정류란 무엇입니까?
이제 다이오드 의 가장 널리 사용되는 응용 분야인 정류 에 대해 알아보겠습니다 . 간단히 정의하면, 정류는 교류 (AC) 를 직류 (DC)로 변환하는 것입니다 . 이는 전하가 단방향으로만 흐르도록 하는 장치를 포함합니다. 앞서 살펴보았듯이, 반도체 다이오드가 바로 이러한 역할을 합니다. 가장 간단한 정류 회로는 반파 정류기입니다. 반파 정류기는 교류 파형의 절반만 부하로 전달합니다. (아래 그림 참조)
반파정류회로.
반파 정류
대부분의 전력 애플리케이션에서 반파 정류는 이 작업에 충분하지 않습니다. 정류기 출력 파형의 고조파 성분이 매우 크기 때문에 필터링이 어렵습니다. 더욱이, AC 전원은 전체 사이클마다 절반의 전력만 부하에 공급하기 때문에 용량의 절반이 사용되지 않습니다. 그러나 반파 정류는 저항 부하에 공급되는 전력을 줄이는 매우 간단한 방법입니다. 일부 2단 램프 디머 스위치는 램프 필라멘트에 최대 밝기를 위해 최대 AC 전력을 공급한 후, 반파 정류하여 광 출력을 낮춥니다. (아래 그림 참조)
반파정류기 응용분야: 2단계 램프 디머.
"Dim" 스위치 위치에서 백열전구는 일반적으로 전파 교류(Full-wave AC)에서 작동할 때 받는 전력의 약 절반을 받습니다. 반파 정류된 전력은 필라멘트가 가열되고 냉각될 시간보다 훨씬 빠르게 펄스되기 때문에 램프는 깜빡이지 않습니다. 대신 필라멘트는 평소보다 낮은 온도에서 작동하여 광출력이 감소합니다.
응답 속도가 느린 부하 장치에 전력을 빠르게 "펄스"하여 공급되는 전력을 제어하는 이 원리는 산업용 전자 분야에서 흔히 사용됩니다. 제어 장치(이 경우 다이오드)는 특정 시점에 완전 도통 상태이거나 완전 부도통 상태이기 때문에 부하 전력을 제어하는 동안 열 에너지가 거의 소모되지 않아 매우 에너지 효율적입니다. 이 회로는 부하에 전력을 펄스하는 가장 조잡한 방법일 수 있지만, 개념 증명(proof-of-concept) 용도로는 충분합니다.
전파 정류기
사인파의 두 반주기를 모두 최대한 활용하기 위해 AC 전원을 정류해야 하는 경우, 다른 정류 회로 구성을 사용해야 합니다. 이러한 회로를 전파 정류기라고 합니다 . 중앙 탭 설계 라고 하는 전파 정류기 중 한 종류는 아래 그림과 같이 중앙탭 2차 권선과 두 개의 다이오드를 갖춘 변압기를 사용합니다.
전파 정류기, 중앙 탭 설계.
양의 반주기
이 회로의 동작은 한 번에 한 반주기씩 살펴보면 쉽게 이해할 수 있습니다. 소스 전압 극성이 위쪽은 양(+), 아래쪽은 음(-)일 때의 첫 번째 반주기를 생각해 보겠습니다. 이 시점에서는 위쪽 다이오드만 도통하고, 아래쪽 다이오드는 전류를 차단하며, 부하는 위쪽은 양(+), 아래쪽은 음(-)인 사인파의 첫 번째 반주기를 "봅니다". 아래 그림과 같이 이 반주기 동안 변압기 2차 권선의 위쪽 절반에만 전류가 흐릅니다.
전파 중앙탭 정류기: 2차 권선의 상단 절반은 입력의 양의 반주기 동안 전도되어 부하에 양의 반주기를 전달합니다.
음의 반주기
다음 반주기 동안 AC 극성은 반전됩니다. 이제 다른 다이오드와 변압기 2차 권선의 나머지 절반은 전류를 흐르게 하고, 이전 반주기 동안 전류를 흐르게 했던 회로 부분은 공회전 상태로 유지됩니다. 부하는 여전히 이전과 같은 극성, 즉 위쪽은 양(+), 아래쪽은 음(-)인 사인파 의 절반을 "보게" 됩니다. (아래 그림)
전파 중앙탭 정류기: 음의 입력 반주기 동안 2차 권선의 하반부가 전도되어 부하에 양의 반주기를 전달합니다.
