AReS

PART10전원공급회로(Power Supply)

목적

1.Bridge Rectifier을 이용한 전원 공급 회로 특성에 대하여 알아본다.
2.Voltage Regulator의 특성을 실험을 통하여 알아본다.
3.가변 전압 레귤레이터의 Transistor 및 OP Amp 방식을 이용한 전원 공급 회로의 특성을 실험을 통하여 알아본다.

실험 1 :브리지 정류기(Bridge Rectifier) 및 평활 회로(Smoothing Circuit)

이론

반파정류기(Half-Wave Rectifier)

교류를 직류로 변화시킬 때 다이오드를 사용하는 데 이를 정류기라 하며, 그 과정을 정류라고 한다. 정류의 가장 기본적인 방법은 그림 10-2에 보인 반파정류회로이다. 변압기의 2차 전압이 정의 반주기(V_AB가 +)일 때 다이오드 D1은 순방향 바이어스가 되며, 따라서 전압원에 대하여 매우 낮은 저항값을 나타내므로 2차 전압의 대부분이 부하저항 RL양단에 나타난다. 순방향 바이어스된 다이오드는 대표적으로 실리콘의 경우 0.5V에서 1.0V, 게르마늄의 경우 0.2V에서 0.6V의 순방향 전압강하를 나타낸다. 회로해석을 간단히 하기 위해 전압강하는 대부분 무시하며, 특히 공급전압이 높을 경우에는 다이오드의 순방향 전압강하는 출력전압에 대하여 아주 작은 비율이 된다.

fig10-2

그림 10-2반파 정류 회로

그림 10-2 (b)는 반파정류기의 동작을 설명한 것이다. 여기서 출력 V_CD는 변압기전압 V_AB가 부(-)일 때 0이 됨을 주목하라. 이것은 다이오드가 역방향바이어스(음극에 대하여 양극이 부가된다)가 되기 때문이다. 이상적으로, 개방회로와 같다. 평균 직류전압(V_dc)은 최대치의 0.318배(0.318 = 1/π)와 같다. 대부분의 전압계는 평균값을 나타내므로 반파정류회로에 대하여 최대전압의 0.318을 지시하게 된다. 그러나 전력을 계산하기 위해서는 실효치가 사용되어야 한다. 반파정류회로에 대한 실효전압은 최대치의 0.5배이다.

반파의 경우,

V_dc=V_av=1/π V_P=0.318V_P

V_rms=0.5V_P

전압을 나타내는 이러한 2가지 다른 방법은 혼란의 요인이 될 수 있다. 다행히도 우리가 보통 다루는 직류에서는 실효치와 평균치가 거의 같으므로 대개는 염려하지 않아도 된다. 부하의 평균 전압을 부하저항으로 나눔으로써 얻어지는 전류를 평균전류 I₀라고 한다.

I_o=I_av=V_av/R_L

순방향 바이어스시 전압강하는 매우 작다. 그러나 역방향 바이어스시 최대입력전압은 다이오드 양단에서의 전압강하로 나타난다. 이것을 첨두역전압(peak reverse voltage ; PRV)이라고 한다. 모든 다이오드가 초과해서는 안되는 최대허용 PRV정격을 가지며, 이를 초과할 경우 소자는 타버리게 된다. 다이오드가 역바이어스시 그림 10-2(b)의 다이오드전압 V_AC는 V_AB를 따르며, 이 때문에 다이오드는 매우 큰 저항값을 갖게 된다. 또한 D1이 순방향 바이어스시 전압강하(V_AC)는 “0”이 아니며, 작은 정의 값을 가짐에 주의하라. 이것이 다이오드의 순방향 전압강하이며, 보통 1V이하이다.

전파 정류기(Full-Wave Rectifier)

일반적으로 교류를 직류로 변환시키는 더욱 유용하고 효율적인 방법은 교류입력신호의 정-부 영역을 모두 활용하는 것이다. 이러한 목적을 위하여 사용되는 두 가지 회로가 있는데 그중 한 가지를 그림 10-3에 나타내었다. 이 방법은 입력파형 전부를 직류출력으로 이용하므로 전파정류라고 알려져 있다.

