전압 3배 회로(전압 트리플러) 제작 단계별 가이드

전압 트리플러 회로도 및 작동 원리

전압 트리플러란?

전압 트리플러 회로는 입력 전압을 3배로 만드는 회로로, 출력 전압이 입력 피크 전압의 3배가 됩니다. 다이오드와 커패시터만으로 전압 트리플러 회로를 매우 쉽게 만들 수 있습니다. 전압 트리플러 회로는 실제로 피크 입력 전압의 2배, 3배, 4배 출력 전압을 제공하는 승압 회로(multiplier circuits)의 일종입니다.

전압 승압 회로는 고전압과 저전류가 필요할 때 사용됩니다. 또한 트랜스포머 크기를 줄이거나 때로는 제거하는 데도 사용됩니다. 저전류가 필요할 때 저전압 AC를 고전압 DC로 변환하는 데 매우 유용합니다.

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필요한 구성 요소

• 1N4007 다이오드 3개
• 22μF 커패시터 3개
• 9-0-9 강압 트랜스포머
• 디지털 멀티미터

다이오드 (1N4007)

다이오드는 한 방향으로만 전류 흐름을 허용하는 단방향 소자입니다. 정류기, 신호 처리, 신호 클리핑/클램핑, 신호 검출, 신호 혼합 등 많은 전자 응용 분야에 사용됩니다. 애노드와 캐소드 두 단자가 있습니다. 전류는 애노드에서 캐소드로 흐릅니다.

실제로 다이오드는 반도체 원리로 작동합니다. 자유 전자 기반으로 N형과 P형 두 가지 반도체 유형이 있습니다.

N형 반도체는 자유 전자가 많고 정공(양공)은 매우 적습니다. 전자가 다수 캐리어이고 정공이 소수 캐리어입니다. P형 반도체는 정공 농도가 높고 전자 농도는 매우 낮습니다. 다수 캐리어는 정공, 소수 캐리어는 전자입니다.

P형과 N형 영역이 접촉하면 다수 캐리어가 한쪽에서 다른 쪽으로 확산됩니다. N형 영역에 정공이 적고 P형 영역에 전자가 적으므로 농도 차이로 전자가 P형 영역으로, 정공이 N형 영역으로 이동합니다. N형 영역의 전자가 P형 영역의 정공과, P형 영역의 정공이 N형 영역의 전자와 재결합하면 N측에 양이온 층, P측에 음이온 층이 나타납니다.

이 두 이온 층은 두 영역/반도체의 접합선을 따라 나타납니다. 이 영역에는 모든 전하가 재결합하여 전하가 없으므로 고갈 영역(depletion region) 또는 고갈 층(depletion layer)이라고 합니다.

고갈 층이 형성되면 이 고갈 영역에서 생성된 전기장으로 인해 양쪽 영역에서 전하 캐리어의 확산이 더 이상 발생하지 않습니다.

다이오드의 P측을 배터리 양극에, N측을 음극에 연결하면 순방향 바이어스(forward biasing)라고 합니다. 전압을 0부터 증가시키면 처음에는 전류가 흐르지 않습니다. 고갈 층의 전위 장벽을 넘을 만큼 전압이 충분하지 않기 때문입니다. 다이오드 양단에 가해진 전압이 임계값보다 커지면 전류가 흐르기 시작합니다.

다이오드의 N측을 배터리 음극에, P측을 양극에 연결하면 역방향 바이어스(reverse biasing)라고 합니다. 이 바이어스가 적용되면 P측의 음전자가 음극으로, N측의 정공이 양극으로 끌립니다. 결과적으로 고갈 층이 넓어져 다이오드가 전류를 차단합니다. 그래서 다이오드는 단방향 소자입니다.

커패시터

커패시터는 전하 형태로 에너지를 저장하는 장치입니다. 많은 전자 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 커패시터는 두 금속 판과 그 사이에 채워진 유전체 물질로 구성됩니다. 이 두 판에 전위 차를 가하면 판 사이에 전기장이 생성됩니다. 양전하는 음극에, 음전하는 양극에 모입니다.

이 과정은 두 판이 충분한 전하를 가질 때까지 계속되며, 이때 커패시터는 완전 충전 상태가 됩니다. 두 판은 극성이 다른 동일한 전하를 가집니다. 이 판 사이에 전기장이 생깁니다. 이것이 커패시터가 전하를 유지하는 방식입니다. 이제 커패시터 두 판 사이에 유전체가 왜 채워져 있는지 살펴보겠습니다.