전파정류기 설계의 단점
이 전파 정류기 설계의 한 가지 단점은 2차 권선이 중앙 탭으로 연결된 변압기가 필요하다는 것입니다. 해당 회로가 고전력 회로인 경우, 적합한 변압기의 크기와 비용이 상당히 높습니다. 따라서 중앙 탭 정류기 설계는 저전력 애플리케이션에만 사용됩니다.
기타 구성
부하 측 전파 중앙 탭 정류기의 극성은 다이오드의 방향을 변경하여 반전시킬 수 있습니다. 또한, 반전된 다이오드는 기존의 양(+) 출력 정류기와 병렬로 연결할 수 있습니다. 그 결과 아래 그림과 같이 이중 극성 전파 중앙 탭 정류기가 생성됩니다. 다이오드 자체의 연결 구성은 브리지와 동일합니다.
이중 극성 전파 센터 탭 정류기
전파 브리지 정류기
더 널리 사용되는 또 다른 전파 정류기 설계가 있는데, 이는 4개의 다이오드로 구성된 브리지 구조를 기반으로 합니다. 당연한 이유로 이 설계를 전파 브리지 라고 부릅니다 . (아래 그림 참조)
전파 브리지 정류기.
전파 브리지 정류기 회로의 전류 방향은 아래 그림과 같이 AC 전원 파형의 양의 반주기에 대해, 음의 반주기에 대해 각각 다음과 같습니다. 입력 극성에 관계없이 전류는 부하를 통해 같은 방향으로 흐릅니다. 즉, 전원의 음의 반주기는 부하에서는 양의 반주기입니다.
전류는 두 극성 모두 직렬로 연결된 두 개의 다이오드를 통해 흐릅니다. 따라서 다이오드에서 소스 전압의 두 다이오드 강하(Si의 경우 0.7·2=1.4V)가 손실됩니다. 이는 전파 중앙탭 설계와 비교했을 때 단점입니다. 이 단점은 매우 낮은 전압의 전원 공급 장치에서만 발생합니다.
전파 브리지 정류기: 양의 반주기 동안 전류가 흐릅니다.
전파 브리지 정류기: 음의 반주기 동안 전류가 흐릅니다.
대체 전파 브리지 정류기 회로도
전파 브리지 정류기 회로에서 다이오드의 올바른 배치를 기억하는 것은 전자공학을 처음 배우는 학생들에게 종종 어려울 수 있습니다. 저는 이 회로를 다른 방식으로 표현하면 기억하고 이해하기가 더 쉽다는 것을 알게 되었습니다. 모든 다이오드가 수평으로 배치되어 있고, 모두 같은 방향을 "가리키고" 있다는 점을 제외하면 완전히 동일한 회로입니다. (아래 그림)
전파 브리지 정류기의 대체 레이아웃 스타일입니다.
대체 레이아웃을 사용한 다상 버전
브리지 정류기 회로에 대한 이러한 레이아웃을 기억하는 한 가지 장점은 아래 그림과 같이 다상 버전으로 쉽게 확장할 수 있다는 것입니다.
3상 전파 브리지 정류 회로.
3상 전선은 한 쌍의 다이오드 사이에 연결됩니다. 하나는 전력을 부하의 양(+) 측으로 전달하고, 다른 하나는 전력을 부하의 음(-) 측으로 전달합니다.
3상 이상의 다상 시스템은 브리지 정류기 방식에 쉽게 통합될 수 있습니다. 아래 그림의 6상 브리지 정류기 회로를 예로 들어 보겠습니다.
6상 전파 브리지 정류 회로.
다상 교류를 정류하면 위상이 바뀐 펄스가 서로 중첩되어 단상 교류를 정류했을 때보다 훨씬 "부드러운"(교류 성분이 적은) 직류 출력을 생성합니다. 이는 필터링 부품의 물리적 크기가 매우 크지만 저잡음 직류 전력을 얻어야 하는 고전력 정류 회로에서 매우 중요한 장점입니다. 아래 그림은 3상 교류의 전파 정류를 보여줍니다.
3상 AC 및 3상 전파 정류기 출력.
