단상 정류

단상 정류

정류는 고체 반도체 장치를 사용하여 AC 전원 공급 장치를 연결된 DC 부하에 연결하는 프로세스입니다.

정류는 다이오드, 사이리스터, 트랜지스터 또는 변환기를 사용하여 발진하는 정현파 AC 전압 소스를 정전류 DC 전압 공급 장치로 변환합니다. 이 정류 프로세스는 단상 또는 3상 전원을 일정한 DC 레벨로 변환하는 반파, 전파, 비제어 및 완전 제어 정류기를 사용하여 다양한 형태를 취할 수 있습니다. 이 튜토리얼에서는 단상 정류와 그 모든 형태를 살펴보겠습니다.

정류기는 일반적으로 반도체 다이오드에 의해 수행되는 반파 또는 전파 정류를 사용하는 AC 전력 변환의 기본 구성 요소 중 하나입니다. 다이오드는 교류 전류가 순방향으로 흐르도록 허용하는 동시에 역방향 전류 흐름을 차단하여 고정된 DC 전압 레벨을 생성하므로 정류에 이상적입니다.

그러나 다이오드에 의해 정류된 직류는 배터리 소스에서 얻은 전류만큼 순수하지 않고 교류 전원의 결과로 겹쳐진 리플 형태의 전압 변화를 갖습니다.

그러나 단상 정류가 발생하려면 그림과 같이 고정된 전압과 주파수의 AC 정현파 파형이 필요합니다.

 

AC 정현파형

AC 파형에는 일반적으로 두 개의 숫자가 연관되어 있습니다. 첫 번째 숫자는 교류 발전기가 0에서 360o 까지 회전한 x축을 따른 파형의 회전 정도를 나타냅니다 . 이 값은 파형의 전체 사이클 하나를 완료하는 데 걸리는 간격으로 정의되는 기간(T)으로 알려져 있습니다.

주기는 각도, 시간 또는 라디안 단위로 측정됩니다. 사인파 주기와 주파수 사이의 관계는 다음과 같이 정의됩니다. T = 1/f .

두 번째 숫자는 y축을 따라 전류 또는 전압 값의 진폭을 나타냅니다.  이 숫자는 다시 0으로 돌아가기 전 사인파의 최대 진폭을 나타내는 0부터 일부 피크 또는 최대값(A MAX , V MAX 또는 I MAX )까지의 순간 값을 제공합니다. 정현파에는 2개의 최대값 또는 피크 값이 있습니다. 하나는 양의 반주기에 대한 것이고 다른 하나는 음의 반주기에 대한 것입니다.

그러나 이 두 가지 값 외에도 수정 목적으로 우리가 관심을 갖는 두 가지 값이 더 있습니다. 하나는 정현파 평균 값 이고 다른 하나는 RMS 값 입니다 . 파형의 평균값은 반주기 동안 전압(또는 전류)의 순간값을 추가하여 구하며 다음과 같이 구합니다. 0.6365*V P .

대칭 사인파의 한 전체 사이클에 대한 평균 값은 평균 양의 반파가 반대 평균 음의 반파에 의해 상쇄되므로 0이 됩니다. 즉, +1 + (-1) = 0입니다.

RMS, 제곱 평균 제곱근 또는 정현파의 유효 값(정현파는 사인파의 또 다른 이름임)은 동일한 값의 DC 공급과 동일한 양의 에너지를 저항에 전달합니다. 정현파 전압(또는 전류)의 제곱평균제곱근(rms) 값은 0.7071*V P 로 정의됩니다 .

단상 정류기

모든 단상 정류기는 기본 AC-DC 변환 장치로 솔리드 스테이트 장치를 사용합니다. 단상 비제어 반파 정류기는 출력이 연결된 부하의 리액턴스에 크게 영향을 받기 때문에 가장 간단하고 작은 전력 레벨에 가장 널리 사용되는 정류 회로입니다.

제어되지 않는 정류기 회로의 경우 반도체 다이오드가 가장 일반적으로 사용되는 장치이며 반파장 또는 전파장 정류기 회로 를 생성하도록 배열됩니다 . 다이오드를 정류 장치로 사용하면 설계상 단방향 pn 접합이 내장된 단방향 장치라는 장점이 있습니다.

이 pn 접합은 공급 장치의 절반을 제거하여 양방향 교류 전원을 단방향 단방향 전류로 변환합니다. 예를 들어 다이오드 연결에 따라 순방향 바이어스 시 AC 파형의 양의 절반을 통과시키고 다이오드가 역방향 바이어스 시 음의 절반 사이클을 제거할 수 있습니다.

