전파 정류 회로, 동작 원리, 출력 파형, 브리지 정류, 평활 커패시터, 장점 3가지와 단점

1. 전파 정류 회로란?

전파 정류 회로는 각 파형 주기의 양쪽 반을 각각의 정류 다이오드 네 개를 사용하여 펄스형 DC 신호로 변환하는 회로입니다.
파워 다이오드 부하 저항을 통한 평활 커패시터 연결을 통해 직접 DC 전압의 리플 또는 전압 변동을 줄이는 방법을 살펴보았습니다.

이 방법은 저전력 애플리케이션에는 적합할 수 있지만, “안정적이고 부드러운” DC 공급 전압이 필요한 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 이를 개선하는 한 가지 방법은 입력 전압의 매 반주기를 사용하는 것입니다.
이를 위한 회로가 전파 정류 회로입니다.

반파 회로와 유사하게 전파 정류기 회로는 주로 DC인 출력 전압 또는 전류를 생성하거나 지정된 DC 성분을 포함합니다.
전파 정류기는 반파 정류기와 비교하여 여러 가지 이점을 제공합니다.
평균 (DC) 출력 전압은 반파 정류기보다 높으며, 출력은 반파 정류기보다 훨씬 적은 리플을 가지므로 부드러운 출력 파형을 생성합니다.

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2. 전파 정류 회로의 동작 원리

전파 정류 회로는 교류 입력 신호의 양의 반주기와 음의 반주기 모두를 이용하여 직류 출력을 생성하는 회로입니다.
이 회로는 두 개의 파워 다이오드와 부하 저항(RL)으로 구성되어 있습니다.

• 양의 반주기
  변압기의 ⓐ점이 ⓒ점에 비해 양극성인 경우, 다이오드 D1이 전진 방향으로 동작합니다.
  다이오드 D1이 전진 상태이므로 전류가 부하 저항 RL을 통해 흐릅니다.
  이때, 부하 저항 RL을 통해 흐르는 전류는 다이오드 D1을 통해 절반 주기 동안 흐르게 됩니다.
  
• 음의 반주기
  이후, 변압기의 ⓑ점이 ⓒ점에 비해 양극성이 되면, 다이오드 D2가 전진 방향으로 동작합니다.
  마찬가지로 다이오드 D2가 전진 상태이므로 전류가 부하 저항 RL을 통해 흐릅니다.
  이때도, 부하 저항 RL을 통해 흐르는 전류는 다이오드 D2를 통해 절반 주기 동안 흐르게 됩니다.

이렇게 양극성과 음극성 각각의 반주기에서 전류가 흐르면서, 부하 저항 RL에 가해지는 전압의 변화를 줄이고, 출력 전압이 더 매끄럽게 유지됩니다.
이렇게 생성된 직류 출력은 부하에 안정적인 전원을 제공하며, 전파 정류 회로의 동작 원리로 설명됩니다.

3. 전파 정류 회로의 출력 파형

전파 정류 회로에서는 두 개의 다이오드가 각각 절반 파형을 생성하고 이러한 절반 파형 사이의 간격을 채워줌으로써, 부하 저항에 걸리는 평균 DC 출력 전압이 단일 반파 정류 회로의 두 배로 증가합니다.
이때, 전압 손실이 없다고 가정하면 평균 DC 출력 전압은 최대 전압(V_MAX)의 약 0.637배가 됩니다.

DC 출력 전압(VDC)의 계산 공식은

여기서, V_MAX는 보조 감쇠기의 반 중 한쪽에서의 최대 피크 값을 나타내며, V_RMS는 평균제곱근 값으로, V_RMS = 0.7071 * V_MAX로 계산될 수 있습니다.
전류(AC)는 회로를 통해 흐르며, 이는 I_DC = V_DC / R 공식을 사용하여 계산됩니다.
이때 R은 부하 저항을 나타냅니다.

출력 파형의 최대 전압은 반파 정류기와 동일하게 유지되지만, 다른 DC 출력을 얻기 위해 다양한 변압기 비율을 사용할 수 있습니다.

