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PART7반도체 기본회로

실험 2 :정류회로

이론

일반적으로 정류회로란 교류를 직류로 바꾸는 회로를 말한다. + 전압과 - 전압을 연속적으로 갖고 있는 교류 전원을 +전압 또는 -전압의 한쪽 전압만 흐르도록 하는 회로이다. 다이오드는 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게 하는 특성이 있어 교류 전압을 직류로 바꾸는 정류회로의 핵심 소자로 쓰이고 있다. 정류 회로는 반파 정류회로, 전파 정류 회로, 브리지 정류회로 등이 있다.

① 반파 정류회로

다이오드를 사용한 가장 간단한 정류회로인 반파 정류회로(half wave rectification circuit)는 교류 입력전원이 단상이며, 다이오드 정류기가 다이오드 D 하나로 구성되고, 부하가 저항 R인 경우이다. 교류전압을 인가하였을 경우 양(+)의 주기는 도통되고 음(-)의 주기는 차단시킴으로써 양(+)의 파형을 가지는 것을 말한다.

fig7-5

그림 7-5반파정류회로 및 입출력 파형

그림 7-5 (a)와 같은 회로에서 교류전압 V(t)=Vm sin⁡ωt가 주어졌을 때, 입력파형과 출력파형을 비교하면 그림 7-5 (b)와 같이 나타낼 수 있다.

$V _{DC} = {1} over {T} int _{0} ^{{T} over {2}} {V _{O} (t)dt= {1} over {2 pi }} int _{0} ^{pi } {V _{max}} sin omega td( omega t)= {V _{max}} over {pi } =0.318V _{max}$

또한 출력전압의 주파수와 최대값은 입력전압의 주파수와 최대값과 같다. 단상 반파 정류회로는 효율이 낮아 대용량 제작에서는 Trans와 반도체의 용량이 커서 사용하기 힘들며, 소용량의 회로에 사용된다.

예) 240V 실효값을 가진 반파정류회로에 100Ω의 저항이 연결되었을 때 직류출력전압(VDC)와 저항에 흐르는 전류(IDC)를 계산하시오. 또한 부하에서 소비되는 전력을 구하시오.(V_rms=V_S)

풀이)

V_max =V_rms * 1.414

V_DC =0.45 * V_s =0.45 * 240=108 V

V_DC =0.318 * V_max =0.318 * (240 * 1.414)=108 V

I_DC = V_DC / _R = 108 / 100 =1.08 A

P=I² R=1.08² * 100 = 116 W

② 전파 전류회로

전파정류기(Full-waverectifier) 회로는 입력전압의 전주기 동안 부하에 전류가 흐르게 되고 반파 정류기에서는 입력전압의 한 주기 중 반 주기 동안에만 부하에 전류가 흐르게 된다.

전파정류회로에는 중간탭이 있는 변압기를 이용하는 방법과 브리지 다이오드를 이용하는 정류회로가 있다.

- 중간탭이 있는 변압기를 이용하는 방법
그림 7-6 (a)와 같이 중간탭 변압기와 2개의 다이오드를 사용하여 전파정류회로를 구성하게 되면 양(+)의 반주기와 음(-)의 반주기에 각각 다이오드 D1, D2가 교대로 동작하여 전파정류파형을 부하측에서 얻을 수 있다.

$V _{DC} = {2V _{max}} over {pi } =0.637V _{max} =0.9V _{rm s it}$

fig7-6

그림 7-6전파정류회로 및 입출력 파형

전파정류의 평균값은 반파정류의 평균값보다 2배 크다. 또한 출력전압의 주파수는 입력전압의 주파수의 2배이고, 최대값은 입력전압과 출력전압이 같다.
하지만 실제 출력전압의 최대값 Vm을 얻기 위하여 변압기의 2차측 출력전압의 최대값은 2Vm이 되어야만 한다는 점이다.

- 브리지 전파 정류회로

브리지 다이오드 전파정류회로는 전원전압이 정(+)의 반주기 동안은 그림 7-7 (b)와 같이 다이오드 D1과 D4가 도통되어 부하저항 R에 전류가 흐르게 되고, 부(-)의 반주기 동안에는 그림 (c)와 같이 D2와 D3가 도통되어 부하저항 R에 전류가 흐르게 된다. 이때 부하저항 R에는 양(+)인 구간과 음(-)인 구간 모두 한쪽방향으로만 전류가 흐르게 되어 정류가 된다. 브리지 다이오드 전파정류 출력전압의 평균값과 주파수는 변압기의 중간탭을 이용한 전파정류회로의 평균값과 주파수와 같다.