양의 절반 또는 파형을 제거하고 음의 절반을 통과시키면 반대의 경우도 마찬가지입니다. 어느 쪽이든 단일 다이오드 정류기의 출력은 표시된 대로 360 ° 파형의 절반으로만 구성됩니다.

반파 정류

 

위의 단상 반파 정류기 구성은 AC 공급 파형의 양의 절반을 통과시키고 음의 절반은 제거됩니다. 다이오드의 방향을 반대로 함으로써 AC 파형의 음의 절반을 통과시키고 양의 절반을 제거할 수 있습니다. 따라서 출력은 일련의 양수 또는 음수 펄스가 됩니다.

따라서 각 사이클의 절반 동안 연결된 부하 R L 에 전압이나 전류가 적용되지 않습니다 . 즉, 부하 저항에 걸리는 전압 R L 은 입력 사이클의 절반 동안만 작동하므로 양 또는 음의 절반 파형으로만 구성되므로 반파 정류기 라는 이름이 붙었습니다 .

다이오드가 전류가 한 방향으로 흐르도록 허용하여 반주기로 구성된 출력만 생성한다는 것을 알 수 있기를 바랍니다. 이 맥동 출력 파형은 매 사이클마다 ON 및 OFF가 다를 뿐만 아니라 시간의 50%에만 존재하며 순수 저항성 부하에서는 이 높은 전압 및 전류 리플 함량이 최대입니다.

이 맥동 DC는 부하 저항에 걸쳐 떨어지는 등가 DC 값 R L 은 정현파 파형 값의 절반에 불과하다는 것을 의미합니다. 파형 사인 함수의 최대값은 1( sin(90o ) )이므로 정현파 의 1/2에 해당하는 평균 또는 평균 DC 값은 0.637 x 최대 진폭 값으로 정의됩니다.

따라서 양의 반주기 동안 A AVE는 0.637*A MAX 와 같습니다 . 그러나 역방향 바이어스 다이오드에 의한 정류로 인해 음의 반주기가 제거되므로 이 음의 반주기 동안의 파형 평균값은 표시된 것처럼 0이 됩니다.

정현파 평균값

따라서 반파 정류기의 경우 50%의 경우 평균값은 0.637*A MAX 이고 50%의 경우에는 0입니다. 최대 진폭이 1(부하 저항 전반에 걸쳐 나타나는 평균 또는 DC 값과 동일)인 경우 R L은 다음과 같습니다.

따라서 맥동 DC를 갖는 반파 정류기의 전압 또는 전류의 평균값에 해당하는 표현식은 다음과 같습니다.

V AVE  = 0.318*V 최대

I AVE  = 0.318*I MAX

최대값 AMAX는 입력 파형의 값이지만 RMS 또는 "평균 제곱근" 값을 사용하여 단상 반파 정류기의 등가 DC 출력 값을 찾을 수도 있습니다.

반파 정류기의 평균 전압을 결정하기 위해 RMS 값에 0.9(폼 팩터)를 곱하고 제품을 2로 나눕니다. 즉, 0.45를 곱하면 다음과 같습니다.

V AVE  = 0.45*V RMS

I AVE  = 0.45*I RMS

그런 다음 반파 정류기 회로가 다이오드 방향에 따라 AC 파형의 양 또는 음의 절반을 0.318*A MAX 또는 0.45*A RMS 의 등가 DC 값을 갖는 펄스 DC 출력으로 변환하는 것을 볼 수 있습니다. 보여진 바와 같이.

반파 정류기 평균 전압

수정 사례 No1

단상 반파 정류기는 50V RMS 50Hz AC 전원에 연결됩니다. 정류기를 사용하여 150Ω의 저항 부하를 공급하는 경우. 부하 전반에 걸쳐 발생된 등가 DC 전압, 부하 전류 및 부하에서 소비되는 전력을 계산합니다. 이상적인 다이오드 특성을 가정합니다.

먼저 50V RMS를 피크 또는 최대 전압 등가물로 변환해야 합니다(필수는 아니지만 도움이 됩니다).

a) 최대 전압 진폭, V M

VM  = 1.414*V RMS =  1.414*50 = 70.7V

b) 등가 DC 전압, V DC

V DC  = 0.318*V M  = 0.318*70.7 = 22.5V

c) 부하 전류, IL

I L  = V DC  ¼ R L  = 22.5/150 = 0.15A 또는 150mA

d) 부하에 의해 소비되는 전력, P L

P L  = V*I 또는 I 2 *R L  = 22.5*0.15 = 3.375W ≅ 3.4W

실제로 V DC는 정류 다이오드 전체에 걸쳐 순방향 바이어스된 0.7V 전압 강하로 인해 약간 낮아집니다.

