전자회로실험 2. 전파정류회로 및 캐패시터 필터회로 실험 결과

1. 실험 개요

다이오드의 응용회로인 전파정류회로와 캐패시터 필터회로의 동작원리와 출력파형을 실험적으로 확인한다.

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2. 실험 원리

전파정류기와 캐패시터 필터

앞장에서 기술한 반파정류기는 극히 제한적인 상황에 응용되며, 직류전원을 얻기위한 하나의 단계로서 주로 전파정류기(Full-wave Rectifier)가 사용된다. 전파정류기에는 중간 탭(Center-tapped) 방식과 브리지(Bridge) 방식의 두 가지 형태가 있다.

 

(1) 중간 탭 전파정류기

중간 탭 방식은 변압기의 2차측에 중간 탭(Center Tap; CT)을 달아 2개의 다이오드를 연결하여 그림 2-1과 같이 구성한다.

 

- 양의 반주기 동작

 그림 2-2에서처럼 변압기 1차측 전원의 양의 반주기 동안 D1은 순방향으로 D2는 역방향으로 바이어스 된다.

 변압비가 1:1 이고 변압기 2차측의 중앙에 탭을 설치하였기 때문에 1차측의 절반 크기를 가진 정현파가 2차측의 중간 탭에서 D1을 거쳐 부하저항 RL까지 구성되는 회로에 인가된다.

 여기서 부하저항에 흐르는 전류의 방향은 위에서 아래로 향한다는 사실에 주목한다. 따라서 다이오드 D1을 이상적인 다이오드로 대치하면 출력 전압 Vout은 1차측 전압의 절반 크기의 전압이 나타난다.

 

- 음의 반주기 동작

 그림 2-3에서처럼 변압기 1차측 저원의 음의 반주기 동안 D1은 역방향으로 D2는 순방향으로 바이어스 된다.

 변압비가 1:1이고 변압기 2차측의 중앙에 탭을 설치하였기 때문에 1차측의 절반 크기를 가진 정현파가 2차측의 중간 탭에서 D2를 거쳐 부하저항 RL까지 구성되는 회로에 인가된다.

 여기서 부하저항 RL에 흐르는 전류의 방향은 양의 반주기 동작에서와 마찬가지로 위에서 아래로 향하기 때문에 양의 반주기 동안에 나타났던 동일한 극성으로 출력전압이 나타난다.

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(2) 전파브리지 정류기

전파브리지 정류기(Full-wave bridge Rectifier)는 4개의 다이오드를 이용하여 브리지 형태로 결선하여 구성하며, 변압기 1차측 전원의 양의 반주기 동작을 그림 2-4와 같이 구성한다.

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-양의 반주기 동작

 그림 2-4에서처럼 변압기 1차측의 양의 반주기 동안은 D1과 D2는 순방향으로 D3, D4​​는 역방향으로 바이어스 되기 때문에 변압기 2차측에는 1차측 전압과 동일한 크기의 전압이 인가되며, D1과 부하저항 RL, 그리고 D2로 구성된 회로 내에 전류가 흐르게 된다.

따라서 다이오드 양단전압들(0.7V + 0.7V = 1.4V)을 무시하면 부하저항 RL양단에는 변압기 1차측과 동일한 크기의 전압이 나타난다.

 

-음의 반주기 동작

 그림 2-5에서처럼 변압기 1차측의 음의 반주기 동안은 D1과 D2는 역방향으로 D3, D4는 순방향으로 바이어스 된다.

 결국 양의 반주기 동안과는 다이오드 상태가 정반대로 되기 때문에 변압기 2차측에는 1차측 전압과 동일한 크기의 전압이 인가되며, D4의 부하저항 RL, 그리고 D3로 구성된 회로에 전류가 흐르게 된다.

 따라서 다이오드 양단전압들(0.7V + 0.7V = 1.4V)을 무시하면 부하저항 RL양단에는 변압기 1차측과 동일한 크기의 전압이 나타난다.

 RL양단에 흐르는 전류의 방향은 양의 반주기 동작에서 흐르는 방향과 동일하므로 양의 반주기 동안의 출력전압 Vout과 동일한 극성으로 RL에 나타난다.

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(3) 캐패시터 필터회로

​전원공급장치의 필터(Filter)는 반파 또는 전파정류기의 출력전압의 변동을 줄여 거의 일정한 레벨의 직류전압을 만드는 기능을 한다. 이러한 필터는 캐패시터 또는 캐패시터나 인덕터의 조합으로 구성되며 전원공급장치에서 사용되는 필터의 개념도를 그림 2-6에 도사하였다.

