반파정류기의 이해

1880 년대 자체에서 정류기의 식별과 독창성이 시작되었습니다. 정류기의 발전은 전력 전자 영역에서 다양한 접근 방식을 발명했습니다. 정류기에 사용 된 초기 다이오드는 1883 년에 설계되었습니다. 1900년대 초반에 개척된 진공 다이오드의 진화로 정류기에 한계가 생겼습니다. 수은 아크 튜브의 수정으로 정류기의 사용은 다양한 메가 와트 범위로 확장되었습니다. 그리고 정류기의 한 종류는 반파 정류기입니다.

 

진공 다이오드의 향상은 수은 아크 튜브에 대한 진화를 보여주었고 이러한 수은 아크 튜브는 정류관이라고 불렸습니다. 정류기의 개발과 함께 다른 많은 재료가 개척되었습니다.

 

 

 

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1. 반파 정류기란? - Half Wave Rectifier

정류기는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 전자 장치입니다. 즉, 교류를 직류로 변환합니다. 정류기는 거의 모든 전자 장치에 사용됩니다. 주로 전원 공급 장치 섹션에서 주전원 전압을 DC 전압으로 변환하는 데 사용됩니다. DC 전압 공급을 사용하여 전자 장치가 작동합니다. 전도 기간에 따라 정류기는 Half Wave Rectifier와 Full Wave Rectifier의 두 가지 범주로 분류됩니다

 

1) 구성

전파 정류기와 비교할 때 HWR은 건설에 가장 쉬운 정류기입니다. 단일 다이오드로만 장치를 구성할 수 있습니다.

 

 

 

반파 정류기는 다음 구성 요소로 구성됩니다.

• 교류 소스
• 부하 부분의 저항기
• 다이오드
• 강압 변압기

 

- AC 소스

이 전류원은 전체 회로에 교류를 공급합니다. 이 AC 전류는 일반적으로 사인 신호로 표시됩니다.

 

- 스텝다운 변압기

AC 전압을 높이거나 낮추기 위해 일반적으로 변압기가 사용됩니다. 여기에 강압 변압기를 사용하면 AC 전압이 감소하고 승압 변압기를 사용하면 AC 전압이 최소 레벨에서 높은 레벨로 향상됩니다. HWR에서는 다이오드에 필요한 전압이 매우 낮기 때문에 대부분 강압 변압기가 사용됩니다. 변압기를 사용하지 않으면 많은 양의 AC 전압으로 인해 다이오드가 손상됩니다. 일부 상황에서는 승압 변압기도 사용할 수 있습니다.

강압 장치에서 2차 권선은 1차 권선보다 권선이 최소화됩니다. 이 때문에 강압 변압기는 1차 권선에서 2차 권선까지의 전압 레벨을 낮춥니다.

 

- 다이오드

반파 정류기에서 다이오드를 사용하면 한 방향으로만 전류가 흐르는 반면 다른 경로에서는 전류 흐름이 중지됩니다.

 

- 저항기

지정된 수준까지만 전류가 흐르는 것을 차단하는 장치입니다. 이것은 반파 정류기의 구조입니다.

 

 

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2. 반파 정류기 동작방식

포지티브 반주기 동안 다이오드는 포워딩 바이어스 상태에 있으며 RL(부하 저항)로 전류를 전도합니다. 전압은 부하를 가로질러 발생하며, 이는 양의 반주기의 입력 AC 신호와 동일합니다.

또는 음의 반주기 동안 다이오드는 역 바이어스 상태에 있고 다이오드를 통한 전류 흐름이 없습니다. AC 입력 전압만 부하에 나타나며 이는 양의 반주기 동안 가능한 최종 결과입니다. 출력 전압은 DC 전압을 맥동시킵니다.

 

1) 정류기 회로

가정용 애플리케이션의 경우 단상 저전력 정류기 회로가 사용되며 산업용 HVDC 애플리케이션에는 3상 정류가 필요합니다. PN 접합 다이오드의 가장 중요한 응용 분야는 정류이며 AC를 DC로 변환하는 과정입니다.