그림 10-3의 중간탭(center-tap)정류기는 중간탭이 있는 2차권선을 사용한 것이다. 어떤 순간에 전압의 극성이 그림과 같다면 양극이 음극에 대하여 정의 극성을 가지므로 D1은 순방향 바이어스가 되어 전도상태가 되며, 이에 반하여 D2는 역방향바이어스가 되어 비전도상태가 된다. 그러므로 단지 D1만이 부하에 전류를 공급하게 된다.

fig10-3

그림 10-3중간탭(center-tap) 전파정류기

이에 대한 출력파형을 그림 10-3에 나타내었다. 여기서, 실질적으로 주파수가 2배로 증가하는 현상이 출력에서 나타남을 유의하라. 이는 출력파형의 주기 T가 교류입력신호의 1/2이 되기 때문이다. 주파수는 주기의 역수임을 상기하라 (f = 1/T).

대부분의 직류전원장치에서 진공관다이오드가 실리콘다이오드로 대치되었을 때까지 중간탭회로는 가장 보편적인 전파정유회로였다. 그러나 현재는 저렴한 가격, 높은 신뢰도 및 작은 크기의 실리콘다이오드의 출현으로 브리지회로가 가장 보편적인 형태가 되었다.

fig10-4

그림 10-4전파정류기의 입력과 출력

그 이유는 중간탭회로와 같은 정도의 출력을 얻는데 필요한 변압기의 크기를 축소할 수 있기 때문이다. 중간탭회로에서는 정-부의 각 반주기 동안에 교대로 전류가 변압기의 2차 측을 반분하여 반대방향으로 흐른다.

브리지 정류기(Bridge Rectifier)

그림 10-5의 브리지 정류기는 반파정류기에 비하여 동일한 변압기전압으로 2배의 DC부하전류를 흘릴 수 있다. 변압기전압 V=V_ac가 +인 반사이클에서 전류는 그림 10-5(c)에 표시된 방향으로 흐르고 V가 -인 반사이클에서는 (d)에 표시된 방향으로 흐르므로 R_L에는 항상 같은 방향의 전류가 흐른다. 그래서 이런 정류기를 전파정류기라 하며 전류는 다음과 같이 정의된다.

I_dc=〖2V〗_m/〖πR〗_L =〖2I〗_m/π

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

fig10-5

그림 10-5브리지 전파정류기

평활 회로(Smoothing Circuit)

AC를 DC로 변류하려면 Diode에 의하여 정류를 한 후에 반드시 Low Pass Filter(Smoothing 회로)를 거치지 않으면 안 된다.
다시 말하면 정류된 맥류를 맥동(Ripple)이 없는 DC로 만들기 위해서는 Smoothing 회로에 의하여 맥동전류를 가능한 없도록 해야 한다.
여기서 가장 흔히 사용되고 있는 몇 가지 방법 중 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

Voltage Fluctuation Rage= (No Load Output voltage-Load Output Voltage)/(Load Output Voltage)×100%

a. Choke(Inductor)를 사용한 Smoothing회로에서, Condenser Input형은 정류기 입력의 AC 전압보다 높은 (√2 times배 이하) DC 전압을 얻을 수 있다. 그러나 Choke 입력형은 오히려 약간 낮은 (1/√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 낭비 없는 최대의 Ripple 제거효율과 출력효율을 올릴 수 있다.

참고

양파의 경우

Ripple Rate= (Ripple Voltage(V_rms))/(DC Output Voltage(V_AV))×100%

여기서,

Average Voltage(V_AV )=Maximum Voltage(V_PK)×2/π

Effective Value Voltage(V_rms )=Maximum Voltage(V_PK)×1/

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 우 이때 전력 용량은 W=R⦁IR₂이 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 필요 없는 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.

fig10-6

그림 10-6Smoothing 회로

참고-1

L과 C로 구성된 Smoothing 회로의 L과 C 값의 적정설계(C는 최소한 값임)

• L(Inductance) 값의 설계

X_L=1/K∙(E(Choke Input Volate V))/(I(Current Flowing through Choke A))

여기서 L을 구하면

L(Henry)= 1/K∙(E(Volt))/(2πf∙I(Ampere))≒(E(Volt))/(I(mA))

• C(Capacitance) 값의 설계

C(uF)≒[(I_L t)/〖0.5r〗_R ]∙〖10〗^4

여기서 I_L = 부하전류 (A), r_R = Ripple률(%), 맥동주기 t는 60Hz 양파정류이므로

t= 1/120Hz=8.3×〖10〗^(-3) sec.

