일반적으로 전자 기기에는 전원 시스템에서 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 정류 회로(rectifier circuit)가 있습니다. 이 회로는 배터리 충전기 같은 저전력 기기에서 정류 과정에서 생성되는 저전압을 정류하는 데 사용됩니다.
정류 회로를 이해하려면 정류 과정에 대해 알아야 합니다. 정류는 메인 전원에서 오는 AC의 음성 부분을 양성 DC 전압으로 바꾸는 역할을 합니다. 이상적인 시스템을 구축할 때 올바른 정류기가 필요합니다. 따라서 정류기와 다이오드 구성을 이해하는 것이 시스템 구축에 중요합니다.
(전자 부품)
정류기는 메인 전압의 교류를 단방향 직류로 변환하는 전기 소자입니다. 가장 단순하게는 메인 공급 AC 전압을 전력망에서 DC 전압으로 바꿉니다. 가장 중요한 건 우리가 의존하는 많은 가전제품이 DC를 필요로 한다는 점입니다.
'정류기(rectifier)'라는 용어는 전류의 방향성 흐름을 곧게 편다(straighten)는 뜻에서 왔습니다. 정류기 출력을 부드럽게 하는 전자 필터 사용이 증가하는 추세입니다. 결과적으로 현대 실리콘 반도체 정류기가 셀레늄 기반 정류기, 기계적 정류기, 산화구리 정류기, 진공관 정류기를 대체했습니다.
기계적 및 진공관 정류기(음극선관에 사용)는 높은 내부 저항으로 비효율적이었습니다. 그러나 산화구리와 셀레늄 기반 정류기는 SCR(실리콘 제어 정류기)보다 더 나은 순간 전압 내성을 가집니다. 이는 실리콘 다이오드보다 큰 장점입니다.
(다이오드 브리지와 커패시터로 AC를 DC로 변환하는 트랜스포머)
단상과 3상 정류기 모두 반파 정류(half-wave rectification)와 전파 정류(full-wave rectification)를 경험합니다.
단상 정류기는 1상 메인 공급 AC 전력을 입력으로 받습니다. 구조가 매우 단순합니다. 시스템 타입에 따라 1개, 2개, 또는 4개 다이오드가 필요합니다.
단상 AC의 경우 높은 리플 팩터(ripple factor)가 발생합니다. 다이오드가 단상 트랜스포머 2차 권선에 연결되기 때문입니다. 또한 정류에 트랜스포머 2차 코일의 단상만 사용합니다.
반면 3상 정류기에서는 구조에 3개 또는 6개 다이오드가 필요합니다. 모든 다이오드가 트랜스포머 2차 권선의 각 상에 연결되므로 리플 전압이 감소합니다. 이는 트랜스포머 이용률(TUF)을 더욱 높입니다.
단상 정류기 장점
3상 정류기 장점
단상 정류기 단점
(다이오드)
반파 정류(half-wave rectification)에서 정류기는 맥동하는 입력 신호의 절반을 완전히 차단합니다. 그리고 매 전체 사이클마다 절반만 공급합니다. 즉, AC 전원 공급의 절반이 낭비됩니다.
반파 정류에는 단상 공급 시 단일 다이오드, 3상 공급 시 3개 다이오드가 필요합니다. 정류된 전압의 평균 레벨은 입력 전압 레벨의 절반입니다. 하지만 양성 전압은 입력 전압과 같은 피크 AC 입력 전압 레벨을 가집니다.
반파 정류기 설계에는 두 가지 방법이 있습니다. 첫 번째 모델에서는 AC 공급이 출력의 음성 단자에 직접 연결됩니다. 다음 설계에서는 교류 공급이 출력의 양성 단자에 직접 연결됩니다.
장점
마지막으로 공급 트랜스포머가 필요 없음
이 정류기는 손실되거나 차단된 음성 입력 AC 소스 신호를 반전시킵니다. 결과적으로 출력 신호의 평균값을 개선합니다. 또한 입력 AC 전압 파형 주파수를 2배로 만듭니다. 이는 반교정류기(half-bridge rectifier)가 수행할 수 없는 기능입니다. 생성된 파형에서 입력 피크와 출력 피크는 동일합니다.