 

- 반파 정류

단상 반파 정류기에서는 AC 전압의 음극 또는 양수 절반이 흐르고 AC 전압의 나머지 절반은 차단됩니다. 따라서 출력은 AC 파의 절반만 수신합니다. 단상 반파 정류에는 단일 다이오드가 필요하고 3상 공급에는 3개의 다이오드가 필요합니다. 반파 정류기는 전파 정류기보다 더 많은 양의 리플 함량을 생성하며 고조파를 제거하려면 훨씬 더 많은 필터링이 필요합니다.

 

단상 반파 정류기

 

 

정현파 입력 전압의 경우 이상적인 반파 정류기의 무부하 출력 DC 전압은 다음과 같습니다.

 

Vrms = Vpeak / 2

Vdc = Vpeak / ᴨ

 

• Vdc, Vav – DC 출력 전압 또는 평균 출력 전압
• Vpeak – 입력 위상 전압의 피크 값
• Vrms – 평균 제곱근 값의 출력 전압

 

 

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2) 반파 정류기의 작동

PN 접합 다이오드는 순방향 바이어스 조건 동안에만 전도됩니다. 반파 정류기는 PN 접합 다이오드와 동일한 원리를 사용하므로 AC를 DC로 변환합니다. 반파 정류기 회로에서 부하 저항은 PN 접합 다이오드와 직렬로 연결됩니다. 교류는 반파 정류기의 입력입니다. 강압 변압기는 입력 전압을 취하고 변압기의 결과 출력은 부하 저항과 다이오드에 제공됩니다.

 

HWR의 작동은 다음과 같은 두 단계로 설명됩니다.

• 포지티브 반파 과정
• 네거티브 반파 과정

 

 

- 포지티브 반파

주파수가 입력 AC 전압으로 60Hz인 경우 강압 변압기는 이를 최소 전압으로 낮춥니다. 따라서 변압기의 2차 권선에서 최소 전압이 생성됩니다. 2차 권선에서의 이 전압을 2차 전압(Vs)이라고 합니다. 최소 전압은 다이오드에 대한 입력 전압으로 공급됩니다.

 

입력 전압이 다이오드에 도달하면 양의 반주기 시간에 다이오드는 전달 바이어스 상태로 이동하여 전류의 흐름을 허용하는 반면, 음의 반주기 시간에 다이오드는 음의 바이어스 상태로 이동하여 전류의 흐름을 방해합니다. 다이오드에 인가되는 입력 신호의 양극은 PN 다이오드에 인가되는 순방향 DC 전압과 동일합니다. 같은 방식으로 다이오드에 적용되는 입력 신호의 음극은 PN 다이오드에 적용되는 역 DC 전압과 동일합니다

 

따라서 다이오드는 순방향 바이어스 조건에서 전류를 전도하고 역 바이어스 조건에서 전류의 흐름을 방해하는 것으로 알려져 있었습니다. 같은 방식으로 AC 회로에서 다이오드는 +ve 주기 동안 전류 흐름을 허용하고 -ve 주기 시간에 전류 흐름을 차단합니다. +ve HWR에 오면 -ve 반주기를 완전히 방해하지 않으며 -ve 반주기의 세그먼트를 거의 허용하지 않거나 최소한의 음전류를 허용합니다.

 

이 소수 전하 캐리어를 통한 전류 생성은 매우 미미하므로 무시할 수 있습니다. -ve 반 사이클의 이 최소 부분은 부하 섹션에서 관찰할 수 없습니다. 실제 다이오드에서는 음의 전류가 '0'인 것으로 간주됩니다.

 

부하 섹션의 저항은 다이오드에 의해 생성되는 DC 전류를 사용합니다. 따라서 저항은 이 저항(R )에서 DC 전압/전류가 계산되는 전기 부하 저항기라고 합니다(RL). 전기 출력은 전류를 사용하는 회로의 전기적 요인으로 간주됩니다. HWR에서 저항은 다이오드 생성 전류를 사용합니다. 이 때문에 저항을 부하 저항기라고 합니다. The RL HWR에서 다이오드에 의해 생성되는 추가 DC 전류의 제한 또는 제한에 사용됩니다.

 

따라서 반파 정류기의 출력 신호는 형태가 정현파 인 연속 + ve 반 사이클입니다. 

 

 

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- 네거티브 반파

네거티브 방식으로 반파 정류기의 작동 및 구성은 포지티브 반파 정류기와 거의 동일합니다. 여기서 변경될 유일한 시나리오는 다이오드 방향입니다.