 

● 캐패시터 충전 구간(t0 ≤ t ≤ t1)

 그림 2-7에서처럼 입력전압의 처음 양의 1/4주기 동안(캐패시터 충전 구간)에는 다이오드가 순방향으로 바이어스 되기 때문에 입력전압의 피크값을 향해 캐패시터가 순간적으로 충전된다.

 다이오드의 순방향 저항은 대단히 작으므로 다이오드와 캐패시터로 이루어지는 회로의 시정수가 매우 적기 때문이다.

● 캐패시터 방전 구간(t1 ≤ t ≤ t2)

 입력전압이 양의 1/4주기를 지나가게 되면 캐패시터는 이미 입력전압의 피크값으로 충전되어 있는 상태이므로 다이오드의 음극이 +Vp로 바이어스 되기 때문에 다이오드는 역방향 바이어스가 된다.

 따라서 다이오드가 차단되므로 캐패시터는 부하저항 RL과 결합되어 그림 2-8과 같이 방전을 시작하게 되며 방전 시정수는 RLC에 의해 결정된다.

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● 캐패시터 방전 구간(t2 ≤ t ≤t3)

 캐패시터가 방전함에 따라 서서히 캐패시터 전압이 떨어지기 시작한다.

 결국 입력전압이 캐패시터 전압과 같아지는 순간(t=t2순간)에 다이오드는 순방향으로 바이어스 되기 때문에 다시 ON 상태로 되어 또 다시 캐패시터가 입력전압의 피크값을 향해 그림 2-9와 같이 순간적으로 충전되기 시작한다.

 캐패시터가 입력전압의 피크값까지 충전되면 앞에서 설명된 바와 같이 동일한 동작을 계속 반복하게 된다.

 동일한 부하저항, 동일한 캐패시턴스 값으로 필터링할 때, 전파정류된 전압이 반파정류된 전압보다 리플이 더 적어진다는 것을 그림 2-10으로부터 쉽게 이해할 수 있다.

 이는 그림 2-10에서와 같이 펄스 사이의 구간이 전파정류된 파형이 반파정류된 파형보다 더 짧끼 때문에 캐패시터 전압의 방전이 적어지기 때문이다.

 한편, 리플을 감소시키기 위해서는 캐패시터의 방전을 매우 느리게, 즉 방전 시정수를 크게 하면 되므로 부하저항 RL을 증가시키거나 캐패시턴스 값을 크게 증가시키면 된다.

또한, 캐패시터와 인덕터를 조합하여 LC필터를 구성하게 되면 리플 전압을 크게 감소시킬 수 있다는 사실을 참고적으로 기억해 두도록 하자.

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3. 실험 방법

 1) 중간 탭 전파정류회로

  (1) 그림 2-17의 회로를 구성한다. 변압기는 2차 전압이 다이오드의 항복전압을 초 과하지 않도록 선정한다.

  (2) 입력파형

  를 신호발생기를 이용하여 회로에 인가한다.

  (3) 오실로스코프의 체널 1(CH1)을 입력파형, 채널 2(CH2)를 출력파형에 할당항여 입출력파형을 측정하여 그래프 2-1에 도시한다.

  (4) 입력파형의 주파수를 2배 증가시켜 단계 (1)~(3)의 과정을 반복한다.

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 2) 전파 브리지 정류회로

  (1) 그림 2-18과 같이 회로를 구성한다.

  (2) 입력파형

  을 신호발생기를 이용하여 회로에 인가한다.

  (3) 오실로스코프의 채널 1(CH1)을 입력파형, 채널 2(CH2)를 출력파형에 할당하여 입출력파형을 측정하여 그래프 2-2에  도시한다.

  (4) 입력파형의 주파수를 2배 증가시켜 단계 (1)~(3)의 과정을 반복한다.

 

 3) 캐패시터 필터회로

  (1) 그림 2-19과 같이 회로를 구성한다.

  (2) 입력파형을 신호발생기를 이용하여 회로에 인가한다.

  (3) 오실로스코프의 채널 1(CH1)을 입력파형, 채널 2(CH2)를 출력파형에 할당하여 입출력파형을 측정하여 그래프 2-3에 도시한다.

  (4) 입력파형의 주파수를 2배 증가시켜 단계 (1)~(3)의 과정을 반복한다.

