전원공급장치: 브리지 정류기(Bridge Rectifier) 및 평활 회로(Smoothing Circuit)

[상과하]

전원공급장치: 브리지 정류기(Bridge Rectifier) 및 평활 회로(Smoothing Circuit)

【 이론 】

브리지 정류기(Bridge Rectifier)

그림 9-4의 브리지 정류기는 반파정류기에 비하여 동일한 변압기전압으로 2배의 DC부하전류를 흘릴 수 있다. 변압기전압

$$

V = V_ac

가 +인 반사이클에서 전류는 그림 9-4(c)에 표시된 방향으로 흐르고 V가 -인 반사이클에서는 (d)에 표시된 방향으로 흐르므로

$$

R_L

에는 항상 같은 방향의 전류가 흐른다. 그래서 이런 정류기를 전파정류기라 하며 전류는 다음과 같이 정의된다.

$$

I_dc = 2V_m over {pi R_L} = 2I_m over pi

한편 브리지정류기의 단점은 4개의 다이오드가 필요하고, +, - 어느 사이클에서나 2개의 다이오드에서 전력소비가 있고, 부하전압이 2개의 다이오드에서의 전압강하만큼 낮다는 것이다.

평활 회로(Smoothing Circuit)

AC를 DC로 변류하려면 Diode에 의하여 정류를 한 후에 반드시 Low Pass Filter(Smoothing 회로)를 거치지 않으면 안된다.

다시 말하면 정류된 맥류를 맥동(Ripple)이 없는 DC로 만들기 위해서는 Smoothing 회로에 의하여 맥동전류를 가능한 없도록 해야 한다.

여기서 가장 흔히 사용되고 있는 몇가지 방법중 그 장단점은 다음과 같다.

1.Choke와 Condenser를 사용한 Smoothing 회로

이는 RC Smoothing 방법보다 부하에 의한 출력전압 변동률이 적으며 또한 출력효율이 높다. 그 이유는 Choke의 DC 저항은 극히 적기 때문에 부하 전류에 의한 DC 전압강하는 거의 없으며, 다만 맥동부분에 대해서만 전압 변동률이 있게 된다. 그러나, Choke의 교류적인 Reactance는 크므로 Ripple를 크게 감소시킬 수 있게 된다.

【참고】

$$

전압~변동율 ~= {~무부하~출력전압 ~- ~부하 ~출력전압} over 부하~출력전압 ~× ~100[%] 이다.

a. Choke(Inductor)를 사용한 Smoothing회로에서, Condenser Input형은 정류기 입력의 AC 전압보다 높은 (

$$

sqrt 2

배 이하) DC 전압을 얻을 수 있다. 그러나 Choke 입력형은 오히려 약간 낮은 (

$$

1 / sqrt 2

배 이하) 전압으로 출력된다.

b. Choke Input형은 Condenser Input형보다 출력전압 변동률이 적으므로 전압안정도를 필요로 하거나 또는 정전압을 하기 힘든 수천 볼트 이상의 DC전원 공급회로에서는 Choke 입력방식을 택하고 있다.

c. Choke를 사용한 Smoothing 회로는 저항을 사용한 회로에 비하여 출력효율이 대단히 높다. 그 이유는 쵸크는 Ripple에 대하여는 큰 Reactance를 나타내지만 DC에 대하여는 Coil의 DC저항만이 영향을 주므로 부하전류에 의한 순수 DC전압 강하가 극히 적기 때문이다.

d. L과 C 또는 R과 C의 값은 상호 적절할 때 낭비없는 최대의 Ripple 제거효율과 출력효율을 올릴 수 있다.

【참고】

$$

양파의~ 경우 ~Ripple율 ~=~ {Ripple ~전압(V_"rms")} over {DC 출력 ~전압(V_AV )} ~× ~100[%]

 

$$

여기서, ~~평균값~전압~(V_AV ) ~=~ 최대 ~전압~(V_PK )~×~ it 2 over pi

 

$$

~~실효값~전압~(V_"rms" ) ~=~ 최대 ~전압~(V_PK )~×~ 1 over sqrt 2~

2. Resistor와 Condenser를 사용한 Smoothing 회로

RC Smoothing 회로는 저 가격인 것이 특징이고 또한 부착 장소가 적게 될 수 있다. 그러나 부하전류가 클 경우 회로의 직렬 Filter 저항에서의 전압강하가 많이 생기며 따라서 전압 변동률이 크고 또한 출력효율이 적어지는 단점이 있다. 그러므로 수백 mA 이하의 적은 부하전류 회로에서만 사용되고 있다.

RC Smoothing 회로에서 유의하여야 할 것은 R의 전력용량(Rate Power)이 충분히 설계에 반영되어야 한다. 즉, Series Resistor를 흐르는 전류가

$$

I_R

일 경우 이때 전력 용량은

$$

W = R CDOT {I_R}^2

이 되며 실제 사용에서는 이 값의 약 2배로 하여 주고 있다.

a. 같은 전압회로에서 부하전류가 커질수록 Smoothing 쵸크나 저항보다는 콘덴서 용량을 증가시켜야 한다. 그 이유는 쵸크나 저항은 Ripple률에만 적용되며 오히려 부하전류 증가에 의한 전압변동률에는 단점이 되기 때문이다.

b. 저항 Smoothing회로는 전력효율을 생각할 필요없는 작은 전력소모의 부하를 위해서만 사용된다. 이는 그 회로가 소형화되기 때문이다.

c. L과 C로 된 Smoothing 회로에서 적정 L값보다 L값을 줄이고 C를 증가시킨다면 그만큼 출력전압 변동률은 증가한다.

【참고-1】 L과 C로 구성된 Smoothing 회로의 L과 C 값의 적정설계 (C는 최소한 값임)

⼗ L(Inductance) 값의 설계

 

$$

X_L~=~ 1 over K · {E ~(쵸크입력전압~V)} over {I ~(쵸크를 통해 흐르는 전류 ~A)}

여기서 L을 구하면

 

$$

L(Henry)~=~ 1 over K ·{ E ~(Volt) } over {2 pi ~f·I~(Ampere)}~ Image ~ E~(Volt) over I~(mA)

⼗ C(Capacitance) 값의 설계

 

$$

C( mu F)~ Image ~left [ {I_L t} over 0.5r_R right ] ~·~ 10^4

여기서

$$

I_L

= 부하전류 (A),

$$

r_R

= Ripple률(%), 맥동주기

$$

t~

는 60Hz 양파정류이므로

$$

t= 1 over {120 rm Hz} it = 8.3 × 10^-3sec.

이다.

【참고-2】 R과 C로 구성된 Smoothing 회로의 R과 C 값의 적정설계 (C는 최소한 값임)

⼗ Resistor 값의 설계

 

$$

R( OMEGA ) ~=~ K_R · {E~(R~ 입력전압 ~V)} over {I ~(부하전류 ~A)}

여기서

$$

K_R ~ = ~ 25 over 100

이다. 이는 Smoothing 저항 R 양단의 전압강하가 R 입력전압의 25%로 설정됨을 말한다.

⼗ Capacitance 값의 설계

 

$$

C( mu F)~ Image ~left [ {I_L · t} over 0.12r_R right ] ~·~ 10^4

여기서

$$

I_L

= 부하전류 (A)

 

$$

r_R

= Ripple률 (%)

 

$$

t~

=

$$

1 over 120 = 8.3×10^-3sec.

이다.

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