전압 배율기: 트랜스포머-정류 회로 대체 경량·저비용 솔루션

고전압 DC 테스트 장비 제작을 고려 중이신가요? 마이크로웨이브 오븐, 브라운관(CRT) 등 고전압 DC가 필요한 전자 기기 및 가전제품 테스트나 제작에 필수적입니다. 승압 트랜스포머와 정류기를 써도 되지만, 트랜스포머는 무겁고 비싼 부품이라 최적의 해결책은 아닙니다. 전압 배율기(voltage doubler)는 단 몇 개 부품만으로 조립 가능한 더 나은 대안입니다. 프로젝트에 직접 만들고 싶다면 모든 세부 사항을 정리해 두었습니다. 먼저 전압 배율기의 정의와 종류부터 살펴보겠습니다.

전압 배율기란?

전압 배율기는 배율이 2인 전압 승압 회로입니다. AC 전압을 입력받아 입력 피크 전압의 2배에 해당하는 DC 전압을 출력합니다.

이 회로는 두 가지 역할을 합니다. 피크 AC 전압을 높여 승압 트랜스포머 역할을 하고, AC를 DC로 변환해 정류기 역할도 합니다.

전압 배율기 설계

출처: 위키미디어 커먼즈.

전압 승압기이므로, 더 고차 회로의 기본 구성 블록이나 단일 스테이지가 됩니다.

전압 4배 회로(다이오드 4개, 커패시터 4개 주목)

출처: 위키미디어 커먼즈.

유사한 단계를 캐스케이드 연결하면 전압 3배, 4배 이상 회로도 만들 수 있습니다. 3배 회로는 다이오드와 커패시터가 각각 3개, 4배는 4개씩입니다. 필요한 전압까지 회로를 확장할 수 있습니다.

전압 배율기 회로 동작 원리

전압 배율기는 전압을 증폭하고 전류를 한 방향으로 흐르게 하는 네 개의 개별 부품(다이오드 2개, 커패시터 2개)을 가집니다.

전압 배율기 회로

출처: 위키미디어 커먼즈.

회로는 AC 전압 주기마다 다이오드 중 하나가 도통하도록 부품을 배치합니다. 양의 반주기에는 다이오드 2가 꺼져 있어 커패시터 1만 AC 피크 입력 전압까지 충전됩니다.

음의 피크에서는 다이오드 1이 꺼지고 다이오드 2가 도통해 커패시터 2를 충전합니다. 하지만 이전 주기에서 커패시터 1이 이미 충전되어 있었으므로, 이 전압이 들어오는 AC 전압에 더해집니다.

결과적으로 두 번째 커패시터에서 피크 AC 전압의 2배가 DC로 얻어집니다(전류가 한 방향으로만 흐르므로).

즉, 배율기는 2Vin을 전달하는 차지 펌프(charge pump) 역할을 합니다.

전압 배율기 종류

• 반파 전압 배율기 (Half Wave Voltage Doubler)
• 전파 전압 배율기 (Full Wave Voltage Doubler)

전압 배율기의 장점

• 트랜스포머보다 저렴하고 가볍습니다.
• 연결된 다이오드와 커패시터의 극성을 반전시키면 음전압 생성 가능.
• 동일한 전압 배율기를 회로에 캐스케이드 연결해 전압 배율을 쉽게 높일 수 있습니다.

DC 전압 배율기 회로

이제 본론입니다. DC 전압 배율기 회로(반파 또는 전파)를 만들고 싶다면 다음 부품이 필요합니다:

• 인쇄 회로 기판(또는 브레드보드와 연결선)
• 다이오드 2개
• 커패시터 2개

회로는 어떻게 동작할까요? 자세히 반파와 전파 DC 전압 배율기 회로를 살펴보겠습니다. 먼저 입력이 어떻게 들어오는지 봅시다.

AC 입력 전압

AC 파형은 양과 음의 반주기를 가지므로, 이 두 주기에서 일어나는 일만 설명합니다. 배율 효과는 전력이 회로로 유입되면서 반복적으로 발생합니다.

연속적인 양/음 반주기를 보여주는 AC 파형

Vm은 피크 전압, Vin은 입력 전압입니다. 피크에서 Vm = Vin이므로 식에서는 Vm을 사용합니다.

