된 AC 성분을 나타냅니다. 10kΩ 부하에서 6V 소스의 경우 통상 3~4V 피크-피크 정도입니다.
6. 이 읽기들을 6V 배터리로 모터를 구동했을 때의 값과 비교하세요. 배터리는 거의 순수한 DC를 내며 리플은 무시할 만합니다. 측정된 AC는 모터 정류자 동작 때문일 것입니다.

오디오 검출기로 리플 청취

검출기 감도를 낮게 설정하고 0.1µF 커패시터를 통해 모터 단자 양단에 연결하세요. 커패시터는 하이패스 필터로 DC를 차단하고 AC 리플만 듣게 합니다.

배터리 사용 시 검출기에서 높은 음의 버즈음이 납니다. 배터리를 AC 전원과 정류기로 바꾸면 반파 정류 특성으로 음조가 낮아집니다.

컴퓨터 시뮬레이션

노드 번호가 표시된 SPICE 회로도:

 

 

넷리스트 (다음 내용을 텍스트 파일에 복사):

Halfwave rectifier
v1 1 0 sin(0 8.485 60 0 0)
rload 2 0 10k
d1 1 2 mod1
.model mod1 d
.tran .5m 25m
.plot tran v(1,0) v(2,0)
.end

시뮬레이션은 입력 정현파와 출력이 양의 "혹"들로 이루어진 펄스 열임을 보여줍니다. AC 소스는 6V RMS 정현파에 맞춰 8.485V 피크로 지정되었습니다.

관련 워크시트

• Precise Diode Circuits Worksheet