단상 반파 정류기의 주요 단점 중 하나는 사용 가능한 입력 정현파 파형의 절반 동안 출력이 없으므로 우리가 본 것처럼 평균값이 낮다는 것입니다. 이를 극복하는 한 가지 방법은 더 많은 다이오드를 사용하여 전파 정류기를 생산하는 것입니다 .

전파 정류

이전 반파 정류기와 달리 전파 정류기는 입력 정현파의 양쪽 절반을 활용하여 단방향 출력을 제공합니다. 이는 전파 정류기가 기본적으로 부하에 공급하기 위해 함께 연결된 두 개의 반파 정류기로 구성되기 때문입니다.

단상 전파 정류기는 브리지 배열로 배열된 4개의 다이오드를 사용하여 이전과 같이 파형의 양의 절반을 전달하지만 사인파의 음의 절반을 반전시켜 맥동 DC 출력을 생성함으로써 이를 수행합니다.

정류기에서 출력되는 전압과 전류가 맥동하더라도 입력파형을 100% 그대로 이용하여 방향을 역전시키지 않으므로 전파정류가 가능합니다.

단상 전파 브리지 정류기

이 다이오드 브리지 구성은 언제든지 4개의 다이오드 중 2개가 순방향 바이어스되고 나머지 2개는 역방향 바이어스되기 때문에 전파 정류를 제공합니다. 따라서 전도 경로에는 반파 정류기의 단일 다이오드 대신 두 개의 다이오드가 있습니다.

따라서 직렬로 연결된 다이오드의 두 순방향 전압 강하로 인해 V IN 과 V OUT 사이의 전압 진폭에 차이가 발생합니다 . 이전과 마찬가지로 수학의 단순화를 위해 이상적인 다이오드를 가정하겠습니다.

그렇다면 단상 전파 정류기는 어떻게 작동합니까? V IN 의 양의 반주기 동안 다이오드 D 1 과 D 4 는 순방향 바이어스되고 다이오드 D 2 와 D 3 는 역방향 바이어스됩니다.

그런 다음 입력 파형의 양의 반주기 동안 전류는 D 1 – A – R L – B – D 4 경로를 따라 흐르고 다시 전원으로 흐릅니다.

V IN 의 음의 반주기 동안 다이오드 D 3 및 D 2 는 순방향 바이어스되고 다이오드 D 4 및 D 1 은 역방향 바이어스됩니다.

입력 파형의 음의 반주기 동안 전류는 D 3 – A – R L – B – D 2 경로를 따라 흐르고 다시 공급 장치로 돌아갑니다.

두 경우 모두 입력 파형의 양의 반주기와 음의 반주기는 입력 파형의 극성에 관계없이 양의 출력 피크를 생성하므로 부하 전류는 항상 부하를 통해 동일한 방향으로 흐르고, 점 또는 노드 A 와 노드 사이 R L 은 비 . 따라서 소스의 음의 반주기는 부하에서 양의 반주기가 됩니다.

따라서 어떤 다이오드 세트가 작동하든 노드 A 는 항상 노드 B 보다 더 긍정적입니다 . 따라서 부하 전류와 전압은 단방향 또는 DC이며 다음과 같은 출력 파형을 제공합니다.

전파 정류기 출력 파형

이 맥동 출력 파형은 입력 파형을 100% 사용하지만 평균 DC 전압(또는 전류)은 동일한 값이 아닙니다. 위에서 정현파의 1/2에 해당하는 평균 또는 평균 DC 값은 0.637 x 최대 진폭 값으로 정의된다는 점을 기억합니다.

그러나 위의 반파 정류와 달리 전파 정류기는 입력 파형당 두 개의 양의 반주기를 가지며 표시된 것처럼 다른 평균 값을 제공합니다.

전파 정류기 평균값

여기에서 전파 정류기의 경우 각 양의 피크에 대해 0.637*A MAX 의 평균 값이 있고 입력 파형당 두 개의 피크가 있으므로 이는 함께 합산된 두 개의 평균 값이 있음을 의미합니다.

따라서 전파 정류기의 DC 출력 전압은 이전 반파 정류기의 두 배입니다. 최대 진폭이 1(부하 저항 전반에 걸쳐 나타나는 평균 또는 DC 값과 동일)인 경우 R L은 다음과 같습니다.

따라서 전파 정류기의 전압 또는 전류 평균값에 해당하는 표현식은 다음과 같습니다.

