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전파 정류회로

by Summa posted Mar 03, 2023
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전기/전력공학 기초-37(배전압 정류방식/동기 정류방식/Current Doubler 정류방식)



 

 

 

전기/전력전자공학 기초

 

전기/전력공학 기초-37(배전압 정류방식/동기 정류방식/Current Doubler 정류방식)

 

 

■ 배전압 정류방식란?


배전압 정류 방식이란 정류기와 컨덴서를 사용하여 교류전압의 배에 가까운 정류 출력을 얻는 방식이다. 다른 정류회로와 마찬가지로 단파, 전파로 구성할 수 있으며, 부하 전류가 어느정도 증가하면 출력 전압이 갑자기 낮아지므로 부하 전류가 비교적 작은 곳에 사용된다. 컨덴서의 갯수를 증가시킴에 따라 3,4배의 더 높은 출력전압을 얻을 수 있다.


■ 배전압 정류의 원리 


처음 반주기를 a(-), b(+)로 가정하면 b > D1 > C1 > a 로 전류가 흐르면서 C1에 Em이 충전된다. 다음 반주기는 a(+), b(-)로 흐르므로 a > C1 > D2 > C2> b로 흐르면서 C2에 입력전원과 -반주기 동안 충전된 C1의 전압이 합쳐져 2Em이 충전된다.
다른 반파 정류회로와 마찬가지로 양의 반주기에서만 입력의 2배가 되는 전압이 나오게 된다.​

​처음 양의 반주기는 a > D1 > C1 > b로 전류가 흐르면서 C1에 Em의 에너지가 충전된다. 이때 D2는 역극성이므로 C2에는 아무런 에너지가 저장되지 않는다. 다음 음의 반주기 동안에는 b > C2 > D2 > a의 경로로 전류가 흐르면서 C2에 입력전압인 Em이 충전된다. 아까와 마찬가지로 D1이 역극성이므로 C1에는 아무런 에너지가 저장되지 않는다. 이렇게 저장된 에너지가 직렬로 연결되어 있으므로 출력전압에는 항상 2Em이 걸리게 된다. 이를 배전압 전파 회로라 한다.
 


■ 동기 정류 방식이란?


일반적으로 DC/DC 컨버터에는 2개의 스위치를 사용한다. 첫번째 스위치는 입력을 on/off하여 이덕터에 공급하는 에너지를 조절하는 역할을 하고, 두번째 스위치는 인덕터의 에너지를 정류하는 작업을 한다. 이 스위치를 다이오드 소자를 사용하는 것이 다이오드 정류 방식이고, FET를 사용하여 클럭에 동기시켜 필요한 타이밍에 정류동작을 하는 것이 동기 정류 방식이다.​


 ■ 동기정류 방식의 특징


- 낮은 전압에서도 고효율이다. 다이오드의 경우 다이오드의 도통 전압이 0.6V로 고정되어 있어 출력이 낮아질 수록 다이오드에 의한 손실의 비율은 커지게 도니다. 하지만 동기정류의 경우 스위치에서 손실되는 전압이 0.2V로 다이오드에 비해 작아 낮은 전압에서도 효율적으로 사용 할 수 있다.


- 부하전류가 급격하게 감소해도 전압을 액티브로 제어 할 수 있다. 부하전류가 급격하게 감소했을 경우 스위치 제어를 통해 전류를 역류 시켜 과잉 에너지를 입력측에서 방전시킬 수 있으므로 부하변동에 대한 과도 응답특성이 우수하다.

- 다이오드 방식과 달리 동기정류 방식은 전류의 역전류 동작이 가능하여 무부하에도 같은 주기비로 출력전압을 유지 할 수 있다. 또한 경부하에서 저노이즈를 유지 할 수 있다는 장점이 있다.