그러나 이러한 종류의 전파 정류 회로는 반파 정류기보다 큰 트랜스포머를 필요로 합니다.
왜냐하면 두 개의 별도이지만 동일한 보조 감쇠기가 필요하기 때문입니다.
이러한 요인으로 인해 전파 정류 회로는 비용 면에서 등가물인 전파 브리지 정류 회로보다 비용이 더 많이 들 수 있습니다.

4. 전파 브리지 정류 회로

위의 전파 정류 회로와 동일한 출력 파형을 생성하는 또 다른 회로 유형은 전파 브리지 정류 회로입니다.
이 유형의 단상 정류기는 원하는 출력을 생성하기 위해 닫힌 루프 “브리지” 구성에 연결된 네 개의 개별 정류 다이오드를 사용합니다.

이 브리지 회로의 주요 장점은 특수한 중심 탭 트랜스포머가 필요하지 않으므로 크기와 비용이 줄어든다는 것입니다.
단일 보조 감쇠기는 다이오드 브리지 네트워크의 한 쪽에 연결되고, 부하는 아래에 연결됩니다.

4-1) 다이오드 브리지 정류 회로(Diode Bridge Rectifier)

다이오드 브리지 정류 회로에는 네 개의 다이오드(D1부터 D4까지)가 사용됩니다.
이 다이오드는 “짝으로 연결”되어 있어 각 반주기 동안에는 두 개의 다이오드만이 전류를 통과합니다.
양의 반주기 동안에는 D1과 D2 다이오드가 직렬로 전류를 통과시키고, 동시에 D3과 D4 다이오드는 역방향으로 편향되어 있습니다.
이렇게 함으로써 전류는 부하를 통해 흐르게 됩니다.

4-1-1) 양의 반주기 동작(Positive Half-cycle)

양의 반주기 동안에는 다이오드 D1과 D2가 활성화되어 전류를 흐르게 합니다.
이때, D1과 D2가 동시에 활성화되어 전류가 진행되는데, 이는 전류가 단방향으로 흐르는 것을 의미합니다.

반면에 다이오드 D3과 D4는 역방향으로 편향되어 있으므로 전류가 흐르지 않습니다.
이러한 배치로 인해 부하가 통해 전류가 흐르고, 이는 완전파 정류기 회로에서 양의 반주기 동안의 동작을 설명합니다.

4-1-2) 음의 반주기 동작(Negative Half-cycle)

음의 반주기 동안에는 다이오드 D3과 D4가 활성화됩니다.
이 때, 다이오드 D3과 D4는 직렬로 연결되어 있으며 전류를 흐르게 됩니다.

이는 다이오드 D3과 D4가 동시에 활성화되어 전류가 단방향으로 흐르는 것을 의미합니다.
다이오드 D1과 D2는 이러한 전류 흐름을 차단하는 역할을 합니다.
따라서 이러한 다이오드 구성으로 인해 부하에는 전류가 흐르게 되며, 이것이 전체적으로 완전파 정류기 회로에서 음의 반주기 동안의 동작을 설명합니다.

5. 전파 정류 회로와 평활 커패시터

전파 정류 회로와 평활 커패시터를 함께 사용한 정류 회로는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 데 흔히 사용되며, 리플 전압이 감소합니다.
정류 회로는 AC 파형의 양쪽을 모두 정류하고, 평활 커패시터는 파동형 파형의 정점에서 전하를 저장하고, 골짜기에서는 이를 방출하여 리플을 줄이는 데 도움이 됩니다.