V AVE  = 0.637*V 최대

I AVE  = 0.637*I MAX

이전과 마찬가지로 최대값인 AMAX는 입력 파형의 값이지만 RMS 또는 제곱 평균 값을 사용하여 단상 전파 정류기의 등가 DC 출력 값을 찾을 수도 있습니다. 전파 정류기의 평균 전압을 결정하기 위해 RMS 값에 0.9를 곱하면 다음과 같습니다.

V AVE  = 0.9*V RMS

I AVE  = 0.9*I RMS

그런 다음 전파 정류기 회로가 AC 파형의 양극 또는 음극 절반을 그림과 같이 0.637*A MAX 또는 0.9*A RMS 값을 갖는 펄스 DC 출력으로 변환하는 것을 볼 수 있습니다.

전파 정류기 평균 전압

수정예 No2

4개의 다이오드는 220V DC에서 1kΩ의 순수 저항 부하를 공급하는 데 필요한 단상 전파 브리지 정류기 회로를 구성하는 데 사용됩니다. 필요한 입력 전압의 RMS 값, 공급 장치에서 가져온 총 부하 전류, 각 다이오드에 전달된 부하 전류 및 부하에서 소비되는 총 전력을 계산합니다. 이상적인 다이오드 특성을 가정합니다.

a) 정류기 공급 전압, V RMS

V DC  = 0.9*V RMS   따라서: V RMS  = V DC  ¼ 0.9 = 220/0.9 = 244.4 V RMS

b) 부하 전류, I L

I L  = V DC  ¼ R L  = 220/1000 = 0.22A 또는 220mA

c) 각 다이오드에 전달되는 부하 전류, I D

부하 전류는 사이클당 2개의 다이오드에 의해 공급되므로 다음과 같습니다.

I D  = I L  ¼ 2 = 0.22/2 = 0.11A 또는 110mA

d) 부하에 의해 소비되는 전력, P L

P L  = V*I 또는 I 2 *R L  = 220*0.22 = 48.4W

전파 반제어 브리지 정류기

전파 정류는 단순한 반파 정류기에 비해 출력 전압이 더 일관되고, 평균 출력 전압이 더 높으며, 정류 과정에 따라 입력 주파수가 두 배가 되고, 더 작은 커패시턴스 값이 필요한 평활 커패시터 등 많은 장점이 있습니다. 필요한 경우. 그러나 설계에 다이오드 대신 사이리스터를 사용하면 브리지 정류기의 설계를 개선할 수 있습니다.

단상 브리지 정류기 내의 다이오드를 사이리스터로 교체함으로써 일정한 AC ​​공급 전압을 제어된 DC 출력 전압으로 변환하기 위한 위상 제어 AC-DC 정류기를 만들 수 있습니다. 위상 제어 정류기는 절반 제어 또는 완전 제어되며 가변 전압 전원 공급 장치 및 모터 제어에 많이 응용됩니다.

단상 브리지 정류기는 적용된 입력 전압이 고정된 평균 DC 등가 값을 제공하는 출력 단자에 직접 전달된다는 점에서 "비제어 정류기"라고 합니다. 제어되지 않는 브리지 정류기를 단상 반제어 정류기 회로로 변환하려면 그림과 같이 다이오드 두 개를 사이리스터(SCR)로 교체하면 됩니다.

반 제어 브리지 정류기

절반 제어 정류기 구성에서는 평균 DC 부하 전압이 2개의 사이리스터와 2개의 다이오드를 사용하여 제어됩니다. 사이리스터 에 대한 튜토리얼에서 배운 것처럼 사이리스터는 양극(A)이 음극(K)보다 더 양이고 발사 펄스가 게이트(G)에 적용될 때만 전도("ON" 상태)됩니다. 단말기. 그렇지 않으면 비활성 상태로 유지됩니다.

또한 사이리스터는 일단 "ON"되면 게이트 신호가 제거되고 AC 공급 전압이 역방향 바이어스를 가하기 때문에 애노드 전류가 사이리스터 유지 전류 IH 아래로 떨어질 때만 다시 "OFF"로 전환된다는 사실도 배웠습니다 . 따라서 AC 공급 전압이 양극-음극 전압의 0 전압 교차점을 통과한 후 제어된 시간 또는 각도( α ) 동안 사이리스터 게이트 단자에 적용되는 점화 펄스를 지연함으로써 우리는 언제 제어할 수 있습니다. 사이리스터는 전류를 전도하기 시작하여 평균 출력 전압을 제어합니다.