주파수가 입력 AC 전압으로 60Hz인 경우 강압 변압기는 이를 최소 전압으로 낮춥니다. 따라서 변압기의 2차 권선에서 최소 전압이 생성됩니다. 2차 권선에서의 이 전압을 2차 전압(Vs)이라고 합니다. 최소 전압은 다이오드에 입력 전압으로 공급됩니다.

 

입력 전압이 다이오드에 도달하면 음의 반주기 시간에 다이오드는 전달 바이어스 상태로 이동하여 전류의 흐름을 허용하는 반면, 양의 반주기 시간에 다이오드는 음의 바이어스 상태로 이동하여 전류의 흐름을 방해합니다. 다이오드에 적용되는 입력 신호의 음극은 PN 다이오드에 적용되는 순방향 DC 전압과 동일합니다. 같은 방식으로 다이오드에 적용되는 입력 신호의 양극은 PN 다이오드에 적용되는 역 DC 전압과 동일합니다

 

따라서 다이오드는 역 바이어스 상태에서 전류를 전도하고 순방향 바이어스 조건에서 전류의 흐름을 방해하는 것으로 알려져 있었습니다. 같은 방식으로, AC 회로에서 다이오드는 -ve 사이클 동안 전류의 흐름을 허용하고 +ve 사이클 시간의 전류 흐름을 차단합니다. -ve HWR에 오면 +ve 반주기를 완전히 방해하지 않으며 +ve 반주기의 세그먼트를 거의 허용하지 않거나 최소한의 양의 전류를 허용합니다.

 

이 소수 전하 캐리어를 통한 전류 생성은 매우 미미하므로 무시할 수 있습니다. +ve 반 사이클의 이 최소 부분은 하중 섹션에서 관찰할 수 없습니다. 실제 다이오드에서는 양의 전류가 '0'인 것으로 간주됩니다.

 

부하 섹션의 저항은 다이오드에 의해 생성되는 DC 전류를 사용합니다. 따라서 저항은 이 저항(R )에서 DC 전압/전류가 계산되는 전기 부하 저항기라고 합니다(RL). 전기 출력은 전류를 사용하는 회로의 전기적 요인으로 간주됩니다. HWR에서 저항은 다이오드 생성 전류를 사용합니다. 이 때문에 저항을 부하 저항기라고 합니다. The RL HWR에서 다이오드에 의해 생성되는 추가 DC 전류의 제한 또는 제한에 사용됩니다.

 

이상적인 다이오드에서 출력 섹션의 +ve 및 -ve 반주기 는 +ve 및 -ve 반주기 와 유사한 것처럼 보이지만 실제 시나리오에서 +ve 및 -ve 반주기 는 입력 주기와 다소 다르며 이는 무시할 수 있습니다.

 

따라서 반파 정류기의 출력 신호는 형태가 정현파인 연속적인 -ve 반주기입니다. 따라서 반파 정류기의 출력은 연속 +ve 및 -ve 사인 신호이지만 순수한 DC 신호는 아니며 맥동 형태입니다.

 

반파 정류기의 작동

 

이 맥동 DC 값은 짧은 시간 동안 변경됩니다.

 

 

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3) 반파 정류기의 동작방식

포지티브 반주기 동안 상단의 2차 권선이 하단에 대해 양수일 때 다이오드는 전달 바이어스 상태에 있으며 전류를 전도합니다. 포지티브 하프 사이클 동안, 입력 전압은 다이오드의 순방향 저항이 0으로 가정될 때 부하 저항에 직접 적용됩니다. 출력 전압 및 출력 전류의 파형은 AC 입력 전압의 파형과 동일합니다.

 

음의 반주기 동안 하단의 2차 권선이 상단에 대해 양수일 때 다이오드는 역 바이어스 상태에 있으며 전류를 전도하지 않습니다. 음의 반주기 동안 부하 양단의 전압과 전류는 0으로 유지됩니다. 역전류의 크기는 매우 작아 무시됩니다. 따라서 음의 반주기 동안 전력이 전달되지 않습니다.

 

일련의 양의 반주기는 부하 저항에 걸쳐 발생하는 출력 전압입니다. 출력은 맥동하는 DC 웨이브이며 부하를 가로질러 있어야 하는 부드러운 출력 웨이브 필터를 만들기 위해 사용됩니다. 입력 파형이 반주기 인 경우 반파 정류기라고합니다.

