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학습 › 주제 11

다이오드, 정류기, 커패시터 필터, 제너 레귤레이터

읽는 시간 8분 · bitGateLab 팀

거의 모든 전자 기기는 직류로 동작하지만 전력망은 교류를 공급합니다. 교류를 직류로 바꾸는 과정은 아주 단순한 부품인 다이오드에서 시작합니다. 이 주제에서는 빠른 계산을 위해 다이오드를 모델링하는 방법, 반파 정류기와 브리지 전파 정류기를 구성하는 방법, 커패시터가 출력을 평활하는 원리와 남는 리플의 크기, 그리고 제너 다이오드가 일정한 전압을 유지하는 방법을 살펴봅니다. 마지막에는 기본적인 전원 공급 장치를 단계별로 계산할 수 있게 됩니다.

다이오드와 그 모델

다이오드에는 애노드와 캐소드라는 두 단자가 있으며, 주로 한 방향으로만 전류를 흘립니다. 애노드가 캐소드보다 전위가 높으면 순방향 바이어스 상태로 도통하고, 반대이면 역방향 바이어스 상태로 무시할 만한 누설 전류만 흐릅니다. 회로를 계산할 때는 두 가지 간단한 모델을 사용합니다.

실제 특성 곡선은 지수 함수 형태입니다. 전압 강하는 전류에 따라 조금씩 커지지만, 대부분의 전원 회로 계산에는 0.7 V 모델로 충분합니다.

예제 1. 5 V 전원이 1 kΩ과 직렬로 연결된 순방향 실리콘 다이오드에 전류를 공급합니다.

  1. 이상적인 모델: I = 5 V/1 kΩ = 5 mA.
  2. 정전압 강하 모델: I = (5 − 0.7) V/1 kΩ = 4.3 mA.

차이는 14 %입니다. 전원이 1.5 V라면 차이가 훨씬 커지므로 이상적인 모델은 더 이상 쓸 수 없습니다.

반파 정류기

변압기와 부하 사이에 다이오드 하나를 직렬로 넣으면 양의 반주기는 통과시키고 음의 반주기는 차단합니다. 출력은 전압이 없는 구간을 사이에 둔 "봉우리"가 이어진 모양이며, 주파수는 전원 주파수와 같습니다.

브리지 전파 정류기

브리지는 다이오드 네 개를 사용합니다. 양의 반주기에는 그중 두 개가, 음의 반주기에는 나머지 두 개가 도통하지만, 두 반주기 모두 부하에 같은 방향으로 전류를 흘립니다. 그 결과 음의 반주기가 위쪽으로 "뒤집힙니다".

입력반파전파 000
입력 정현파의 두 사이클(위), 반파 정류기의 출력(가운데), 브리지의 출력(아래)을 이상적인 다이오드로 그린 것입니다. 다이오드의 전압 강하를 고려하면 출력 피크는 입력 피크보다 0.7 V 또는 1.4 V 낮아집니다.

예제 2. 변압기의 2차 측이 60 Hz, 12 V RMS를 출력합니다.

  1. 2차 측 피크: Vp = 12 · √2 = 16.97 V.
  2. 반파: 출력 피크 16.97 − 0.7 = 16.27 V; 평균 16.27/π = 5.18 V; 주파수 60 Hz.
  3. 브리지: 출력 피크 16.97 − 1.4 = 15.57 V; 평균 2 · 15.57/π = 9.91 V; 주파수 120 Hz.

커패시터 필터와 리플 전압

부하와 병렬로 연결한 커패시터는 봉우리마다 피크까지 충전되고, 정류된 전압이 내려가는 동안에는 부하에 전류를 공급하면서 조금 방전됩니다. 출력은 거의 일정해지고 리플이라고 부르는 작은 변동만 남습니다. 리플이 피크에 비해 작다면 다음과 같이 추정합니다.

Vr(pp) ≈ I부하 / (fr · C)

여기서 fr은 봉우리의 주파수로, (전원이 60 Hz일 때) 반파에서는 60 Hz, 브리지에서는 120 Hz입니다. 출력 DC 전압은 대략 Vp,out − Vr/2가 됩니다.

예제 3. 앞 예제의 브리지가 2200 µF 커패시터와 함께 100 mA 부하에 전류를 공급합니다.

  1. 브리지의 리플: Vr = 0.1/(120 · 0.0022) = 0.38 V(피크-피크).
  2. 대략적인 DC 전압: 15.57 − 0.38/2 = 15.38 V.
  3. 반파에서 같은 커패시터를 쓰면 리플은 두 배가 됩니다: 0.1/(60 · 0.0022) = 0.76 V.

역설계: 리플을 최대 1 V로 하여 500 mA를 공급하는 브리지라면 C ≥ 0.5/(120 · 1) = 4167 µF이며, 그다음으로 큰 표준값인 4700 µF를 선택합니다.