리플 전압
단상 또는 다상 정류의 모든 경우에서 정류기의 DC 출력에 혼합되는 AC 전압의 양을 리플 전압 이라고 합니다 . 대부분의 경우 "순수" DC가 목표이므로 리플 전압은 바람직하지 않습니다. 전력 수준이 너무 높지 않은 경우, 필터링 네트워크를 사용하여 출력 전압의 리플 양을 줄일 수 있습니다.
1펄스, 2펄스 및 6펄스 장치
때때로 정류 방법은 전기적 "회전"의 360 ° 마다 출력되는 DC "펄스" 수를 세는 방식으로 지칭됩니다 . 따라서 단상 반파 정류기 회로는 AC 파형의 한 완전한 사이클(360 ° ) 동안 단일 펄스를 생성하므로 1펄스 정류기라고 합니다. 단상 전파 정류기(설계, 센터탭 또는 브리지와 관계없이)는 AC 사이클의 시간 동안 두 개의 DC 펄스를 출력하므로 2펄스 정류기라고 합니다. 3상 전파 정류기는 6펄스 장치라고 합니다.
정류기 회로 위상
현대 전기 공학 관례는 위상 , 경로 , 펄스 수를 나타내는 3필드 표기법을 사용하여 정류 회로의 기능을 더욱 자세히 설명합니다 . 단상 반파 정류 회로는 1Ph1W1P(1상, 1경로, 1펄스)라는 다소 모호한 명칭을 사용합니다. 이는 교류 전원 전압이 단상이고, 교류 전원선의 각 상의 전류는 한 방향으로만 흐르며, 전기가 360 도 회전 할 때마다 단일 직류 펄스가 생성됨을 의미합니다 .
단상, 전파, 센터탭 정류기 회로는 이 표기법에서 1Ph1W2P로 지정됩니다. 즉, 각 권선 절반에 1개의 상, 1방향의 전류, 그리고 사이클당 2개의 펄스 또는 출력 전압이 있습니다.
단상 전파 브리지 정류기는 1Ph2W2P로 지정됩니다. 이는 센터탭 설계와 동일하지만, 전류는 AC 라인을 통해 단방향이 아닌 양방향으로 흐를 수 있습니다.
앞서 보여준 3상 브리지 정류기 회로는 3Ph2W6P 정류기라고 불립니다.
정류 회로에서 위상 수의 두 배보다 많은 펄스를 얻는 것이 가능할까요?
이 질문에 대한 답은 '예'입니다. 특히 다상 회로에서 그렇습니다. 변압기를 창의적으로 활용하면 전파 정류기 세트를 병렬로 연결하여 3상 교류에 대해 6개 이상의 직류 펄스를 생성할 수 있습니다. 3상 변압기의 권선 구성이 동일하지 않은 경우, 1차 권선에서 2차 권선으로 30 ° 위상 편이가 발생합니다.
즉, Y-Δ 또는 Δ-Y로 연결된 변압기는 이러한 30 ° 위상 편이를 나타내지만, YY 또는 Δ-Δ로 연결된 변압기는 그렇지 않습니다. 이 현상은 YY로 연결된 변압기 하나를 브리지 정류기에 연결하고, Y-Δ로 연결된 다른 변압기를 두 번째 브리지 정류기에 연결한 후, 두 정류기의 DC 출력을 병렬로 연결하여 활용할 수 있습니다. (아래 그림)
두 정류기 출력의 리플 전압 파형은 서로 30o 위상이 이동되어 있으므로 이를 중첩하면 각 정류기 출력을 개별적으로 고려할 때보다 리플이 작아집니다. 360o당 6개가 아닌 12개의 펄스가 발생 합니다 .
다상 정류 회로: 3상 2방향 12펄스(3Ph2W12P)
검토:
- 정류는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 것입니다.
- 반파 정류기 는 교류 전압 파형의 한 반주기만 부하에 인가하여, 부하에 교류 극성이 하나만 존재하도록 하는 회로입니다. 결과적으로 부하에 전달되는 직류는 상당히 "맥동"합니다.
- 전파 정류기 는 교류 전압 파형의 두 반주기를 동일한 극성의 끊어지지 않는 일련의 전압 펄스로 변환하는 회로입니다. 결과적으로 부하에 전달되는 직류는 맥동이 거의 없습니다.
- 다상 교류 전류는 정류되면 정류된 단상 교류 전류보다 훨씬 "부드러운" DC 파형( 리플 전압 감소)을 나타냅니다.