 

4) 3상 반파 정류기 회로

3상 반파 제어되지 않는 정류기에는 각각 위상에 연결된 3개의 다이오드가 필요합니다. 3상 정류기 회로는 DC 및 AC 연결 모두에서 높은 양의 고조파 왜곡을 겪습니다. DC 측 출력 전압에는 사이클당 3개의 고유한 펄스가 있습니다.

 

3상 HWR은 주로 3상 AC 전원을 3상 DC 전원으로 변환하는 데 사용됩니다. 이 경우 다이오드 대신 제어되지 않는 스위치라고하는 스위치가 사용됩니다. 여기서 제어되지 않는 스위치는 스위치의 ON 및 OFF 시간을 조절하는 접근 방식이 존재하지 않음에 해당합니다. 이 장치는 변압기의 2차 권선이 항상 스타 연결을 갖는 3상 변압기에 연결된 3상 전원 공급 장치를 사용하여 구성됩니다.

 

여기서는 변압기의 2차 권선에 부하를 다시 연결하기 위해 중성점이 필요하기 때문에 스타 연결만 따르므로 전력 흐름에 대한 복귀 방향을 제공합니다.

순전히 저항 부하를 제공하는 3상 HWR의 일반적인 구조는 아래 그림과 같습니다. 건설 설계에서 변압기의 각 위상을 개별 AC 소스라고 합니다.

 

3상 변압기를 통해 얻은 효율은 거의 96.8%입니다. 3상 HWR의 효율은 단상 HWR 이상이지만 3상 전파 정류기의 성능보다 낮습니다.

 

삼상 HWR

 

 

일반 이론에 따르면 반파 정류기의 출력은 맥동 DC 신호입니다. 필터를 구현하지 않고 HWR을 동작시킬 때 얻어지는 출력이다. 필터는 맥동 DC 신호를 안정된 DC 신호로 변환하는 데 사용되는 장치로, 이는 (맥동 신호를 부드러운 신호로 변환)를 의미합니다. 이는 신호에서 발생하는 직류 리플을 억제함으로써 달성할 수 있습니다.

 

이러한 장치는 이론적으로 필터 없이 사용할 수 있지만 실제 응용 분야를 위해 구현되어야 합니다. DC 장치는 안정적인 신호가 필요하기 때문에 실제 애플리케이션에 사용하려면 맥동 신호를 부드러운 신호로 변환해야 합니다. 이것이 실제 시나리오에서 HWR이 필터와 함께 사용되는 이유입니다. 필터 대신 인덕터나 커패시터를 사용할 수 있지만 커패시터가 있는 HWR이 가장 일반적으로 사용되는 장치입니다.

 

 

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3. 반파정류기의 장점과 단점

전파 정류기와 비교할 때 반파 정류기는 응용 분야에서 그다지 많이 사용되지 않습니다. 이 장치에는 몇 가지 이점이 있지만. 반파 정류기의 장점은 다음과 같습니다.

• 저렴함 – 최소한의 구성 요소가 사용되기 때문입니다.
• 단순성 – 회로의 설계가 완전히 간단하기 때문입니다.
• 사용하기 쉬움 – 시공이 쉽기 때문에 장치 활용도도 매우 간소화됩니다.
• 적은 수의 구성 요소

 

반파 정류기의 단점은 다음과 같습니다.

• 부하 섹션에서 출력 전력은 DC 및 AC 구성 요소 모두에 포함되며, 기본 주파수 레벨은 입력 전압의 주파수 레벨과 유사합니다. 또한 리플 계수가 증가하여 잡음이 높아지고 일정한 DC 출력을 제공하기 위해 확장된 필터링이 필요합니다.
• 입력 AC 전압의 1/2 사이클 시에만 전력 공급이 있기 때문에 정류 성능이 미미하고 출력 전력도 더 적습니다.
• 반파 정류기는 변압기 활용 계수가 최소화됩니다.
• 변압기 코어에서는 DC 포화가 발생하여 자화 전류, 히스테리시스 손실 및 고조파가 발생합니다.
• 반파 정류기에서 공급되는 DC 전력의 양은 일반적인 양의 전원 공급 장치조차도 생성하기에 충분하지 않습니다. 이것은 배터리 충전과 같은 몇 가지 응용 프로그램에 사용할 수 있습니다.