전력 다이오드 및 정류기
파워 다이오드는 정류기 회로에 사용하기 위해 고전압 값에서 큰 전류를 전달할 수 있는 반도체 pn 접합입니다.
이전에 우리는 반도체 다이오드가 양극에서 음극으로 순방향 바이어스될 때만 한 방향으로 전류를 전도하지만 전기 단방향 밸브처럼 작동하는 역방향으로는 전류를 전도하지 않는다는 것을 보았습니다. 일반적으로 이 기능과 전력 다이오드의 널리 사용되는 응용 분야 중 하나는 교류 전압(AC)을 맥동 전압(DC)으로 변환하는 것입니다. 즉, 수정 .
저전력, 저전류(1암페어 미만) 정류 및 전원 공급 장치 애플리케이션에 소신호 다이오드를 사용할 수 있습니다. 그러나 더 큰 순방향 바이어스 전류 또는 더 높은 역방향 바이어스 차단 전압이 필요할 경우 소신호 다이오드의 PN 접합은 결국 과열되어 파손될 수 있습니다. 그러면 고전력 애플리케이션의 경우 더 크고 견고한 전력 다이오드를 대신 사용해야 합니다.
단순히 전력 다이오드 라고 알려진 전력 반도체 다이오드는 더 작은 신호 다이오드 사촌에 비해 훨씬 더 큰 PN 접합 영역을 가지므로 최대 수백 KA(암페어)의 높은 순방향 전류 성능과 최대 100%의 역방향 차단 전압을 제공합니다. 수천 볼트(KV)까지.
파워 다이오드는 PN 접합이 크기 때문에 1MHz 이상의 고주파 용도에는 적합하지 않지만 특수하고 고가의 고주파 고전류 다이오드를 사용할 수 있습니다. 고주파, 저전압 정류기 애플리케이션의 경우 역방향 복구 시간이 짧고 순방향 바이어스 조건에서 전압 강하가 낮기 때문에 일반적으로 쇼트키 다이오드가 사용됩니다.
전력 다이오드는 제어되지 않는 전력 정류를 제공하며 배터리 충전, DC 전원 공급 장치는 물론 AC 정류기 및 인버터와 같은 애플리케이션에 사용됩니다. 높은 전류 및 전압 특성으로 인해 환류 다이오드 및 스너버 네트워크로도 사용할 수 있습니다.
전력 다이오드는 1옴 단위의 순방향 "ON" 저항을 가지도록 설계되었으며 역방향 차단 저항은 메가옴 범위에 있습니다. 더 큰 가치의 전력 다이오드 중 일부는 열 저항을 0.1~ 1oC /Watt 로 낮추는 방열판에 "스터드 장착"되도록 설계되었습니다 .
교류 전압이 전력 다이오드에 적용되면 양의 반주기 동안 다이오드는 전류를 전달하고 음의 반주기 동안 다이오드는 전류 흐름을 차단하지 않습니다. 그러면 전력 다이오드를 통한 전도는 양의 반주기 동안에만 발생하므로 그림과 같이 단방향, 즉 DC입니다.
전력 다이오드 정류기
전력 다이오드는 위와 같이 개별적으로 사용하거나 함께 연결하여 "반파", "전파" 또는 "브리지 정류기"와 같은 다양한 정류기 회로를 생성할 수 있습니다. 각 유형의 정류기 회로는 비제어, 반 제어 또는 완전 제어로 분류될 수 있습니다. 비제어 정류기는 전력 다이오드만 사용하고, 완전 제어 정류기는 사이리스터(SCR)를 사용하며, 반 제어 정류기는 다이오드와 사이리스터를 혼합한 것입니다.
기본 전자 장치 애플리케이션에 가장 일반적으로 사용되는 개별 전력 다이오드는 약 1.0암페어의 연속 순방향 정류 전류 표준 등급과 1N4001의 경우 50v에서 1N4007의 경우 최대 1000v의 역방향 차단 전압 등급을 갖춘 범용 1N400x 시리즈 유리 부동태화 유형 정류 다이오드입니다. , 소형 1N4007GP가 범용 주전원 전압 정류에 가장 널리 사용됩니다.
반파 정류
정류기는 교류 (AC) 입력 전원을 직류 (DC) 출력 전원으로 변환하는 회로입니다. 입력 전원 공급 장치는 단상 또는 다상 공급 장치일 수 있으며 모든 정류기 회로 중 가장 간단한 것은 반파 정류기 회로 입니다 .
반파 정류기 회로의 전력 다이오드는 AC 전원의 각 완전한 사인파의 절반만 통과하여 이를 DC 전원으로 변환합니다. 그러면 이러한 유형의 회로는 아래 그림과 같이 들어오는 AC 전원 공급 장치의 절반만 통과시키기 때문에 "반파" 정류기라고 합니다.