전파 정류기 설계에 흔히 쓰이는 두 가지 방법은 센터 탭 트랜스포머와 다이오드 브리지 회로입니다. 또한 능동 정류기(active regulator) 역할을 해 대부분 전류가 부하 회로로 흐르게 합니다.
장점
단점
형상 인자 (Form Factor):
형상 인자는 전류 RMS 값과 DC 출력 전류의 비율입니다.
Form Factor = RMS Value of Current / DC Output Current
전파 정류기의 형상 인자는 1.11입니다.
(반파 정류기 회로 그림)
브리지 정류기는 메인 AC 입력을 DC 출력으로 정류하는 AC-DC 컨버터입니다. 브리지 회로는 전기 기기와 전자 부품에 DC 전압을 공급하는 전원 공급 장치에 사용되는 정류기입니다. 단순 브리지 정류기는 보통 부하 저항을 사용합니다. 그 결과 이를 통해 흐르는 전류가 음성 및 양성 반주기 모두에서 동일해집니다. 브리지 정류기는 전자 전원 공급 장치에서 가장 흔한 부품 중 하나입니다.
브리지 정류기 배열에는 인접한 4개 다이오드, 즉 다이오드 브리지가 있습니다. 최대 역전압(PIV)은 음성 반주기에서 역바이어스로 연결된 다이오드에서 기록된 최고 전압입니다. 양성 반주기 동안 두 다이오드가 도통 상태에 있습니다. 나머지 쌍은 브리지 정류에서 비도통 상태입니다. 정류기 출력은 부하 저항 양단에서 기록됩니다.
브리지 정류기 장점
단점
브리지 정류기는 좋습니다. 첫 AC 사이클에서 다이오드 D2와 D4가 순방향 바이어스되어 도통합니다. 양성 전압은 D2 애노드에, 음성 전압은 D4 캐소드에 있습니다. 신호의 첫 절반이 이 두 다이오드를 통과합니다. 두 번째 반주기에는 D1과 D3가 순방향 바이어스되어 도통합니다. 전반적 효과로 AC의 두 절반이 모두 통과합니다. 이후 음성 절반이 반전돼 양성이 됩니다.
(브리지 정류기)
비제어 정류기 (Uncontrolled Rectifiers)
비제어 정류기는 특정 AC 공급에 대해 고정된 DC 출력 전압을 제공하는 정류기 타입을 말합니다. 비제어 정류기는 다이오드만 사용하며 전파 제어 또는 반파 제어 정류기일 수 있습니다. 하지만 다이오드는 오직 ON 또는 OFF만 가능하므로 효율이 낮습니다.
제어 정류기 (Controlled Rectifiers)
이 회로는 사이리스터(thyristor)를 사용해 부하에 공급되는 전력을 제어하며 AC를 DC로 변환합니다. 반파 제어 정류기는 단일 SCR(실리콘 제어 정류자)로 구성됩니다. 비제어 정류기와 설계가 같지만 다이오드 대신 SCR을 사용합니다. 반파 제어 정류기는 일정한 전력 제어를 제공해 전력 낭비를 제한합니다.
정류 회로 작동 원리
정류 회로는 AC 전원을 DC 전원으로 단순히 변환해 작동합니다. 시스템 전반에 인터록된 다이오드로 구성돼 전자가 전방향으로만 이동해 기기에 전력을 공급합니다. AC가 정류 회로를 통과하면 다이오드가 AC 소스에서 음성 전압 스윙을 제거합니다. 따라서 양성 전압만 남습니다. 단순 다이오드는 전류가 한 방향으로만 흐르게 하고 역방향 전류 흐름을 차단합니다.
이 이미지는 정류 다이오드에서 나오는 AC 전압 파형을 보여줍니다. 전류 파형은 짧은 전압 상승 구간과 무전압 구간이 번갈아 나타납니다. 양성 전압만 있으므로 직류입니다.
(다이오드 브리지 다이어그램)
전기 기기에서 정류 회로 설계 시 고려해야 할 주의사항이 있습니다. 명확히 하기 위해 정류기 설계 선택에 영향을 미치는 가장 중요한 주의사항을 논의합니다.