커패시터는 각 피크 근처의 짧은 펄스 동안 재충전되므로, 다이오드에는 부하의 평균 전류보다 훨씬 큰 피크 전류가 흐릅니다. 다이오드와 변압기를 고를 때 이 점을 고려하세요.

레귤레이터로 쓰는 제너 다이오드

제너 다이오드는 역방향 바이어스에서 동작하도록 설계된 소자입니다. 항복 전압 VZ에 도달하면 그 전압을 거의 일정하게 유지하는 데 필요한 만큼 전류를 흘립니다. 직렬 저항 RS를 넣고 부하를 제너와 병렬로 연결하면 간단한 레귤레이터가 됩니다. 저항이 전압 차이를 떠맡고, 저항을 지나는 전류는 제너와 부하로 나뉩니다.

RS = (Vin − VZ) / (IL + IZ)

제너가 전압을 제대로 안정화하려면 최소 전류 IZ가 필요합니다. 부하가 전류를 덜 소비하면 남는 전류를 제너가 가져가므로, 제너는 최악의 경우인 무부하 상태의 전력을 견딜 수 있어야 합니다.

예제 4. 12 V에서 20 mA 부하에 5.1 V를 공급하되, 제너에 최소 5 mA를 남겨 두려고 합니다.

  1. RS = (12 − 5.1)/(0.020 + 0.005) = 6.9/0.025 = 276 Ω. 270 Ω을 선택합니다.
  2. RS의 전류: 6.9/270 = 25.6 mA. 제너에는 25.6 − 20 = 5.6 mA가 남습니다.
  3. RS의 전력: 6.9 · 0.0256 = 0.18 W. 1/2 W 저항이면 여유가 있습니다.
  4. 무부하 최악 조건: 제너가 25.6 mA를 모두 가져가 5.1 · 0.0256 = 0.13 W를 소비합니다.
  5. 입력이 10 V로 내려가면 RS에는 4.9/270 = 18.1 mA가 흘러 부하의 20 mA보다 적어지므로 레귤레이터는 더 이상 전압을 안정화하지 못합니다. 입력에 리플이 있더라도 Vin이 이 한계보다 높게 유지되어야 합니다.

흔히 하는 실수

시뮬레이터에서 직접 해 보기

전원 회로 전체를 단계별로 만들면서 가상 오실로스코프로 각 파형을 관찰해 보세요.

  1. 변압기의 2차 측을 나타내는 진폭 16.97 V, 60 Hz의 정현파 전원을 배치합니다.
  2. 다이오드와 150 Ω 부하 저항을 연결하고 반파 출력을 관찰합니다.
  3. 다이오드를 다이오드 네 개로 된 브리지로 바꾸고 파형과 주파수를 비교합니다.
  4. 부하와 병렬로 2200 µF 커패시터를 추가하고 피크-피크 리플을 측정합니다.
  5. 커패시터나 부하를 바꿔 보고 리플이 공식 I/(fr·C)를 따르는지 확인합니다.
  6. 직렬 저항과 5.1 V 제너를 부하와 함께 추가하고 리플이 거의 사라지는 것을 관찰합니다.

연습 문제

  1. 9 V RMS의 2차 측이 실리콘 다이오드를 쓴 반파 정류기에 연결되어 있습니다. 출력 피크는 얼마일까요?

    정답 보기

    Vp = 9 · √2 = 12.73 V. 출력 피크 = 12.73 − 0.7 = 12.03 V.

  2. 같은 2차 측에 브리지를 쓰면, 전원이 60 Hz일 때 출력 피크와 봉우리의 주파수는 얼마일까요?

    정답 보기

    12.73 − 1.4 = 11.33 V이고 주파수는 120 Hz입니다.

  3. 브리지가 60 Hz 전원에서 1000 µF 커패시터와 함께 50 mA를 공급합니다. 리플을 추정하세요.

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    Vr = 0.05/(120 · 0.001) = 0.42 V(피크-피크).

  4. 15 V에서 9.1 V를 만드는 제너 레귤레이터의 RS를 설계하세요. 부하는 30 mA이고 제너의 최소 전류는 10 mA입니다.

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    RS = (15 − 9.1)/(0.030 + 0.010) = 5.9/0.04 = 147.5 Ω. 표준값 150 Ω을 쓰면 5.9/150 = 39.3 mA가 흐르고 제너에는 9.3 mA가 남는데, 제너의 실제 최소 전류가 그보다 작다면 충분합니다. 10 mA를 반드시 보장해야 한다면 그보다 작은 쪽으로 가장 가까운 값인 130 Ω을 사용하세요. 이때 45.4 mA가 흐르고 제너에는 15.4 mA가 남습니다.