​​

■ Current Double 정류 회로방식이란


Current Double 회로 방식은 배전압 방식과는 반대로 전류를 배가시켜 출력하는 회로이다. Capacitor과 Diode를 사용하던 배전압 방식과는 달리 Inductor와 Diode를 사용한다.  ​


 


■ Current Doubler 정류의 원리


처음 양의 반주기에는 전류가 D1을 따라 커패시터와 L2를 통해 흐르기 시작한다. 이때, 반주기의 시간동안 L2에 에너지가 저장되고, 입력의 극성이 바뀌는 순간 음의 반주기로 흐르는 전류와 L2에 저장되어 방출되는 전류가 합쳐져 출력으로 나가게 된다. 반대로 음의 반주기 동안에는 L1에 에너지가 저장되고 양의 반주기로 극성이 바뀌는 순간 L1에 있던 에너지가 순간적으로 방출되면서 입력전압과 합쳐져서 출력 전류를 크게 만든다.


Current Doubler 정류기의 특징은 다음과 같다.
 - 다이오드 및 출력 커패시터의 Stress가 전파와 동일하다.
 - 추가적인 Inductor 필터가 요구된다.
 - 각 Inductor은 DC 전류 출력의 절반만 출력된다.
 - 리플 전류는 출력 Capacitor에 의해 제거 된다.
 - Inductor들의 동일한 전류를 확보하기 위해 전류모드 제어를 필요로 한다.

​ 

 

 

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③ 전파 정류 회로 : 다이오드를 사용하여 교류의 +, - 어느 반 사이클에 대해서도 정류를 하고, 부하에 직류 전류를 흘리도록 한 회로. 중간 탭이 있는 트랜스 필요.

 

물론 반파정류회로의 정류파형과 전파정류회로의 파형이 어떤 모양이라는 것은 알죠.여기서 이론상이라는 것은 DIODE에 의한손실(흔히 CUT IN또는 CUT OUT전압이라 함)을 고려하지 않는 것이고, 실제는 이 전압을 고려해야 한다는 것입니다. 부하전류가 비교적 적은 경우는 약 0.6~0.7V 정도이고, 전류가 많은 경우 약 1V정도입니다.(실리콘다이오드인경우) 따라서 만약 10Vrms라면 14.14Vpeak 최대값으로 나오지만 실제로는 약 13.xxVpeak가 나옵니다. 그리고 또한가지 이론과 실제의 차이는 다이오드 역회복시간에 의한 것인데recovery time 이라 하죠. 즉 순방향으로 전류가 흐르다가 전압이 반대로 걸리면바로 차단이 되지 않고 다이오드 내부의 잉여전자에 의해 잠시 역으로 전류가 흐르게 되죠. 물론 일반 60hz 파형에서는 거의문제가 없지만 수십~수백khz정류에서는 문제가 발생하는데 이런 경우는 역회복시간이 짧은 fast recovery diode나 schottky barrier diode를 사용하여야 합니다. 그런데 이부분까지는 요구하지 않을 듯 하네요.

 

 

 

1.이상적인 다이오드와 실제 실험에서 사용하는 다이오드의 차이점은 무엇인가?

2.다이오드의 역방향 전류를 측정하기 힘든 이유는 무엇인가?3.멀티미터로 다이오드의 극성을 조사할수 있는가?

만일 조사할 수 있다면 그이유를 설명하라.4.반파 정류회로에서 오실로 스코프로 측정한 전압파형의 최대값과 멀티미터로

측정한 값의 차이점은 무엇인가?5.정류된 전압 파형의 최대값이 변압기 2차측 전압 파형의 최대값보다 조금 작은 이유는?

 

 

이상적인 다이오드라 함은 1.0V이상이면 무조건 통하고, 반대면 전류가 0이고,스위칭 속도는 무한대이다.정도죠. 하지만 실제다이오드는 실리콘의 경우 약0.7V 이상 게르마늄이나 쇼트키의 경우 0.3~0.4V 이상되어야 흐르고, 역방향인 경우 누설전류가 흐르고, 속도도 유한하죠.