5-1) 동작 원리

• 정류: 전파 정류 회로는 일반적으로 브리지 구성으로 배치된 다이오드를 사용하여 AC 파형의 양쪽을 모두 정류합니다.
  이로 인해 양방향으로 펄스가 발생하는 파형이 생깁니다.
• 충전 단계: 정류된 파형의 양의 반 주기 동안 커패시터는 정류된 다이오드를 통해 파형의 최대 전압까지 빠르게 충전됩니다.
  상대적으로 낮은 저항성을 가진 다이오드와 커패시터의 덕분에 이 충전 과정은 빠르게 일어납니다.
• 방전 단계: 정류된 파형의 음의 반 주기 동안 커패시터는 저장된 에너지를 부하 저항을 통해 방출합니다.
  이 방전 과정은 다이오드가 역방향으로 방전되는 것을 방지하기 때문에 천천히 일어납니다.
  커패시터는 정류된 파형의 정점 사이의 간격 동안 부하 저항에 전력을 공급하여 출력 전압의 변동을 완화합니다.
• 평활: 평활 커패시터는 전하 저장소로 작용하여 리플 전압을 줄입니다.
  파형의 정점에서 에너지를 저장하고 골짜기에서 방출하여 출력 전압을 매끄럽게 만듭니다.
  평활 커패시터의 용량이 클수록 리플 전압을 줄이는 능력이 커집니다.
• 출력: 부하 저항을 통해 출력되는 출력은 비교적 안정된 DC 전압이며, 평활이 없는 정류 파형과 비교하여 리플이 훨씬 적습니다.
  매끄러운 DC 전압은 전자 장치를 구동하거나 다양한 응용 분야에서 안정된 전압 참조로 사용될 수 있습니다.

5. 브리지 정류 회로 Ripple 전압

브리지 정류기 회로에서 출력 전압에는 평활 커패시터의 주기적인 충전 및 방전으로 인한 리플이 포함됩니다.
이 리플 전압은 이상적으로는 일정해야 하는 DC 출력 전압에 겹쳐진 움직임으로, 이는 원하지 않는 변동입니다.

브리지 정류기 회로에서의 리플 전압은 평활 커패시터의 용량, 부하 저항 및 AC 입력 전압의 주파수 등 여러 요소에 의해 결정됩니다.

브리지 정류기 회로에서 리플 전압을 계산하는 공식은

• 여기서
• I_DC​는 부하 저항을 통해 흐르는 DC 출력 전류입니다.
• f는 AC 입력 전압의 주파수이고,
• C는 평활 커패시터의 용량입니다.

이 공식은 리플 전압이 평활 커패시터의 용량에 반비례하고, 부하 전류 및 AC 입력 전압의 주파수에 정비례한다는 것을 보여줍니다.

리플 전압을 줄이기 위해 보다 큰 평활 커패시터 용량을 사용할 수 있습니다.
그러나 커패시터 값 선택 시 비용, 크기 및 성능 요구 사항 등의 실제적인 고려 사항을 고려해야 합니다.

또한, 부하 저항을 줄이고 AC 입력 전압의 주파수를 높임으로써 리플 전압을 최소화할 수 있지만, 이러한 매개 변수는 특정 응용 프로그램 요구 사항에 따라 제한될 수 있습니다.

전반적으로, 브리지 정류기 회로에서 리플 전압을 이해하고 제어하는 것은 전자 시스템 및 전원 공급 응용 분야에서 DC 출력 전압의 안정성과 신뢰성을 보장하는 데 중요합니다.

6. 전파 정류 회로 장.단점

6-1) 장점

• 단순한 회로 구성: 전파 정류 회로는 일반적으로 소수의 다이오드 및 저항으로 구성되어 있어 설계와 구현이 비교적 간단합니다.
• 낮은 비용: 필요한 부품이 적기 때문에 전파 정류 회로의 구축 및 유지 관리 비용이 상대적으로 저렴합니다.
• 기본적인 정류 기능: 전파 정류 회로는 교류 전원을 직류로 변환하여 다양한 전자 장치 및 회로에서 사용할 수 있는 안정적인 전원을 제공합니다.

6-2) 단점

• 전압 손실: 정류 과정에서 일부 전압이 손실되므로 출력 전압이 입력 전압의 일부만 될 수 있습니다.
  이로 인해 회로의 효율성이 감소할 수 있습니다.
• 리플 전압: 정류된 DC 신호에는 리플이 포함될 수 있으며, 이는 전원의 안정성과 신호 품질에 영향을 줄 수 있습니다.
• 전력 손실: 다이오드의 내부 손실로 인해 전력이 소비되며, 이는 회로의 효율성을 낮출 수 있습니다.
• 변환 효율성: 전파 정류 회로는 전력 변환 효율성 면에서 전체적으로 높지 않을 수 있으며, 이는 불필요한 열 및 에너지 손실로 이어질 수 있습니다.