반파 전압 배율기

아래 다이어그램과 같은 극성에서 입력 전압이 다이오드 D2를 역바이어스합니다. D2의 N측이 양극, P측이 음극에 연결됩니다.

양의 반주기 중 반파 DC 전압 배율기 회로 극성

반면 D1은 P측과 N측이 각각 양극, 음극에 연결되어 순방향 바이어스됩니다.

따라서 다이오드 D1이 단락(도통), D2가 개방 회로로 간주해 다이어그램을 다시 그릴 수 있습니다. 키르히호프 전압 법칙을 사용해 커패시터 C1 양단 전압(Vc1)을 구합니다.

Vm – Vc1 = 0 → Vc1 = Vm

음의 반주기에는 극성이 다음과 같이 바뀝니다.

음의 반주기 중 반파 DC 전압 배율기 회로 극성

이 파형에서 Vin이 다이오드 D2를 순방향 바이어스합니다. N측과 P측이 각각 음극, 양극에 연결됩니다. 그러나 D1은 역바이어스됩니다.

따라서 D1을 개방 회로, D2를 단락으로 다시 그릴 수 있습니다.

키르히호프 전압 법칙으로 커패시터 C2 양단 전압을 구합니다.

-Vm – Vm + Vc2 = 0

-Vm은 입력 전압(음극성)

두 번째 Vm은 이전 주기에 충전된 C1 양단 전압입니다.

따라서 Vc2 = Vm + Vm = 2Vm입니다.

커패시터 C2에 부하를 연결하면 입력 피크 전압의 2배를 얻어 배율 효과가 생깁니다.

C1은 방전 경로가 없어 저장 장치 역할을 합니다. 하지만 음의 반주기에는 전압 소스와 직렬로 연결되어 두 전압원이 더해집니다.

전파 전압 배율기

전파 배율기에서는 두 커패시터 C1, C2 양단 전압을 모두 측정합니다. 양의 주기에는 Vin이 D1을 순방향 바이어스하지만 D2는 역바이어스합니다.

양의 반주기 중 전파 DC 전압 배율기 회로 극성

이 기간 동안 D1에 저항이 없어 단락되어 커패시터 C1이 충전됩니다. 그러나 D2는 높은 저항으로 개방 회로 역할을 해 C2는 충전되지 않습니다.

키르히호프 법칙 적용:

Vm – Vc1 = 0 → Vc1 = Vm

음의 반주기에는 D1이 역바이어스되지만 극성이 D2를 순방향 바이어스합니다.

음의 반주기 중 전파 DC 전압 배율기 회로 극성

키르히호프 법칙 적용:

-Vm + Vc2 = 0 → Vc2 = Vm

C1이 이전 주기에 충전되었으므로 둘 다 피크 전압 Vm 상태입니다. 따라서 두 커패시터에 부하를 연결하면 2Vm을 얻습니다.

차이점은 무엇인가?

식은 비슷해 보이는데 반파와 전파 전압 배율기의 차이는 무엇일까요?

전자는 첫 주기에 C1을 충전하고 두 번째 주기에 방전합니다. 이로 공급 주파수와 같은 리플 전압이 발생해 평활화하기 어렵습니다. 따라서 출력 전압 곡선이 그리 매끄럽지 않습니다.

평활화 전후 리플 전압 다이어그램

출처: 위키피디아

반면 전파 전압 배율기는 두 개의 반파 정류기처럼 동작합니다. 따라서 출력 전압 곡선이 더 매끄럽습니다.

반파와 전파 회로 모두 커패시터 C1, C2가 초기에 무충전 상태라고 가정합니다.

전압 배율기 응용 분야

• 이온 펌프
• TV CRT
• X-레이 시스템
• 복사기
• 레이더 장비
• 진행파관
• 전자레인지
• 해충 퇴치기(벌레 잡는 장치)

요약

결론적으로 전압 배율기는 트랜스포머보다 제작비가 저렴하고 무게가 가벼워 많은 장치에서 필수 회로입니다.

트랜스포머-정류 회로가 훨씬 매끄러운 DC 출력 전압 곡선을 내지만, 장단점을 고려하면 전압 배율기가 유리합니다.

또한 배율기에 필터 회로를 추가해 출력을 평활화하면 트랜스포머-정류 조합과 비슷하게 만들 수 있습니다.

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