크로우바 회로: 과전압으로부터 회로를 보호하는 원리와 설계
과전압 보호를 위한 크로우바 회로도
크로우바 회로란?
크로우바 회로는 기본적으로 회로를 과전압 상태로부터 보호하기 위한 전기 회로입니다. 전원 공급 장치 출력 단자에 크로우바를 떨어뜨리는 것처럼 출력 전압에 단락 회로 또는 저저항 경로를 만들어 작동하므로 이런 이름이 붙었습니다. 크로우바 회로는 과전압 보호 회로의 일종입니다.
크로우바 회로는 클램프 같은 다른 안전 또는 래칭 회로와 다릅니다. 한번 트리거되면 전압이 트리거 레벨(보통 그라운드 근처) 아래로 떨어집니다. 과전압 조건이 제거되어도 크로우바는 정상 작동으로 돌아가지 않습니다.
작동 기준으로 액티브 크로우바(active crowbar)는 과도 현상이 제거되면 단락 회로를 제거하여 장치가 정상 작동을 재개할 수 있게 하는 크로우바로 정의됩니다. 액티브 크로우바는 과도 현상 발생 확률이 높고 빈번한 회로(예: 전력망 전압 서지로 인한 고전압/대전류 과도 현상에 대한 이중 급전 발전기 로터 회로)에서 사용됩니다. 따라서 발전기는 결함을 견디고 전압 강하 중에도 빠르게 작동을 계속할 수 있습니다.
크로우바 회로는 낮은 유지 전압을 가지므로 프로세스 동안 많은 전력을 잃지 않고 더 높은 고장 전류를 전달할 수 있습니다. 크로우바 회로의 낮은 전력 손실은 다른 안전 장치에 비해 더 선호되는 옵션입니다.
필요한 구성 요소
- 퓨즈
- 제너 다이오드
- 쇼트키 다이오드
- 싸이리스터(SCR)
- 저항
- 커패시터
크로우바 회로도

위 회로도는 단순하고 구현하기 쉬운 크로우바 회로입니다. 이 회로는 비용 효율적이며 과전압 보호의 빠른 솔루션입니다. 사용된 구성 요소의 계산값과 함께 완전한 크로우바 다이어그램입니다.
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퓨즈
퓨즈는 과전류 스파이크로부터 회로에 안전을 제공하는 전기 안전 장치입니다. 필수 구성 요소는 회로에 직렬로 사용되는 금속 와이어 또는 스트립입니다. 회로 전류가 너무 높으면 금속 스트립이 녹아 회로를 차단합니다. 회로의 전류 임계값은 금속 스트립의 녹는점에만 의존합니다. 한번 회로에서 작동하여 차단하면 교체하거나 타입에 따라 재배선해야 하는 희생 소자입니다.
퓨즈는 매우 오랫동안 사용되어 왔으며 시간이 지남에 따라 매우 특정적인 전류 및 전압 정격, 차단 용량, 응답 시간을 기반으로 작동하도록 진화했습니다.
같은 용도의 다른 장치로 회로 차단기(circuit breakers)도 있습니다. 회로 차단기는 퓨즈 대안으로 사용될 수 있지만 특성이 크게 다릅니다. 일반적으로 퓨즈 소자는 예측 가능하고 안정적인 특성을 위해 아연, 구리, 알루미늄 또는 합금으로 만듭니다.
퓨즈의 일반적인 개략적 표현은 아래와 같습니다.

