정류기, rectifier란 교류를 직류로 변환하는 전력 변환 장치를 말한다. 그중 다이오드 정류기는 전력용 다이오드를 사용하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 전력 변환기가 있다.
다이오드만을 사용한 정류기의 경우 출력을 제어하지 않고 교류를 직류로 변환하는 비 제어 정류기로 경제성이 높아 널리 사용된다.
정류기는 일상의 가전 및 전자제품, 배터리 충전기 등 실 생활과도 밀접한 관계가 있다.
다이오드는 온•오프 제어가 불가한 소자이므로 다이오드를 사용한 정류기의 출력 제어는 불가능하다. 따라서 직류 출력 전압의 크기는 교류 입력 전압의 크기에 의해 결정된다. 또한 전력의 흐름은 교류 입력 측에서 직류 출력 측으로의 단방향으로만 이루어지는 1상한 동작을 한다. 입력 전원에 따라 일반적으로 단상과 3상 정류기로 나뉜다.
입력 전원이 단상 이상의 경우에도 직류 변환이 가능하다. 다만, 상수에 따라 회로에 적용되는 다이오드의 개수, 전류 용량, 리플 성분 등이 달라진다. 정류기 회로 구성은 크게 두 가지로 반파 정류기와 전파 정류기로 분류된다.
반파 정류기
- 1주기당 한 개의 펄스를 가지는 출력 전압 파형
- 각 상은 반주기 동안만 전력을 공급
단상 반파 다이오드 정류기
가장 간단한 형태의 정류기로 산업 분야에 일반적으로 사용되지 않지만 정류기 동작 원리를 이해하는 데 매우 유용하다.
회로는 단상 교류 입력 전원, 한 개의 다이오드 및 저항 부하로 구성되며 출력 전압은 교류 입력 전압에 대해 양(+)의 반주기만 출력되고, 음(-)의 반주기에서는 출력되지 않는다.
양의 반주기) 입력 전압이 양(+)으로 되면 다이오드는 순방향 바이어스가 되어 온 상태가 되고 전원과 부하가 연결되어 부하에 전력이 공급된다. 즉, 양의 반주기 동안 다이오드가 도통되며 부하의 양단에는 입력 전압이 나타난다. 이때 부하 전압의 파형은 양의 반파만 출력되고, 출력 전압이 갖는 맥동의 주파수는 전원 주파수와 같아진다.
음의 반주기) 입력 전압이 음(-)으로 되면 다이오드는 역방향 바이어스가 되어 오프 상태가 되고 전원과 부하가 분리되어 전류가 흐를 수 없게 된다. 따라서, 출력 전압 및 전류는 모두 0이 된다. 전원 전압의 음의 반주기 동안 다이오드는 'Blocking Condition'이 되며 전원 전압은 다이오드에 역방향으로 인가된다. 이때 다이오드 전압은 전원 전압의 음의 반주기와 같은 파형이 되며, 최대 인가전압은 루트 2배가 된다. 이를 최대 역전압(PIV : Peak Inverse Voltage)이라고 한다.
이렇기 때문에 회로에 사용되는 다이오드의 항복 전압은 PIV보다 크게 설정되어야 한다. 즉, 다이오드의 항복 전압이 전원의 최대치보다 작으면 역전압을 저지하지 못하는 구간이 생기므로 정류기 설계 시 이를 필수적으로 고려해야 한다.
3상 반파 다이오드 정류기
3상 정류기는 교류 입력 전원의 상수에 각각 단상 정류기를 연결하면 된다. 3상 반파 다이오드 정류기는 단상 반파 다이오드 정류기 세 개를 병렬 연결한 구조이다. 3상의 입력 전원 중 어느 하나가 출력으로 나타난다. 따라서 출력 전압은 임의의 순간에 가장 높은 전압을 갖는 상으로 결정된다. 그리고 그 상에 연결된 다이오드만이 일정 기간 온되어 각 전원은 단방향의 전류만 흐르게 된다.
3상 정류기의 직류 출력 전압, 전류 파형은 단상 다이오드 정류기의 출력에 비해 리플 성분의 크기가 작아 평활된 직류 출력을 얻을 수 있다.
3상 다이오드 정류기는 각 상의 교류 전원 측 전류가 한쪽 방향으로만 흐르므로 교류 전원 측에 악영향을 미치게 되어 널리 이용하지 않는다.
전파 정류기
- 1주기당 두 개의 펄스를 가지는 출력 전압 파형
- 각 상은 모든 주기 동안 전력을 공급
단상 전파 다이오드 정류기
단상 전파 다이오드 정류기, full wave diode rectifier는 교류 전원의 양(+), 음(-)파를 모두 출력시키므로 1주기당 출력 전압 펄스의 수가 두 배로 된다. 따라서 반파 정류기에 비해 평균 전압이 두 배로 증대되고 맥동 또한 개선된다. 전파 정류기에서는 교류 전원의 평균 전류는 0이므로 편차가 발생하지 않는다.
3상 전파 다이오드 정류기
3상 전파 다이오드 정류기는 여섯 개의 다이오드로 구성된다. 3상 전파 정류 시 반파 정류기의 문제점이 해결되며, 출력 전압 파형의 리플 성분이 크게 감소한다. 3상 전파 정류기는 단상 전파 정류기에 비해 성능이 우수하며 변압기의 유무에 관계없이 동작할 수 있다. 이 정류기는 전원 전압의 1주기 내에 펄스폭이 60°인 여섯 개 펄스 형태의 선간 전압으로 직류 출력 전압이 얻어진다.
3상 전파 정류기는 일반적으로 대용량 부하에 직류 전압과 전류를 공급하는 산업용으로 널리 사용되고 있다.
임의의 시간에 3상 전원 중 전압의 크기가 양의 방향으로 가장 큰 상의 다이오드가 온되고, 나머지 두 개의 다이오드는 역방향 바이어스되어 오프 상태를 유지한다. 역으로 3상 전원 중 전압의 크기가 음의 방향으로 가장 큰 상의 다이오드가 온되고, 나머지 두 개의 다이오드는 역방향 바이어스되어 오프 상태를 유지한다.
정전압 전원 장치
정전압 장치란 교류 전원 전압의 변동이나 부하 변동에도 불구하고 부하 전압이 일저정하게 유지되도록 하는 장치를 말한다.
교류 전원, 정류기, 변압기를 통해 얻어진 직류 출력 전압은 교류 전압 변동, 부하 변동, 소자의 주위 온도 변화 등으로 인한 출력 전압 변동 시 부하에 크리티컬한 영향을 미칠 수 있다. 따라서 전기•전자 기기, 컴퓨터 등 반도체 소자를 사용한 전자 장치에서 정상 동작을 하기 위해서는 정전압 안정화 회로가 필요하다.
안정화 전원 회로의 기본 회로는 직류 출력의 전압 변동을 검출하는 회로와 그 검출 신호에 의해 전압을 제어하는 회로로 구성되어 있다.
