【전자회로 기본Ⅰ】 10강 - 정류회로에서의 다이오드

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9강에서는 LED 발광 다이오드에 대하여 학습하였음

LED란 순방향 바이어스 방향으로 작동할 때 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 반도체 장치를 말함

전자가 정공과 재결합할 때마다 반도체 다이오드에서 에저니는 광자의 형태로 잠깐 방출됨

이때 일반 실리콘 다이오드의 경우 광자 대부분이 실리콘 내에서 열로 변환되고 매우 적은 양의 광 또한 적외선 영역의 파장을 갖음

따라서 LED 다이오드를 제조할 때는 p형에는 갈륨을, n형에는 비소를 도핑함

LED 수명에 영향을 미치는 요소로는 온도, LED 구동 레벨, 전원 공급 장치, 환경 등이 있음

 

https://nate0707.tistory.com/109

【전자회로 기본Ⅰ】 9강 - LED 발광 다이오드

 

1. 반파 정류기

 

- 직류 전원 장치

 

직류 전원 장치란 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 장치를 말함

일반적으로 우리나라에서는 발전소에서 교류의 형태로 220V, 60Hz를 가정에 공급함

대부분의 가전제품은 직류 전원을 사용하기에 발전소에서 온 교류를 직류로 변환해야함

 

 

- 반파 정류기

 

 

다이오드는 한쪽 방향으로만 전류를 흘리는 특성이 있어 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류회로에서 사용됨

 

교류 신호원에 다이오드가 연결되었을 때

 

교류 입력 '+' : 다이오드에 순방향 전압이 인가되어 순방향 전류가 흐름

교류 입력 '-' : 다이오드에 역방향 전압이 인가되어 전류가 흐르지 않음

* 전류가 흐르지 않을때 부하저항에 걸리는 전압은 0이 됨

 

- 순방향 전압의 영향

 

순방향 바이어스에서 다이오드의 순방향 전압은 부하에 인가되는 전압에 영향을 미치게 됨

하지만 역방향 바이어스의 경우에는 전압에 영향을 미치지 못함

 

 

 

정류용 다이오드는 순방향 전압 강하가 0.7V로 10V의 전압이 걸린다면 실제 영향은 9.3V

쇼트키 다이오드는 순방향 전압 강하가 0.3V로 10V의 전압이 걸린다면 실제 영향은 9.7V

 

 

- 변압기를 사용한 반파 정류기

 

가정용으로 들어오는 교류 220V, 60Hz를 곧바로 정류회로에 연결시키면 정류회로의 오류로 인한 영향이 있을 수 있음

이를 해결하기 위해 전기적으로 분리시키는 방법이 필요한데 이때 변압기를 사용함

 

변압기는 교류전원과 정류회로를 전기적으로 분리시킬 수 있음

정류전압을 원하는 만큼 변동시킬 수 있는 장점이 있음

 

# 변압기의 원리

 

변압기의 1차 코일의 감긴 횟수$N_1$, 전압$V_1$, 전류$I_1$ 임피던스$Z_1$과 2차 코일의 감긴 횟수$N_2$, 전압$V_2$, 전류$I_2$ 임피던스$Z_2$의 관계

 

변압기의 원리

 

예시)

 

12V의 교류전압이 들어왔을때, 코일은 3:1의 비율로 감겨있고, 순방향 전압 강하가 0.7V일 때 $V_{out}$은?

 

 

코일의 감긴 횟수가 3:1이므로 변압기를 통과하면서 12V는 4V가 되고, 0.7V의 순방향 전압 강하로 3.3V의 전압이 출력됨

 

2. 전파 정류기

 

- 전파 정류기

 

반파 정류기 : 입력 교류원의 '+' 부분만 정류하므로 효율이 많이 떨어짐

전파 정류기 : 입력 교류원의 '+' 부분 뿐만 아니라 '-' 부분까지도 정류할 수 있고 대부분의 정류기에 사용됨

 

 

- 중간탭 전파 정류기

 

중간탭 전파 정류기$(Center Tapped Rectifier)$는 2차 코일이 중간에 접지되고 2차 코일 양단에 다이오드가 연결된 구조임

 

주간탭 전파 정류기 구조

 

입력 신호의 '+' 구간에서는 윗쪽 다이오드에 순방향 전압이 인가됨

 

 

입력 신호의 '-' 구간에서는 아랫쪽 다이오드에 순방향 전압이 인가됨

 

 

이때 탭 중간에서 접지가 되었으므로 코일의 감긴 횟수는 $N_2/2$로 줄어든 효과가 나타남

기존 3:1이라면 6:1의 효과임

 

- 브리지 정류기

 

브리지 정류기$(Bridge Rectifier)$란 4개의 다이오드를 연결한 구조의 정류기임

 

브리지 정류기 구조

 

입력 신호의 '+' 구간에서는 다이오드 D1, D3에 순방향 전압이 인가됨

 

 

입력 신호의 '-' 구간에서는 다이오드 D2, D4에 순방향 전압이 인가됨

 

 

3. 전원장치의 필터

 

- 커패시터 필터

 

전파 정류기의 출력은 전압 변동이 크므로 필터를 이용한 평탄화 작업이 필요함

 

 

위의 회로에서 다이오드의 순방향 바이어스에서 커패시터는 충전되었다가 역방향 바이어스에서 방전됨

* 커패시터는 축전기로 다음 내용을 참고

 

https://nate0707.tistory.com/100

【전자회로 기본Ⅰ】 2강 - 커패시터

 

방전 시간은 커패시터 C와 부하저항 $R_L$의 시정수에 의해 정해짐

* 시정수란 시정수란 커패시터의 전압이 63.2%만큼 충전됐을 때의 시간을 의미함

일정한 부하저항을 기준으로 커패시터의 값이 클수록 $R_LC$ 시정수 값이 커지므로 완만한 방전 곡선을 그림

 

 

- 리플계수

 

리플계수는 리플전압 실효값과 최종 출력되는 DC 전압의 평균값을 나눈값임

리플 계수는 필터 출력 전압의 품질을 나타내는 파라미터임

 

 

리플계수값이 작을수록 효율이 높음

 

 

리플계수가 작다는 것은 $V_{r(pp)}$값, 즉 전압 변동이 작아 노이즈가 적고 흔들림이 적다는 것을 말함