퓨즈 기호는 표현 방식에 따라 다를 수 있습니다. 위 회로에서 네 가지 표현이 있는데, 첫 번째는 IEC 표현이고 나머지 두 개는 IEEE 표현 기반입니다.
퓨즈는 고유한 장점 세트로 널리 사용됩니다. 몇 가지를 나열하면:
- 퓨즈는 전기 회로 보호용으로 사용 가능한 가장 저렴한 장치입니다.
- 퓨즈는 제로 유지보수가 필요합니다.
- 퓨즈 작동은 단순하며 복잡성이 없습니다.
- 퓨즈는 소음, 불꽃, 가스, 연기 없이 엄청난 단락 전류를 차단할 수 있습니다.
- 퓨즈 작동 시간은 회로 차단기 작동 시간보다 훨씬 짧을 수 있습니다.
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물론 모든 장점과 함께 단점도 있지만 장점만큼 많지는 않습니다. 두 가지를 아래에 나열합니다:
- 단락 또는 과부하 시 퓨즈가 끊어지면 교체하는 데 시간이 걸립니다. 이 기간 동안 회로는 전력을 잃습니다.
- 퓨즈가 직렬로 연결되면 크기 차이가 크지 않은 한 어느 퓨즈가 끊어졌는지 식별하기 어렵습니다.
쇼트키 다이오드
이 프로젝트에서 쇼트키 다이오드는 필수는 아니며 보호 목적으로만 사용됩니다. 주로 고주파 저전압 인버터의 정류기, 극성 보호 다이오드, 프리휠링 다이오드로 사용됩니다. 표면 배리어 다이오드, 핫 일렉트론 다이오드, 핫 캐리어 다이오드라고도 합니다. P형 반도체 대신 백금이나 알루미늄 같은 금속을 사용하여 일반 PN 접합 다이오드와 약간 다릅니다.
쇼트키 다이오드에서 반도체와 금속이 결합되어 금속-반도체 접합을 형성하며, 반도체 측이 캐소드, 금속 측이 애노드 역할을 합니다. 금속-반도체 접합이 형성되면 고갈 층도 생기며 쇼트키 배리어라고도 합니다.
쇼트키는 낮은 저장 전하를 가지며 더 낮은 전력 손실과 더 높은 효율의 기계적 특성을 보입니다. 모든 외부 표면이 내식성이 있고 단자가 쉽게 납땜 가능하도록 제조되며 전류는 한 방향으로만 흐르고 반대 방향은 차단합니다. 이 다이오드에서 발생하는 전압 강하는 PN 접합 다이오드보다 낮습니다. 다이오드 단자에 전압이 가해지면 전류가 흐르기 시작하여 단자에 작은 전압 강하가 발생합니다. 낮은 전압 강하는 더 높은 효율과 더 빠른 스위칭 속도를 가져옵니다.
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제너 다이오드
제너 다이오드는 일반 다이오드가 애노드에서 캐소드로만 전류 흐름을 허용하는 것과 달리, 단자 양단 전압이 임계 전압인 제너 전압을 초과할 때 반대 방향으로도 전류 흐름을 허용하는 다이오드 유형입니다. 이 제너 전압은 소자의 특성으로, 제너 효과를 지배하며 이는 다이오드 작동을 지배합니다.
제너 다이오드는 고농도 도핑된 p-n 접합을 가져 역전압이 가해져도 장치가 제대로 작동할 수 있습니다. 그러나 많은 제너 다이오드는 대신 눈사태 붕괴(avalanche breakdown)에 의존합니다. 두 붕괴 유형 모두 장치에서 발생하며, 유일한 차이는 제너 효과는 낮은 전압에서 우세하고 눈사태 붕괴는 높은 전압에서 발생한다는 점입니다. 저전력 안정화 전원 공급 장치 생성에 사용되며, 과전압 및 정전기 방전으로부터 회로를 보호하는 데도 사용됩니다.
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회로에서 일반적으로 사용되는 제너 다이오드 개략도는 아래와 같습니다.

싸이리스터(Thyristor/SCR)
싸이리스터는 기본적으로 4층 소자로, P형과 N형 반도체가 번갈아 가며 두 개씩 구성됩니다. 싸이리스터 구성은 P-N-P-N으로 나타낼 수 있습니다. 가장 기본 형태에서 싸이리스터는 애노드, 캐소드, 게이트 세 단자를 가집니다. 게이트가 애노드와 캐소드 사이 전류 흐름을 제어합니다. 싸이리스터의 주기능은 스위치 역할을 하여 전력과 전류를 제어하는 것입니다.
주로 정류기로 사용되며 전류 도통 상태에서 비도통 상태로 빠르게 전환할 수 있습니다. 또한 유지보수 비용이 낮고 적절한 조건에서 장기간 고장 없이 작동합니다. 싸이리스터는 단순한 도난 경보기부터 송전선까지 광범위한 전기 회로에서 광범위하게 사용됩니다.
싸이리스터 작동은 수년간 광범위하게 연구되어 꽤 정확한 데이터가 알려져 있습니다. 4층(P-N-P-N)과 3접합(PN, NP, PN)을 가진 가장 기본적인 싸이리스터 유형에서 애노드가 캐소드에 대해 양극 단자이면 PN과 PN 접합은 순방향 바이어스되지만 중앙 NP 접합은 역방향 바이어스됩니다. 따라서 NP 접합이 애노드에서 캐소드로 양전류 흐름을 차단합니다. 싸이리스터는 순방향 차단 상태에 있다고 합니다. 마찬가지로 외부 PN 접합이 음전류 흐름을 차단하여 역방향 차단 상태에 있습니다. 싸이리스터가 존재할 수 있는 또 다른 상태는 순방향 도통 상태입니다. 이 상태에서는 스위치 ON을 위한 충분한 신호를 받아 도통을 시작합니다.
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위 그림에 일반적인 싸이리스터 다이어그램이 표시되어 있습니다.

크로우바 회로 작동 원리
회로에 주어진 현재 값으로 모든 구성 요소를 제대로 부착하세요. 크로우바 회로는 입력 전압을 추적하며 한계를 초과할 때만 작동합니다. 한계가 초과되면 회로가 전원 라인에 단락 회로를 일으키고, 낮은 녹는점 금속으로 된 연결된 퓨즈가 녹아 회로를 차단합니다. 단락이 발생하는 전압 값은 제너 전압에 따라 달라집니다. 회로의 SCR은 입력 전압과 회로 그라운드에 직접 연결되어 있습니다. 그러나 이 SCR은 게이트 단자를 그라운드에 연결하여 꺼진 상태로 유지됩니다. 제너 전압이 초과되면 제너 다이오드가 도통하기 시작하고 SCR 게이트 단자에 전압이 가해집니다. SCR 게이트 단자에 가해진 전압이 SCR을 도통시켜 입력 전압과 그라운드 사이에 단락 회로를 만듭니다. 이 단락 회로는 회로에서 가능한 최대 전류를 끌어당겨 퓨즈를 끊고 전원 공급을 부하로부터 격리시킵니다.
이 회로 배치는 희생 퓨즈를 끊어 쉽게 교체할 수 있게 함으로써 구성 요소와 회로 자체를 전압 오버슈트로부터 보호합니다.