참고-2

R과 C로 구성된 Smoothing 회로의 R과 C 값의 적정설계 (C는 최소한 값임)

• Resistor 값의 설계

R(Ω)=K_R∙(E(R Input Voltage V))/(I(Load Current A))

여기서 K_R=25/100 이다. 이는 Smoothing 저항 R 양단의 전압강하가 R 입력전압의 25%로 설정됨을 말한다.

• Capacitance 값의 설계

C(uF)≒[(I_L∙t)/〖0.12r〗_R ]∙〖10〗^4

여기서 I_L = 부하전류(A)

r_R = Ripple 률 (%)

t= 1/120=8.3×〖10〗^(-3) sec.

실험 과정

fig10-7

그림 10-7Bridge 정류회로

tab1

실험 10-1.1 브리지 정류회로 실험 (M10의 Circuit-1에서 그림 10-7과 같이 회로를 구성한다.)

1.결선방법(M10의 Circuit-1

1.회로 결선

커패시터 C1 연결 ; Circuit-1의 1g 단자와 1k 단자 간을 황색선으로 연결한다.

2.전원 결선

M10 보드의 왼쪽 Variable Power V1 단자와 Circuit-1의 1a 단자 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 1b 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

3.계측기 결선

전압계 결선

Input 전압 측정 결선 : 전면패널 Signal Input의 CH A A+ 단자와 Circuit-1의 1j 단자 간을 적색선으로 A- 단자와 1n 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.결선도

flash

3.측정방법

1Touch LCD패널에서 variable power 을 선택한 다음, 3 Phase AC Range Power 탭을 클릭한다.
AC Voltage 표시창 오른쪽의 arrow 를 클릭하여 12.0V 가 되도록 한다.

on 을 클릭하여 3 Phase AC Range Power의 출력을 Circuit-1 입력에 가한다.
2무부하 상태에서의 출력파형과 실효전압을 측정한다.
전면 패널 analog input 을 선택한다.

Oscilloscope 화면에서 나타난 파형을 표 10-1 해당란에 그린다.

Volt & Ampere Meter 탭을 선택하고 CH A에서 voltage , dc , rms 를 클릭하고 측정된 출력전압을 표 10-1의 해당란에 기록한다. (CH B는 사용안함)
3부하 상태에서의 출력파형과 실효전압을 측정
부하를 연결 : Circuit-1의 1i 단자와 1m 단자 간을 황색선으로 연결한다.

Oscilloscope 화면에서 나타난 파형을 표 10-1 해당란에 그린다.

Volt & Ampere Meter 화면에서 지시된 측정값을 표 10-1 해당란에 기록한다.

측정이 끝나면 variable power 을 선택하고, on red 을 클릭하여 AC 12V 출력을 차단한다.
4커패시터 C2를 추가 연결하여 측정한다.
커패시터 C2 연결 ; Circuit-1의 1h 단자와 1l 단자 간을 황색선으로 연결한다.

위 측정 방법 과정 2), 3)을 수행하여 측정 결과를 표 10-1 해당란에 기록한다

무부하시는 Circuit-1의 1i 단자와 1m 단자 간을 황색선으로 연결되어 있는 제거하고 측정한다.

결선도

flash

측정이 끝나면 variable power 을 선택하고, on red 을 클릭하여 AC 12V 출력을 차단한다.

tab2

실험 10-1.2 브리지 정류회로 실험 (M10의 Circuit-1에서 그림 10-8과 같이 RC smoothing 회로를 구성한다.)

fig10-8

그림 10-8RC Smoothing 회로

1.결선 방법(M-10의 Circuit-1)

1.회로결선

RC 평활회로 결선 ; Circuit-1의 1j 단자와 1o 단자 간을 적색선으로, 1n 단자와 1p 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

2.전원 결선

M10 보드의 왼쪽 Variable Power V1 단자와 Circuit-1의 1a 단자 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 1b 단자 간을 흑색선으로 연결한다.

3.계측기 결선

전압계 결선

Input 전압 측정 결선 : 전면패널 Signal Input의 CH A A+ 단자와 Circuit-1의 1q 단자 간을 적색선으로, A- 단자와 1s 단자 간을 흑색선으로 연결한다.