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*여기서 잠깐

-변압기의 권선비와 유도전압

 변압기에서 유도되는 전압은 권선비에 비례한다. 또한 1차측과 2차측의 권선을 동일한 방향으로 감았다면, 1차측에 유도되는 전압의 극성과 2차측에 유도되는 전압의 극성은 동일하게 된다. 반대로 감았다면 반대가 된다.

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-변압기의 권선비와 유도전류

 변압기에서 유도되는 전류는 전압과는 달리 권선비에 반비례한다. 그 이유는 변압기의 손실이 없다고 가정하면 1차측에서 공급한 에너지와 2차측에 공급된 에너지가 서로 같아야 하기 때문에 1차측과 동일한 에너지를 가지기 위해서는 전류가 1/2배로 감소해야 한다.

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-다이오드 최대 역전압

 다이오드가 역방향으로 바이어스 되어 있는 경우 다이오드의 양단에 걸려있는 역방향 전압이 다이오드를 항복시키지 않도록 정류회로를 구성하여야 한다. 따라서 다이오드의 최대 역전압이 얼마인가가 중요하다.

 이를 다이오드 최대 역전압(Peak Inverse Voltahe; PIV)라고 하며 이 PIV가 다이오드의 항복전압보다 크지 않도록 회로를 설계해야 한다.

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-캐패시터의 개방과 단락

 캐패시터의 리액턴스는 1/2πfC 이므로 주파수에 따라 전류가 흐르는 정도가 달라진다. 주파수가 큰 교류신호의 리액턴스는 작아지므로 단락회로로 대체된다.

 또한 직류신호는 주파수가 0이므로 리액턴스가 무한대가 되어 개방회로로 대체될 수 있다.

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-LC필터

 캐패시터 필터의 필터 입력부분에 인덕터를 삽입하게 되면 리플 전압을 엄청나게 감소시킬 수 있다.

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결과

1. 실험결과

 1) 중간 탭 전파정류회로의 입출력파형

 2) 전파브리지 정류회로의 입출력파형

 3) 캐패시터 필터회로의 입출력파형 ​

2. 결과분석

1) 반파정류기와 전파정류기의 차이점을 비교하라.

-> 반파정류기는 교류에서 플러스에 해당하는 주기의 파동만 정류하여 직류를 얻는 장치이고, 전파정류기는 교류의 한 주기 전체를 직류로 만드는 장치이다 ​

2) 중간 탭 전파정류기와 전파브리지 정류기의 차이점을 출력파형의 피크값의 측면에서 비교하라.

-> 중간탭 전파정류기의 피크값의 두 배가 전파브리지 정류기의 피크값과 같게 된다. 중간탭 전파정류기의 피크값=Vm/2이고 전파브리지 정류기의 피크값=Vm이다.

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3) 전파브리지 정류회로에서 변압기를 사용하지 않고 직접 전원을 인가하는 경우 발생 할 수 있는 문제점을 실험적인 관점에서 기술하라.

-> 다이오드는 항복전압이라는 수치를 가지고 있어서 역 전압이 일정수준 이상 걸리면 더 이상 다이오드의 역할을 하지 못하게 된다.

 따라서 다이오드를 이용하는 전파브리지 정류회로에서 어쩔 수 없이 역 전압이 걸리는 시점이 존재하는데, 이때 큰 전압이 다이오드에 역으로 걸리면 정류작용을 하지 못하게 된다. 

 따라서 변압기를 사용하여 다이오드가 견딜 수 있는 수준으로 전압강하 시켜 정류하는 것이다.

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4) 실험 결론 및 고찰

 이번 실험은 다이오드를 이용한 정류 회로인 중간 탭 전파정류회로와 전파브리지 정류회로, 캐패시터 필터 회로의 동작원리와 출력파형을 알아보는 실험 이었다.

 우선 중간 탭 전파정류 회로 실험에 대해서 살펴보면 입력파형에 대해서 양의반주기와 음의반주기에서 동일한 극성의 출력파형이 나오는 것을 확인할 수 있었다. 이론상으로는 출력파형의 첨두치가 입력파형의 첨두치보다 작게 나와야한다. 하지만 실제 실험을 진행해본 결과 출력파형의 첨두치가 더 크게 나왔다. 이러한 오차가 발생한 원인에 대해서 생각해보았는데, 초기 조건에서 맞지 않았던 부분이 있었던 것 같다.

