전파정류회로 공식 - jeonpajeonglyuhoelo gongsig

ㅇ전기기사 5주완성 전기기기 169쪽에

정류회로에서 위상제어가 되는 경우 직류전압 구하는 공식이

1.단상 반파 정류회로 : Ed = ［(루트2×E)/π］ ×［(1+cosα)/2］

2.단상 전파 정류회로 : Ed = ［(2루트2×E)/π］ ×(cosα)

로 나와 있습니다.

(문제) 전원전압이 100V인 단상 전파정류제어에서 점호각이 30˚일 때 직류 평균전압은 약 몇 V인가?

(풀이) 단상 전파 정류회로 : Ed = ［(2루트2×E)/π］ ×(cosα) = ［(2루트2×100)/π］ ×(cos30˚) = 77.9   =》   78(V)

위 풀이 과정과 정답에 잘못된 점이 있는지 검토 한번만 부탁 드립니다.

정류란 전류를 한 방향으로만 흐르도록 만드는 것을 의미합니다. 즉, 시간에 따라 변하는 교류신호를 다이오드의 특징을 이용해서 전류의 흐름을 컨트롤 하는 회로들을 정류회로(정류기)라고 합니다. 다이오드를 이용한 정류회로에서 PIV라는 개념이 나옵니다.

PIV( Peak Inverse Voltage)는 최대 역전압으로 회로내에서 차단도니 다이오드에 걸리는 최대 역전압을 의미합니다. 즉, 정류기 회로를 해석했을 때 차단된 다이오드 양단에 역방향으로 특정전압이 걸릴 때 그 전압을 PIV라고 합니다. 

여기서 PIV가 높다는 것은 그만큼 다이오드에 역방향으로 높은 전압이 걸린다는 의미이고, 이 역방향 전압이 항복전압보다 크면 다이오드는 항복현상 (Breakdown)이 발생합니다. 이러한 이유에서 PIV가 낮은 정류기가 성능이 좋고 안정성이 높은 정류기라고 할 수 있습니다.

[ 반파 정류회로 ]

반파 정류기는 입력의 반주기만을 출력하는 정류기입니다. vs가 0.7V이상의 값이 되면 다이오드가 도통되어 출력신호가 나올 수 있습니다. 반대의 경우에는 다이오드가 차단되어 신호가 나오지 못하게 됩니다. 그래프에서도 그 모습을 정확하게 확인할 수 있습니다. 그래프의 최댓값에서 0.7V만큼 줄어든 값이 신호로 출력이되는것을 확인할 수 있죠. 여기에서 PIV를 구해보면

PIV = (vo-vs)의 최댓값 = Vs

[ 전파 정류회로 ]

전파 정류기의 경우는 전압의 값이 0보다 클 때, 다이오드 D1이 도통되고, D2는 차단되어 저항 R에 전류가 흐릅니다. 반대로 전압의 값이 0보다 작을 때, 다이오드 D1이 차단되고, D2가 차단되어 저항 R에 전류가 흐릅니다. 이렇게 다이오드 D1과 D2가 번갈아가면서 전류를 출력으로 내보낼 수 있기 때문에 음의 영역에서도 신호를 정류하여 내보낼 수 있습니다. PIV는 아래와 같이 구합니다.

1. D1 도통, D2 차단

PIV = Vs-VD-(-Vs) = 2Vs-VD

2. D1 차단, D2 도통

PIV = Vs-VD-(-Vs) = 2Vs-VD

전파 정류기의 경우 PIV가 반파정류기의 약 2배입니다. PIV가 크면 다이오드가 항복영역으로 들어갈 수 있기 때문에, 좋지않습니다. 하지만 더 촘촘하고 직류에 가까운 신호로 정류할 수 있기때문에, 정류의 측면에서는 전파정류기가 더 유리하다고 말씀드릴 수 있습니다.

[ 브릿지 정류회로 ]

동작원리는 다음과 같습니다.

vs가 양의 전압일 때, 다이오드 D1과 D2가 도통되어 저항 R양단에 전류가 흐릅니다. 반대로 음의 전압일 경우에는 다이오드 D3과 D4가 도통되어 전류가 흐릅니다. 브릿지 정류기 역시 전파정류기처럼 다이오드들이 번갈아가며 도통되기 때문에 반파정류기보다 두 배의 정류효율을 가지고있습니다. 그리고 PIV값이 작기때문에 전파정류기의 단점을 보완할 수 있습니다. 하지만 다이오드가 4개 사용되기 때문에 제작비용이 전파정류기보다는 많이 들어가게됩니다.

브릿지 정류기 PIV

1. D1과 D2가 도통된 경우

Vs-VD

2. D3와 D4가 도통된 경우

Vs-2VD

[ 피크 정류회로 ]

피크 정류기는 입력신호의 피크값을 따라 신호를 정류하기 때문에 이름을 피크정류기라고 부릅니다. 다이오드가 도통되어 저항 R에 전류가 흐를 때, 커패시터 역시 같이 충전됩니다. 이 후, 다이오드가 차단되면 충전되었던 커패시터의 전압이 방전되면서 저항 R에 걸려있던 전압역시 같이 감소합니다.

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.