양성 반주기 동안 애노드와 캐소드 양단에 나타나는 전압은 양성입니다. 이는 다이오드가 순방향 바이어스됨을 의미합니다. 이상적인 다이오드에 연결되고 전력 정격이 일정하다고 가정합니다. 피크 전압은 Vm으로, 전압 강하 없는 피크 전압값을 말합니다.
하지만 특정 다이오드의 전압 강하를 고려해야 합니다. 실리콘 다이오드의 경우 0.7V(전압 강하)입니다. 인가된 입력 전압이 임계 전압(0.7V)을 초과할 때만 순방향 바이어스됩니다. 따라서 회로가 도통을 시작합니다.
피크 전압 = Vm - 0.7V(전압 강하)
음성 반주기에는 애노드와 캐소드 양단 전압이 음성입니다. 정류 회로의 다이오드가 역바이어스되어 개방 스위치 역할을 합니다. 전류 흐름이 없습니다. 이로 인해 출력에서 0V 판독값이 나옵니다.
게다가 음성 반주기에는 사용된 다이오드를 고려해도 다이오드 양단 전압이 음성입니다. 따라서 출력 판독값은 여전히 0V입니다.
메인 전압은 보통 큰 전력을 실어 나릅니다. 전류가 회로를 통해 이동하면서 발생하는 전기적 위치의 부분적 손실을 전압 강하라고 합니다.
VD = (2 × L × R × I) / 1000
보통 이는 전압 강하와 다이오드 내 저항 발생으로 정류 과정에서 손실되는 열입니다. 따라서 회로에 사용된 특정 다이오드의 전압 강하 지식이 중요합니다.
Pheat (전력 손실) = Pmax (시스템 최대 출력 전력) / Eff (정류 모듈 효율) - Pmax (시스템 최대 출력 전력)
PIV는 다이오드가 역바이어스에서 견딜 수 있는 최대 전압을 말합니다. 따라서 초과 시 다이오드가 파괴될 수 있습니다. 최대 역전압은 입력 전압과 같습니다.
최대 역전압 (PIV) = 2Vs max = 2Vsmax.
평활 커패시터는 신호 공급 변동을 고르게 하는 시스템입니다. 주로 정류기나 전원 공급 전압 후에 적용됩니다. 반주기 동안 커패시터 충방전으로 부드러운 전이가 생성됩니다. 충전 과정은 양성 반주기 동안 전류가 흐를 때 발생합니다.
평활 커패시터는 다이오드 양단의 불완전한 출력 리플을 개선합니다. 그래서 평활 커패시터를 다이오드 병렬로 연결해 부하 회로에 안정적인 전압을 유지합니다.
부하 배치는 전파 브리지 정류기 출력 양단에 위치합니다. 커패시터가 DC 출력을 증가시킵니다. 결과적으로 평활 커패시터가 정류기의 리플 출력을 더 매끄러운 DC 출력으로 변환합니다.
리플 전압은 평활 커패시터 값에 반비례합니다. 두 값은 다음 공식으로 연관됩니다:
Vripple = Iload / (f × C)
또는 일정한 DC 공급을 위해 전압 레귤레이터 집적 회로를 사용할 수 있습니다.
5µF 평활 커패시터를 통한 충전과 커패시턴스는 회로 내 연결에 따라 달라집니다. 병렬 연결된 커패시터의 경우 등가 커패시턴스는 회로에 연결된 모든 커패시턴스의 합입니다.
마찬가지로 50µF 평활 커패시터에도 같은 원리가 적용됩니다. 병렬 회로 연결에서 전압은 모든 커패시터에 동일합니다. 하지만 50µF가 5µF 커패시터보다 더 강한 평활 효과를 만듭니다.
(커패시터 이미지)
이 글에서 정류 회로를 사용하는 다양한 기기들이 다뤄졌습니다. 한 응용은 전압 레귤레이터이고, 또 다른 일반적인 용도는 전원 공급 부품과 라디오 신호용 진폭 변조 검출기(AMD)입니다. 이 소자는 초기 라디오 수신기에서 크리스탈 검출기(crystal detector)로 흔히 알려지기도 했습니다.
이 글이 정류 회로에 대한 모든 질문에 답이 되었기를 바랍니다. 정류 회로 제작을 위한 기본 부품이 필요하시면 언제든 문의해 주세요. 여러분 프로젝트 지원을 기대합니다.
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