전파 정류기

전파 정류기

전력 다이오드를 함께 연결하여 전원 공급 장치에 사용하기 위해 AC 전압을 맥동 DC 전압으로 변환하는 전파 정류기를 형성할 수 있습니다.

전파 정류기는 4개의 정류 다이오드를 사용하여 각 파형 사이클의 두 절반을 맥동 DC 신호로 변환합니다. 이전 전력 다이오드 튜토리얼에서는 부하 저항 전체에 평활 커패시터를 연결하여 직접 DC 전압의 리플 또는 전압 변동을 줄이는 방법에 대해 논의했습니다.

이 방법은 저전력 애플리케이션에 적합할 수 있지만 "일정하고 부드러운" DC 공급 전압이 필요한 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 이를 개선하는 한 가지 방법은 매 반주기 대신 입력 전압의 매 반주기를 사용하는 것입니다. 이를 가능하게 하는 회로를 전파 정류기( Full Wave Rectifier) 라고 합니다 .

반파 회로와 마찬가지로 전파 정류기 회로는 순전히 DC이거나 일부 지정된 DC 구성 요소를 갖는 출력 전압 또는 전류를 생성합니다. 전파 정류기는 반파 정류기에 비해 몇 가지 근본적인 장점이 있습니다. 평균(DC) 출력 전압은 반파보다 높으며, 전파 정류기의 출력은 반파 정류기의 출력보다 리플이 훨씬 적어 더 부드러운 출력 파형을 생성합니다.

전파 정류기 회로 에서는 이제 사이클의 각 절반에 하나씩 두 개의 다이오드가 사용됩니다. 2차 권선이 공통 중앙 탭 연결(C)을 통해 두 부분으로 균등하게 분할되는 다중 권선 변압기가 사용됩니다.

 

이 구성에서는 양극 단자가 변압기 중심점 C 에 대해 양극일 때 각 다이오드가 차례로 전도되어 두 반주기 동안 출력을 생성하며, 이는 반파 정류기의 두 배이므로 아래와 같이 100% 효율적입니다.

전파 정류기 회로

 

전파 정류기 회로는 단일 부하 저항( RL )에 연결된 두 개의 전력 다이오드 로 구성 되며 , 각 다이오드는 이를 차례로 부하에 전류를 공급합니다. 변압기의 A 지점이 C 지점에 대해 양의 값을 가질 때 다이오드 D 1 은 화살표로 표시된 대로 순방향으로 전도됩니다.

지점 B 가 지점 C 에 대해 양수(사이클의 음의 절반에서)이면 다이오드 D2 는 순방향으로 전도되고 저항기 R을 통해 흐르는 전류 는 두 절반 사이클 동안 동일한 방향입니다. 저항기 R 의 출력 전압 은 결합된 두 파형의 페이저 합이므로 이러한 유형의 전파 정류기 회로는 "바이페이즈" 회로라고도 합니다.

평활 커패시터가 없는 정류기 출력.

전파 정류기 출력 파형

 

각 다이오드에 의해 생성된 각 반파 사이의 공간이 이제 다른 다이오드에 의해 채워짐에 따라 부하 저항기의 평균 DC 출력 전압은 이제 단일 반파 정류기 회로의 두 배이며   최대   약 0.637V 입니다. 손실이 없다고 가정할 때 피크 전압.

여기서, V MAX 는 2차 권선 절반의 최대 피크 값이고 V RMS는 다음과 같은 rms 값입니다. V RMS = 0.7071 V MAX . DC 전류는 다음과 같이 주어진다: I DC = V DC /R .

출력 파형의 피크 전압은 변압기 권선의 각 절반이 동일한 rms 전압 값을 갖는 경우 반파 정류기의 이전과 동일합니다. 다양한 DC 전압 출력을 얻으려면 다양한 변압기 비율을 사용할 수 있습니다.

이러한 유형의 전파 정류기 회로의 가장 큰 단점은 주어진 전력 출력에 대해 더 큰 변압기가 2개의 별도이지만 동일한 2차 권선과 함께 필요하다는 것입니다. 이로 인해 이 유형의 전파 정류 회로는 "전파 브리지 정류기" 회로와 비교하여 비용이 많이 듭니다. .

풀 웨이브 브리지 정류기

위의 전파 정류기 회로와 동일한 출력 파형을 생성하는 또 다른 유형의 회로는 전파 브리지 정류기 회로 입니다 . 이러한 유형의 단상 정류기는 원하는 출력을 생성하기 위해 폐쇄 루프 "브리지" 구성으로 연결된 4개의 개별 정류 다이오드를 사용합니다.