차이점은 전원전압 즉, 변압기의 2차 전압이 중간탭을 이용한 경우보다 반으로 줄어들고, 도통되지 않은 다이오드에 역방향으로 걸리는 전압의 크기도 반으로 줄어든다는 이점이 있다.

실제 다이오드는 이상적인 다이오드가 아니기 때문에 다이오드에서 약 0.7[V]의 전압강하가 생긴다고 볼 때 중간탭을 이용한 다이오드의 경우는 순방향 바이어스시 출력전압이 입력전압보다 약 0.7[V]정도 작게 나타나지만, 브리지 다이오드 전파정류의 경우는 동시에 두 개가 도통되므로 약 1.4[V]정도의 전압강하가 생긴다는 차이가 있다.

fig7-7

그림 7-7브리지 정류회로 및 입출력 파형

result_table
종류 \| 항목	평균전압 V_dc	실효전압 V_rms	전원전압의 크기	다이오드의 개수	역방향 첨두전압
반파정류	V_m / π	V_m / 2	V_m sin ω t	1개	V_m
중간탭을 이용한 전파정류	2V_m / π	V_m √2	2V_m sin ω t	2개	2V_m
브리지 다이오드를 이용한 전파정류	2V_m / π	V_m √2	V_m sin ω t	4개	V_m

실험 과정

fig7-8

그림 7-8반파정류 실험회로

1. M07 보드의 block b를 이용하여 그림 7-8과 같이 결선한다.

2. 교류 전원공급기를 이용하여 AC 9V를 입력한다.

3. 부하 저항 R4를 연결하고 오실로스코프를 사용하여 AC 입력 파형을 한 주기 동안만 표 7-2에 작도하고, 주기와 Vpp 및 주파수를 계산하여 표에 기록한다..

4. R4 양단의 출력을 오실로스코프로 관찰하고 표 7-2 해당란에 작도한다. 이때 평균출력 전압을 계산하여 기록한다.

5. 커패시터 C1과 C2를 각각 접속하여 출력파형을 관찰 기록하고, 커패시터가 부하와 병렬로 접속되었을 때와 접속되지 않았을 때의 어떠한 차이가 있는지 기술하시오.

tab1

실험 7-2.1 반파정류회로 실험

1.결선방법(M07의 block b)

1.회로 결선

block b의 SW2 우측 단자와 R3 우측과 연결된 단자 간을 황색선으로 연결한다.

block b의 L 우측 단자와 R4 위 단자 간을 황색선으로 연결한다.

2.전원 결선

M07 보드의 Variable Power의 V1 단자와 block b의 D2 좌측 단자 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 접지 간을 흑색선으로 연결한다.

3.계측기 결선

전면 패널의 Signal Input CH A의 A+ 단자와 block b의 D2 좌측 단자 간을 적색선으로 연결하고, A- 단자와 COM 단자간을 흑색선으로 연결한다.

전면 패널의 Signal Input CH B의 B+ 단자와 block b의 R4 위 단자 간을 적색선으로 연결하고, B- 단자와 접지 간을 흑색선으로 연결한다

2.결선도

flash

3.측정방법

1Touch LCD패널에서 variable power을 선택한 다음, 3 Phase AC Power 탭을 클릭한다.
AC Voltage 표시창 오른쪽의 button_arrow를 클릭하여 9.0V 가 되도록 한다.

on을 클릭하여 3 Phase AC Power의 출력을 Block b 입력에 가한다.
2입 출력파형을 측정한다.
전면 패널 analog input을 선택한다.

Oscilloscope 화면에서 나타난 파형을 표 7-2 해당란에 그린다.
3부하 상태에서의 C1을 연결하고 출력파형을 측정
C1 연결 : Block b의 C1 위 단자와 우측 단자 간을 황색선으로 연결한다.

Oscilloscope 화면에서 나타난 파형을 표 7-2 해당란에 그린다.
4부하 상태에서의 C2를 연결하고 출력파형을 측정
C2 연결 : Block b의 C1 위 단자와 우측 단자 간을 황색선으로 연결한 것을 제거하고 C2 위 단자와 L 우측 단자 간을 황색선으로 연결한다.

Oscilloscope 화면에서 나타난 파형을 표 7-2 해당란에 그린다.
5측정이 끝나면 3 Phase AC Power의 on red을 클릭하여 출력을 차단한다.