2.실리콘 다이오드의 경우 역방향 전류는 보통 수~수십nA 정도입니다. 일반 계측기로 측정하기에는 너무 작죠. 하지만 게르마늄이나 쇼트키 다이오드는 비교적 역전류가 커기 때문에(수uA) 측정가능합니다.

3.멀티미터에서 저항측정렌지또는 다이오드전용측정렌지가 있는경우 측정이 가능합니다. 순방향일때는 낮은 저항값을 표시하고,역방향일때는 무한대로 지시하므로 하지만 일부 멀티미터기의 경우 저항측정시 낮은 전압(0.4V이하)로 측정하는 경우가 있는데이런경우는 측정이 불가능합니다.

4.반파회로의 경우 스코프상에서는 최대값을 측정할수 있지만 멀티메터기의 경우는 보통 내부의 바늘또는 콘덴서등에 의해 평균치로 측정이 됩니다. 따라서 멀티메터기의 경우는 반파를 측정하면 훨씬 낮은 전압으로 측정됩니다.

5.다이오드 순방향전압(0.7~0.9V)때문이죠. 만약 브릿지 다이오드로 정류했다면최대전압은 이론상값보다 약 1.4~1.8V 정도 빼주어야 합니다. 왜야 하면 브릿지 다이오드정류방식은 다이오드 2개를 통과해야 하기 때문입니다. 그외 반파정류또는 트랜스 센터탭을 이용한 양파정류는 0.7~0.9V만 빼주면 되죠.

 

 

 

1.이상적인 다이오드는 말그대로 순수하게 100% 걸러내고 정류하지만 실제 다이오드는 약간의 충격이 남아 있어 완벽하게 원하는값을 구현하기 어렵다.2. 역방향 전류라는게 워낙 미세하기 때문에 측정자체가 힘들고 역방향이 감지될 만큼 흐른다면 다이오드 불량이 발생합니다.3. 다이오드 특성상 한쪽으로만 전류가 흐를 수 있다. 따라서 멀티미터의 극성을 제대로 체크하면 미터기의 수치가 올라가지만 극성을 반대로 찍으면 전류가 흐르지 못하기 때문에 미터기의 눈금이 꼼작도 안합니다.4. 오실로스코프와 멀티미터의 기능상의 차이를 말하는것 같은데 정확이 원하는 답이 뭔지 모르겠네요.5. 어떠한 전류도 하나의 저항선(어떤 물체든 저항을 가지고 있죠)을 흐르면 무조건 그만큼의 손실이 발생할 수 밖에 없지요.

 

 

 

 [2] 전파 정류 회로

●  다이오드를 사용하여 교류의 +, - 어느      반 사이클에 대해서도 정류를 하고,      부하에 직류 전류를 흘리도록 한 회로.

● 중간 탭이 있는 트랜스 필요

● 입력전압 (+) 반주기 = D1은      통전, D2는 OFF

     (-) 반주기 = D2은 통전, D1는 OFF

● 맥동율 = 0.482

● 정류효율 => η = 81.2 [%]

다이오드로 반파정류를 하게 되변 질문자께서 출력이  0 이라고 표시한 부분(연두색 부분) 은 실제로 0 이 아니고.. 다이오드의 문턱전압값 약 0.7볼트 정도..됩니다...

 

 

 

그래서 이상적인 반파 정류는 제가 외에 다시 그린 검은색 부분이지만.. 실제로 다이오드를 사용하므로 다이오드의 문턱 전압만큼 위로 올라가서 정류가 되기 때문에..실제로 길게 나타나는 것입니다..