반 제어 브리지 정류기

입력 파형의 양의 반주기 동안 전류는 SCR 1 및 D 2 경로를 따라 흐르고 다시 전원으로 흐릅니다. V IN 의 음의 반주기 동안 전도는 SCR 2 및 D 1을 거쳐 전원으로 다시 돌아옵니다.

그러면 모든 부하 전류가 흐르려면 상위 그룹( SCR 1 또는 SCR 2 )의 하나의 사이리스터와 하위 그룹( D 2 또는 D 1 )의 해당 다이오드가 함께 작동해야 한다는 것이 분명해졌습니다.

따라서 평균 출력 전압 VAVE 는 절반 제어 정류기에 포함된 두 사이리스터의 점화 각도 α 에 따라 달라집니다 . 두 다이오드는 제어되지 않고 순방향 바이어스될 때마다 전류를 통과시키기 때문입니다. 따라서 모든 게이트 점화 각도 α 에 대해 평균 출력 전압은 다음과 같이 계산됩니다.

절반 제어 정류기 평균 출력 전압

최대 평균 출력 전압은 α = 1 일 때 발생하지만 단상 비제어 브리지 정류기와 마찬가지로 여전히 0.637*V MAX 에 불과합니다.

우리는 완전히 제어되는 브리지 정류기 회로 를 제공하는 사이리스터로 4개의 다이오드를 모두 교체하여 브리지의 평균 출력 전압을 한 단계 더 제어하는 ​​아이디어를 취할 수 있습니다 .

완전 제어형 브리지 정류기

단상 완전 제어 브리지 정류기는 AC-DC 변환기로 더 일반적으로 알려져 있습니다. 완전 제어형 브리지 컨버터는 DC 기계의 속도 제어에 널리 사용되며 그림과 같이 브리지 정류기의 다이오드 4개를 모두 사이리스터로 교체하여 쉽게 얻을 수 있습니다.

완전 제어형 브리지 정류기

완전히 제어되는 정류기 구성에서 평균 DC 부하 전압은 반주기당 2개의 사이리스터를 사용하여 제어됩니다. 사이리스터 SCR 1 과 SCR 4 는 양의 반주기 동안 한 쌍으로 함께 작동되고, 사이리스터 SCR 3 과 SCR 4 도 음의 반주기 동안 쌍으로 함께 작동됩니다. 이는 SCR 1 및 SCR 4 이후 180 ° 입니다 .

그런 다음 연속 전도 모드 작동 중에 4개의 사이리스터는 평균 또는 동등한 DC 출력 전압을 유지하기 위해 교대로 쌍으로 지속적으로 전환됩니다. 절반 제어 정류기와 마찬가지로 사이리스터 점화 지연 각도( α )를 변경하여 출력 전압을 완전히 제어할 수 있습니다.

따라서 연속 전도 모드에서 단상 완전 제어 정류기의 평균 DC 전압에 대한 표현식은 다음과 같습니다.

완전 제어 정류기 평균 출력 전압

점화 각도 α를 각각 π 에서 0 으로 변경하여 평균 출력 전압을 V MAX / π 에서 -V MAX /π 로 변경합니다 . 따라서 α < 90o 일 때 평균 DC 전압은 양수이고 α > 90o 일 때 평균 DC 전압은 음수입니다. 즉, DC 부하에서 AC 전원으로 전력이 흐릅니다.

그런 다음 단상 정류기가 제어되지 않은 단일 다이오드 반파 정류기에서 4개의 사이리스터를 사용하여 완전히 제어되는 전파 브리지 정류기로 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위해 다양한 형태를 취할 수 있는 단상 정류에 대한 이 튜토리얼에서 살펴보았습니다.

반파장 정류기의 장점은 다이오드가 하나만 필요하므로 단순성과 저렴한 비용입니다. 그러나 입력 신호의 절반만 사용되어 낮은 평균 출력 전압을 생성하므로 그다지 효율적이지 않습니다.

전파 정류기는 입력 사인파의 반주기를 모두 사용하여 더 높은 평균 또는 등가 DC 출력 전압을 생성하므로 반파 정류기보다 더 효율적입니다. 전파 브리지 회로의 단점은 4개의 다이오드가 필요하다는 것입니다.

위상 제어 정류는 다이오드와 사이리스터(SCR)의 조합을 사용하여 AC 입력 전압을 제어된 DC 출력 전압으로 변환합니다. 완전 제어 정류기는 구성에 4개의 사이리스터를 사용하는 반면, 절반 제어 정류기는 사이리스터와 다이오드를 조합하여 사용합니다.

그러면 어떻게 하든 정현파 AC 파형을 정상 상태 DC 공급 장치로 변환하는 것을 정류 라고 합니다 .