유전체 분자는 극성을 띠어 판에 가해진 전하에 따라 어느 쪽으로든 이동할 수 있습니다. 따라서 분자들은 더 많은 전자가 음극으로 끌리고 더 많은 전자가 양극에서 밀려나도록 정렬됩니다. 충전 후 배터리를 제거하면 커패시터는 이 전하를 오랫동안 유지할 수 있습니다. 이렇게 에너지 저장 소자 역할을 합니다. 커패시터 양단에 부하를 연결하면 방전이 시작되고 연결된 부하를 통해 전류가 흐릅니다.

커패시터는 많은 곳에서 사용됩니다. 이 프로젝트의 응용 분야 중 하나입니다. 바이패스 커패시터로도 사용됩니다. 바이패스 커패시터는 IC와 함께 전원 공급 노이즈를 필터링하는 데 사용되며, 스위칭으로 인한 리플과 변동을 처리합니다. 전원 공급이 차단되는 시점에 커패시터가 임시 전원 공급 역할을 합니다. 정류기에서도 사용됩니다. 정류기는 다이오드로 구성되지만 커패시터 역할도 중요합니다.

정류기 출력은 연속 파형인데 커패시터를 통과하면 충방전으로 인해 매끄러운 DC 신호로 변환됩니다. 커패시터의 또 다른 응용은 신호 필터링입니다. 신호 처리에서 널리 사용되는 필터 설계에 사용됩니다. 라디오에서 주파수 튜닝하여 원하는 채널을 선택하는 데 사용됩니다. 마지막으로 커패시터는 에너지 저장에 사용됩니다. 일반 배터리보다 수명이 훨씬 길고 충방전 시간이 정말 짧아 전력을 훨씬 빠르게 공급할 수 있습니다.

전압 트리플러 회로도

회로는 정말 매우 간단합니다. 브레드보드에 만들거나 퍼프보드에 납땜할 수 있습니다. 회로도만 따라하면 됩니다. 먼저 트랜스포머의 9V 단자를 커패시터 양극에 연결하세요. 이제 이 커패시터 음극을 다이오드 양극에 연결하고, 이 다이오드 음극을 트랜스포머의 0V 단자에 연결하세요. 이제 다른 다이오드 음극을 이 다이오드 양극에 연결하고 양극을 다른 커패시터 음극에 연결한 후 이 커패시터 양극을 트랜스포머 0V 단자에 연결하세요.

이제 세 번째 커패시터 양극을 이전 다이오드 음극에 연결하고 음극을 세 번째 다이오드 양극에 연결한 후 이 다이오드 음극을 트랜스포머 0V 단자에 연결하세요.

220V 교류 전원을 낮추기 위해 9-0-9 트랜스포머를 사용합니다. 첫 번째 양의 반주기에서 다이오드 D1이 순방향 바이어스되어 커패시터 C1이 D1을 통해 피크 전압 값(Vpeak)까지 충전됩니다. 그리고 음의 반주기에서 다이오드 D2가 순방향 바이어스되고 D1은 역방향 바이어스됩니다. D1은 커패시터 C1의 방전을 막습니다. 커패시터 C2는 C1의 전압(Vpeak)과 교류 메인의 음의 피크 전압이 합쳐져 2Vpeak까지 충전됩니다.

두 번째 양의 반주기에서 다이오드 D1과 D3이 도통하고 D2는 역방향 바이어스됩니다. 커패시터 C3은 C2와 같은 전압인 2Vpeak까지 충전됩니다. 이제 커패시터 C1과 C3이 직렬로 연결되어 있으므로 이 커패시터들 양단의 총 전압은 Vpeak + 2Vpeak = 3Vpeak가 됩니다. 이렇게 입력 전압의 3배 값이 출력으로 나옵니다. 분석적으로 위 계산이 맞지만 실제적 측면도 고려해야 합니다. 실제로 다이오드 양단에도 전압 강하가 발생하므로 출력 전압은 입력 전압의 정확히 3배가 아닙니다. 다음과 같습니다:

Vout = 3 × Vpeak – 다이오드 전압 강하

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전압 트리플러 회로 작동

입력 측 전압은 트랜스포머에서 측정하고 출력 측 전압은 세 번째 다이오드에서 측정합니다. 먼저 디지털 멀티미터 노브를 20V 범위로 설정하고 입력 전압을 측정한 다음 범위를 변경하여 출력 측 전압을 측정합니다. 이 프로젝트에서는 입력을 위해 9V 트랜스포머를 사용했습니다. 이 값은 RMS 값이므로 피크-피크 전압을 구하려면 √2를 곱해야 합니다. Vpeak = 9 × √2 = 12.7V

분석적으로 출력은 12.7 × 3 = 38.1V가 되어야 합니다.

하지만 실제로는 약 37.3V가 나옵니다. 다이오드 전압 강하는 38.1 - 37.3 = 0.8V입니다.