이 브리지 회로의 가장 큰 장점은 특별한 중앙 탭 변압기가 필요하지 않아 크기와 비용이 절감된다는 것입니다. 아래 그림과 같이 단일 2차 권선은 다이오드 브리지 네트워크의 한쪽에 연결되고 부하가 다른 쪽에 연결됩니다.

 

다이오드 브리지 정류기

 

D 1 ~ D 4 로 표시된 4개의 다이오드는 각 반주기 동안 전류를 전도하는 2개의 다이오드와 함께 "직렬 쌍"으로 배열됩니다. 공급 장치의 양의 반주기 동안 다이오드 D1 과 D2는 직렬로 연결되고 다이오드 D3 과 D4 는 역방향 바이어스되고 전류는 아래와 같이 부하를 통해 흐릅니다.

긍정적인 반주기

 

전원의 음의 반주기 동안 다이오드 D3 과 D4는 직렬로 전도되지만 다이오드 D1 과 D2 는 이제 역방향 바이어스되므로 "OFF"로 전환됩니다. 부하에 흐르는 전류의 방향은 이전과 같습니다.

부정적인 반주기

 

부하를 통해 흐르는 전류는 단방향이므로 부하 전체에 발생하는 전압도 이전의 두 다이오드 전파 정류기와 마찬가지로 단방향이므로 부하 전체의 평균 DC 전압은 최대 0.637V 입니다 .

일반적인 브리지 정류기

그러나 실제로 각 반주기 동안 전류는 하나가 아닌 두 개의 다이오드를 통해 흐르므로 출력 전압의 진폭은 입력 V MAX 진폭보다 두 개의 전압 강하(2*0.7 = 1.4V)가 적습니다. 리플 주파수는 이제 공급 주파수의 두 배입니다(예: 50Hz 공급의 경우 100Hz, 60Hz 공급의 경우 120Hz).

전파 브리지 정류기를 만들기 위해 4개의 개별 전력 다이오드를 사용할 수 있지만 사전 제작된 브리지 정류기 구성 요소는 PCB 회로 기판에 직접 납땜할 수 있는 다양한 전압 및 전류 크기의 "기성품"으로 제공됩니다. 또는 스페이드 커넥터로 연결하십시오.

오른쪽 이미지는 한쪽 모서리가 잘린 일반적인 단상 브리지 정류기를 보여줍니다. 이 잘린 모서리는 모서리에 가장 가까운 단자가 양극 또는 +ve 출력 단자이거나 반대쪽(대각선) 리드가 음극 또는 -ve 출력 리드임을 나타냅니다. 다른 두 개의 연결 리드는 변압기 2차 권선의 입력 교류 전압용입니다.

평활 커패시터가 있는 전파 정류기

우리는 이전 섹션에서 단상 반파 정류기가 반주기마다 출력 파동을 생성하며 안정적인 DC 전원을 생성하기 위해 이러한 유형의 회로를 사용하는 것이 실용적이지 않다는 것을 확인했습니다. 그러나 전파 브리지 정류기는 중첩 리플이 적고 더 큰 평균 DC 값(0.637Vmax)을 제공하는 동시에 출력 파형은 입력 공급 주파수 주파수의 두 배입니다.

평활 커패시터를 사용하여 출력 파형을 필터링함으로써 정류기의 평균 DC 출력을 향상시키는 동시에 정류된 출력의 AC 변동을 줄일 수 있습니다. 전파 브리지 정류기 회로의 출력 전체에 걸쳐 부하와 병렬로 연결된 평활 또는 저장소 커패시터는 아래 표시된 대로 커패시터가 저장 장치처럼 작동하므로 평균 DC 출력 레벨을 훨씬 더 높게 증가시킵니다.

평활 커패시터를 갖춘 전파 정류기

 

평활 커패시터는 정류기의 전파 리플 출력을 보다 평활한 DC 출력 전압으로 변환합니다. 다양한 값의 평활 커패시터를 설치하여 정류된 출력 파형에 미치는 영향을 확인할 수 있습니다.

5uF 평활 커패시터 사용

 

파형의 파란색 플롯은 정류기 출력 전체에 5.0uF 평활 커패시터를 사용한 결과를 보여줍니다. 이전에는 부하 전압이 정류된 출력 파형을 따라 0V까지 내려갔습니다. 여기서 5uF 커패시터는 출력 DC 펄스의 피크 전압까지 충전되지만 피크 전압에서 다시 0V로 떨어지면 회로의 RC 시간 상수로 인해 커패시터가 빠르게 방전될 수 없습니다.