반파 정류기 회로
AC 사인파의 각 "양" 반주기 동안 양극이 음극에 대해 양극이므로 다이오드는 순방향 바이어스 되어 다이오드를 통해 전류가 흐르게 됩니다.
DC 부하가 저항성(저항기, R)이므로 부하 저항기에 흐르는 전류는 전압(옴의 법칙)에 비례하고 따라서 부하 저항기에 걸리는 전압은 공급 전압 Vs 와 동일합니다. (마이너스 Vf ), 즉 부하 전체의 "DC" 전압은 전반 사이클 동안만 정현파이므로 Vout = Vs 입니다 .
AC 정현파 입력 파형의 각 "음의" 반주기 동안 양극이 음극에 대해 음이므로 다이오드는 역방향 바이어스 됩니다. 따라서 다이오드나 회로를 통해 전류가 흐르지 않습니다. 그런 다음 공급 장치의 음의 반주기에서는 부하 저항에 전압이 나타나지 않으므로 부하 저항에 전류가 흐르지 않으므로 Vout = 0이 됩니다 .
회로의 DC 측 전류는 한 방향으로만 흐르므로 회로는 단방향이 됩니다 . 부하 저항이 다이오드로부터 파형의 양의 절반, 0V, 파형의 양의 절반, 0V 등을 수신하므로 이 불규칙한 전압의 값은 0.318*Vmax의 등가 DC 전압과 값이 동일합니다. 입력 정현파 파형의 0.45*Vrms 또는 입력 정현파 파형의 0.45*Vrms입니다.
그런 다음 부하 저항기의 등가 DC 전압 V DC는 다음과 같이 계산됩니다.
여기서 V MAX 는 AC 정현파 공급의 최대 또는 피크 전압 값이고, V RMS 는 공급 전압의 RMS(제곱 평균 제곱근) 값입니다.
파워 다이오드 예제 No1
위와 같이 240Vrms 단상 반파 정류기에 연결된 100Ω 저항을 통해 흐르는 전압 강하 V DC 및 전류 I DC를 계산합니다. 또한 부하가 소비하는 평균 DC 전력을 계산합니다.
따라서 정류 프로세스 동안 결과적인 출력 DC 전압 및 전류는 매 사이클마다 "ON" 및 "OFF" 상태가 됩니다. 부하 저항기 양단의 전압은 사이클의 양의 절반(입력 파형의 50%) 동안에만 존재하므로 이로 인해 부하에 공급되는 평균 DC 값이 낮아집니다.
이 "ON"과 "OFF" 조건 사이의 정류된 출력 파형의 변화는 바람직하지 않은 특징인 "리플"이 많은 파형을 생성합니다. 결과적인 DC 리플은 AC 공급 주파수와 동일한 주파수를 갖습니다.
교류 전압을 정류할 때 전압 변동이나 리플이 없는 "일정"하고 연속적인 DC 전압을 생성하려는 경우가 매우 많습니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 아래 표시된 대로 부하 저항과 병렬로 출력 전압 단자 전체에 큰 값의 커패시터를 연결하는 것입니다. 이러한 유형의 커패시터는 일반적으로 "저장소" 또는 평활 커패시터 로 알려져 있습니다 .
평활 커패시터를 갖춘 반파장 정류기
교류( AC ) 소스에서 직접 전압( DC ) 전원 공급을 제공하기 위해 정류를 사용 하는 경우 더 큰 값의 커패시터를 사용하여 리플 전압의 양을 더욱 줄일 수 있지만 평활화 유형에는 비용과 크기 모두에 제한이 있습니다. 사용되는 커패시터.
주어진 커패시터 값에 대해 더 큰 부하 전류(더 작은 부하 저항)는 커패시터를 더 빠르게 방전하므로(RC 시간 상수) 획득되는 리플이 증가합니다. 그러면 전력 다이오드를 사용하는 단상 반파 정류기 회로의 경우 커패시터 평활화만으로 리플 전압을 줄이는 것은 그리 실용적이지 않습니다. 이 경우 대신 "전파 정류"를 사용하는 것이 더 실용적입니다.
실제로 반파 정류기는 다음과 같은 주요 단점 때문에 저전력 애플리케이션에서 가장 자주 사용됩니다. 출력 진폭은 입력 진폭보다 작으며 음의 반주기 동안 출력이 없으므로 전력의 절반이 낭비되고 출력은 펄스형 DC이므로 과도한 리플이 발생합니다.
이러한 단점을 극복하기 위해 다음 튜토리얼에서 설명하는 것처럼 다수의 전력 다이오드를 함께 연결하여 전파 정류기를 생성합니다.