다음으로 전파브리지 정류회로 실험을 살펴보면, 전파브리지 정류회로는 다이오드 4개를 휘스톤 브리지로 연결한 정류기이다. 이 정류기 또한 양의반주기와 음의반주기에서 입력파형에 대한 출력파형이 동일한 극성으로 정류되어 나오는 것을 확인할 수 있었다. 중간 탭 전파정류회로와 전파브리지 정류회로의 출력파형의 전반적인 모양은 비슷하다. 가장 큰 차이라 함은 PIV(최대역전압)이다. 중간 탭 전파정류 회로의 경우 PIV=2Vm인데 비해 전파브리지 정류회로의 PIV=Vm으로 중간 탭 전파정류기 때의 반으로 작아지게 된다. 또한 변압기가 반드시 필요하지 않다. 이 점이 브리지 정류기의 장점이 된다. 그리고 출력파형의 피크값을 살펴보면 브리지 정류회로의 입력에 대한 피크값이 중간 탭 정류회로의 입력에 대한 피크값에 비해서 더 큰 것을 볼 수 있다. 그 이유는 중간 탭 전파정류기는 변압기 2차측의 중앙에 탭을 설치하였기 때문에 1차측의 절반 크기를 가진 정현파가 인가되어 Vp=Vm/2가 되고, 브리지 정류회로에는 1차측 전압과 동일한 크기의 전압이 인가되어 Vp=Vm이 되기 때문이다. 따라서 브리지 정류회로에서의 출력 피크값이 중간 탭 전파정류회로의 출력 피크값보다 크게 나왔다. 브리지 정류회로도 중간 탭 전파정류회로와 마찬가지로 입력파형보다 출력파형이 크게 나왔으나 처음 회로의 설계의 문제인 것 같고, 실제 정류되어 나온 파형의 모양은 잘 확인 할 수 있었다.

 마지막으로 캐패시터 필터회로 실험에 대해서 살펴보면, 처음 충전구간을 제외하고 방전, 재충전 되는 구간을 눈으로 잘 확인 할 수 있었다. 방전구간에서 방전이 진행되다가 입력전압이 캐패시터 전압과 같아지는 순간에 다이오드가 순방향으로 바이어스 되어 캐패시터가 입력전압의 피크값을 향해 다시 충전되었다. 이러한 현상이 교류전류가 인가됨에 따라 계속 반복되어 일어남을 확인할 수 있었다. 다만 실제 이론상으로는 재충전 되었을 때 입력파형의 피크값 만큼 올라가야 하는데 실제 실험한 결과는 입력파형보다 약간 낮은 수치로 재충전 되었다. 그 이유를 생각해보았는데, 캐패시터 필터는 다이오드를 지나가게 되는데, 실제 다이오드는 0.7V의 문턱전압을 가지기 때문에 입력파형보다 약간 낮은 수치로 재충전 된다고 생각한다.

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3. 실험 이해도 측정 및 평가-푼것만 확인

1) 브리지형 전파정류회로의 실험에 사용된 변압기가 1:1 변압기라면 1차측 전압의 실효값이 110V일 때 출력전압 Vout의 실효값은 얼마인가?

-> 110[V]

2) 60Hz의 정현파가 전파정류기에 공급될 때 출력파형의 주파수는?

-> 120[Hz]

3) 중간 탭 전파정류기에서 전체 2차 전압의 최댓값이 100V일 때 다이오드의 전압강하를 무시한 출력전압의 실효값은?

-> 100/루트2 [V]

4) 전파브리지 정류기 회로에서 다이오드 하나가 개방되었다면 출력전압은 어떻게 변화하는가?

-> 반파정류 파형이 나타난다.

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주관식 문제

1. 그림 2-20에 대해 다음 물음에 답하라.

1) 중간 탭으로 양분된 2차측에서 한쪽에 나타나는 전압의 피크값은?

-> 변압기의 권선비가 4:1이므로 80V가 2차측 에서 20V로 변압된다. 그 후 한쪽에 나타나는 전압의 피크값은 Vm/2로 표현되며 20*루트2*1/2 =14.142 [V] 이다.

 

2) 부하저항 RL 양단의 전압파형을 그려라 우선 입력의 피크값은 Vin=80Vrms=113.14[V] 이다.

이 입력파형이 중간 탭 정류회로를 통과하면 출력파형의 피크값은 14.142[V]에서 다이오드의 문턱 전압값인 0.7[V]를 빼주면 된다. 따라서 13.442[V]가 첫 반주기가 된다.

중간 탭 정류회로 특성상 다음 반주기도 13.442[V]가 나오게 된다. 이에 따라 처음 반주기 Vout= 13.442 V 이고, 다음 반주기 Vout= 13.442 V 이다.

 

따라서 RL양단의 전압파형을 그리면 아래와 같다.