이로 인해 커패시터가 약 3.6V까지 방전됩니다. 이 예에서는 커패시터가 DC 펄스의 다음 양의 기울기에서 다시 한 번 재충전될 때까지 부하 저항기의 전압을 유지합니다. 즉, 커패시터는 다음 DC 펄스가 이를 피크 값까지 재충전하기 전에 잠시 방전할 시간만 갖습니다.

따라서 부하 저항에 인가되는 DC 전압은 약간만 저하됩니다. 그러나 그림과 같이 평활 커패시터의 값을 증가시켜 이를 개선할 수 있습니다.

50uF 평활 커패시터 사용

 

여기서는 평활 커패시터의 값을 5uF에서 50uF로 10배 늘려 리플을 줄이고 최소 방전 전압을 이전 3.6V에서 7.9V로 늘렸습니다. 그러나 이러한 값을 얻기 위해 1kΩ의 부하 저항이 선택되었지만 부하 임피던스가 감소함에 따라 부하 전류가 증가하여 커패시터가 충전 펄스 사이에서 더 빠르게 방전됩니다.

단일 평활 또는 저장소 커패시터로 무거운 부하를 공급하는 효과는 더 많은 에너지를 저장하고 충전 펄스 사이에서 더 적은 방전을 하는 더 큰 커패시터를 사용하여 줄일 수 있습니다. 일반적으로 DC 전원 공급 회로의 경우 평활 커패시터는 정류기에서 커패시터를 피크 전압까지 충전하는 반복적인 DC 전압 펄스로 100uF 이상의 커패시턴스 값을 갖는 알루미늄 전해 유형입니다.

그러나 적합한 평활 커패시터를 선택할 때 고려해야 할 두 가지 중요한 매개변수가 있는데, 이는 정류기의 무부하 출력 값보다 높아야 하는 작동 전압 과 나타날 리플의 양을 결정하는 커패시턴스 값 입니다. DC 전압 위에 중첩됩니다.

커패시턴스 값이 너무 낮으면 커패시터가 출력 파형에 거의 영향을 미치지 않습니다. 그러나 평활 커패시터가 충분히 크고(병렬 커패시터 사용 가능) 부하 전류가 너무 크지 않으면 출력 전압은 거의 순수 DC만큼 평탄해집니다. 일반적으로 우리는 피크 대 피크가 100mV 미만인 리플 전압을 기대하고 있습니다.

전파 정류기 회로 에 존재하는 최대 리플 전압은 평활 커패시터의 값뿐만 아니라 주파수 및 부하 전류에 의해 결정되며 다음과 같이 계산됩니다.

브리지 정류기 리플 전압

여기서, I 는 암페어 단위의 DC 부하 전류이고, θ 는 리플 주파수 또는 입력 주파수의 두 배(헤르츠 단위)이고, C 는 정전 용량(패럿 단위)입니다.

전파 브리지 정류기의 주요 장점은 동등한 반파장 정류기보다 주어진 부하에 대해 더 작은 AC 리플 값과 더 작은 저장소 또는 평활 커패시터를 갖는다는 것입니다. 따라서 리플 전압의 기본 주파수는 AC 공급 주파수(100Hz)의 두 배입니다. 반파 정류기의 경우 공급 주파수(50Hz)와 정확히 동일합니다.

브리지 정류기의 출력 단자에 훨씬 향상된 π 필터 (파이 필터) 를 추가하면 다이오드에 의해 DC 공급 전압 위에 중첩되는 리플 전압의 양을 사실상 제거할 수 있습니다 . 이러한 유형의 저역 통과 필터는 일반적으로 동일한 값을 갖는 두 개의 평활 커패시터와 교번 리플 구성요소에 고임피던스 경로를 도입하기 위한 초크 또는 인덕턴스로 구성됩니다.

더 실용적이고 저렴한 또 다른 대안은 양극 출력 전압의 경우 LM78xx(여기서 "xx"는 출력 전압 정격을 나타냄) 또는 음극의 경우 그 반대인 LM79xx 와 같은 기성 3단자 전압 조정기 IC를 사용하는 것입니다. 1A 이상의 일정한 출력 전류를 제공하면서 리플을 70dB 이상(데이터시트) 이상 줄일 수 있는 출력 전압입니다.

다이오드에 대한 다음 튜토리얼에서는 역방향 항복 전압 특성을 활용하여 자체적으로 일정하고 고정된 출력 전압을 생성하는 제너 다이오드를 살펴보겠습니다.