 

 

 

 

2) 전파정류는 변압기에서 임의의 출력전압이 같은 전원 즉 0V,10V,20V인 3가닦의 전선중 0V와 20V에 정류기를 접속하여 정류하는 방법입니다 반파에서는 다이오드 한개만 있으면 되지만 여기서는 2개가 필요합니다 양쪽 두가닦의 전선에는 같은 극성을 가진 다이오드 한개씩 2개를접속합니다 그리고 반대쪽은 같이 묶어 출력단자로 합니다 그리고 가운데 10V단자는 정류기의 반대되는 극성이 출력됩니다 10V 단자를 중심으로 0V 단자와 20V 단자에 같은 극성이 교번하여 인가되므로 같은 극성이 2번 출력됩니다 따라서 60Hz의 주파수 전원을 정류하였다면 출력파형은 120개의 굴골(파형)이나오지요

 

 

다이오드 특성이 순방향에서 0.6V 이상에서 급격히 전류흐르는 특성이 있습니다.

그리고 다이오드에도 내부 저항이 있죠.만약 다이오드와 1kohm을 달았다면 전류는 거의 5mA가 흐르고다이오드가 0.6V정도 잡아 먹으니 저항 양단에 측정하면 4.4v(5-0.6v)가 됩니다.만약 1킬로로 달지 않고 극단적으로 무지 무지 큰 저항을 달았다면 전류는 무지무지 작아지겠죠(I=V/R). 다이오드에도 내부 저항이 있으니 역으로 다이오드 양단에 0.6 이하가 되겠죠.

그러면 전류가 흐르지 않는 현상이 발생하죠. 즉 저항 크게하면 점점 파형은 줄어드는 현상이 발생합니다.-------------------------------------------------------------------질문의 요지가 출력이 변한다는 내용이 리플이 작아진다는 내용인지?아니면 전압이 떨어진다는 내용인지 알 수가 없습니다.4.3v를 말한 것으로 볼 때 리플 변화 보단 전압이 떨어진다는 내용이맞을 것 같습니다.

전압이 떨어진다는 것은 공급되는 전류가 부하에 비해 작다는 내용입니다.

즉 저항이 커지면 전압은 떨어지는 것이 아니라 오히려 올라 간다 것입니다.

하지만 최대값은 4.3V입니다, 즉 전압은 변동하지 않는다입니다. 또한 반대로 리플은 개선된다 입니다.전압이 떨어진다는 것은 전류 공급이 줄어 들고 있기 때문입니다.

 

(2) 전파정류회로(Full-wave rectification circuit)

 

전파정류회로에는 중간탭이 있는 변압기를 이용하는 방법과 브리지 다이오드를 이용하는 정류회로가 있다.

 

   [1] 중간탭이 있는 변압기를 이용하는 방법

그림 2-2 (a)와 같이 중간탭 변압기와 2개의 다이오드를 사용하여 전파정류회로를 구성하게 되면 양(+)의 반주기와 음(-)의 반주기에 각각 다이오드 D1, D2가 교대로 동작하여 전파정류파형을 부하측에서 얻을 수 있다.

 

  

 

(a) 변압기의 중간탭을 이용한 전파정류회로

 

 

(b) 입력-출력파형

그림 2-2. 변압기의 중간탭을 이용한 전파정류회로

 

여기서 vi1(t) = vi2(t) = Vm sinωt라고 했을 때 입력파형과 출력파형을 그림 2-2 (b)에 나타내고 있다.

이상적인 다이오드일 경우 전파정류를 사용하면 정류된 출력전압의 평균값 Vave은 다음과 같이 구할 수 있다.

 

 

 

전파정류의 평균값은 반파정류의 평균값보다 2배 크다. 또한 출력전압의 주파수는 입력전압의 주파수의

2배이고, 최대값은 입력전압과 출력전압이 같다.

하지만 실제 출력전압의 최대값 Vm을 얻기 위하여 변압기의 2차측 출력전압의 최대값은 2Vm이 되어야

만 한다는 점이다.

 

[출처] 전파정류회로|작성자 브라운ㅅ

 

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