정류 회로에서 가장 주의해야 하는 것은 평활 커패시터의 선택이다. 여기에는 크기당 용량을 가장 크게 할 수 있는 알루미늄 전해 커패시터를 주로 사용한다. 전해 커패시터는 간단한 구조의 부품이지만, 제대로 사용하지 않으면 직류 전원의 특성이 나오지 않거나, 커패시터가 파손 될 수 있기 때문에 주의 해야 한다.

또 급격하게 파손되지는 않아도 짧은 시간에 정전용량이 감소되어 수명이 짧아지는 경우도 있다. 전원 장치의 신뢰성은 전해 콘덴서에 의해 결정된다고 해도 과언이 아니므로, 사용방법을 충분히 숙지해 두어야 한다.

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커패시터의 전압 정격

커패시터의 내압은 정류, 평활 후 리플 전압의 피크값 이상이어야 하기 때문에, 트랜스의 권선 전압을 \( \sqrt{2} \)로 한 전압을 선정한다. 물론 이때는 입력 전압의 변동값을 고려해야 해야 한다.

Maximum VA rating	Regulation(%)
10	35
15	25
30	17
50	15
70	12
100	9.5
200	7
300	6
500	3.8
1000	2.5

또한 트랜스에 표시되어있는 단자 전압은 정격 전류를 흐르게 했을 때의 것으로, 전류가 감소하면 전압값이 상승하기 때문에 주의가 필요하다. 이것은 트랜스 권선의 저항에 따른 전압 강하가 있기 때문이며, 그 비율을 변동률이라 하고 \( \varepsilon\)로 표시하고 있다.

트랜스의 정격 전압을 \( \varepsilon\), 입력 전압의 변동을 \(\pm \alpha %\)로 하면 커패시터의 내압 \(V_{C}\)는 \(V_{C}\geq \varepsilon \times \frac{100+\alpha }{100}\times \sqrt{2}\varepsilon\)이어야 한다. 전해 커패시터에 연속하여 인가되는 내압을 Working Volt(WV)라고하며, WV의 약 1.3배를 서지 전압에 대한 상한값으로 고려하여 선정한다.

커패시터는 인가 전압에 따라 수명이 줄어든다. 이것은 커패시터 자체의 누설 전류에 의해 자체 발열이 됮기 때문인데, 인가 전압이 커패시터의 내압 정격을 넘지 않더라도 정격 저감(derating)하여 신뢰성 수명을 고려하여 선정한다. 최근의 전해 커패시터는 누설전류가 무시할 수 있을 정도로 작은 것이 많이 사용되고 있으므로, 누설전류가 작은 제품을 선정하는 것도 방법이다.

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커패시터의 정전 용량

가능한 소형의 커패시터를 사용하는 것이 비용 측면에서 좋지만, 너무 작은 용량의 커패시터는 정류 출력의 리플전압이 증가하게 된다. 평활 커패시터의 용량을 구하는 가장 일반적인 방법은 O.H. Schade의 그래프를 이용하는 것이다.

먼저 정류 후의 등가 부하 저항 \(R_{L}\)을 구한다. 이때의 정류 전압 \(V_{O}\)는 전압 파형의 왜곡, 정류 다이오드의 순방향 전압 강하, 리플 전압을 고려하여 그 평균값을 구하기 위한 계수를 0.9로 하여 곱한다.

즉 \(V_{O}=\tilde{e}\times \sqrt{2}\times 0.9\)가 된다.

직류 전류 \(I_{O}\)는 일반적인 레귤레이터에서는 출력 전류 \(I_{O}\)이기 때문에 \( R_{L}=\frac{V_{O}}{I_{O}} \)가 된다.

다음에 \(\frac{R_{S}}{R_{L}}\)을 구한다. \(R_{S}\)는 정류 회로의 라인 임피던스로, 대부분이 트랜스의 권선저항 정도이다. 트랜스는 변동률 (\\varepsilon\)이 정격으로부터 대략적으로 알려져 있기 때문에 무부하시의 정류 전압 \({V_{O}}’ \)는 \(V_{O}’=\left [ 1+\frac{\varepsilon }{100} \right ]\times V_{O}\)로 구할 수 있다.

따라서 트랜스의 권선 저항 \(R_{S}\)에 따른 전압 강하는 \({V_{O}}’ – V_{O}=I_{O}R_{S}\)가 되기 때문에 \(R_{S}=\frac{\varepsilon}{100}\frac{V_{O}}{I_{O}}\)로 구할 수 있다

예를 들어 O.H. Schade의 표에서 세로축 전압변동률이 90(-10%)일 때, 가로축 \(\omega CR_{L}=10\)이상이다. 전원주파수 60Hz, 출력전압 \(V_{O}=15V\), 출력전류 \(I_{C}=3A\)일 경우 커패시터의 용량 \(C=\frac{10}{2\pi\times 60 \times 5}=5,300uF\)이상이 되어야한다.

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전해 커패시터의 허용 리플 전류

전해 커패시터의 리플 전류 값 \(I_{r}\)의 허용값은 커패시터의 순저항에 의해 발생하는 손실로, 온도가 10℃상승 할 때 마다 수명이 반감된다.

전해 커패시터는 일반적으로 85℃, 고온용 105℃를 사용온도 한계로 가지며, 통상 최대 2000시간 정도의 동작 밖에 보증되어 있지 않다. 따라서 85℃의 것을 55℃로 사용하면 수명 \(T=2000\times 2^{(85-55)/10}=16000\)시간으로, 연속하여 사용하면 2년 정도 밖에 사용할 수 없다. 따라서 커패시터의 신뢰성 수명이 중요한 경우에는 가능한 리플 전류 허용치가 높은 고온의 제품을 사용하며, 자체 발열 및 주위의 열로부터 방열 할 수 있도록 하는 것이 중요하다.

허용 리플 전류는 온도 및 주파수에 의해서도 변화한다. 일반적으로 datasheet에는 최고 온도 및 전파 정류의 120Hz에서의 값이 표시되어 있고, 아래와 같은 경감 계수를 적용 할 수 있다.

Temp	85	70	60	40
Constant	1.0	1.7	1.9	2.8

Freq	60	120	1000	10000
Constant	0.8	1.0	1.3	1.5

예를들어 Samwha의 450WV, 220uF, 35㎜ ,수명 3000시간의 HC 커패시터를 60℃, 120Hz에서 사용 할 경우,리플 전류 값 \(I_{r}=1.14\times 1.9 \times 1.0=2.1A\) 까지 흐르는 것이 가능 하다.

전원 장치에 사용하는 전해 커패시터는 이 허용 리플 전류의 조건에 따라 부품을 선정해야 하는 것이 중요하다.

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다이오드의 특성

다이오드는 그림에서 나타내듯이 ▶의 방향으로만 전류를 흐르게 할 수 있는 부품이다. 이것은 순방향 전압 \( V_{F} \) 이상으로 다이오드 양단에 전압이 인가되면 순방향 전류 \( I_{F} \)가 급격히 증가하는 비선형 관계이다. 또 순방향의 전류 \( I_{F} \)가 흐르면 반드시 순방향 전압 강하 \( V_{F} \)가 발생 한다.

이때 전력 손실이 발생 하기 때문에 대전류의 정류 회로에서는 부품 발열에 유의해야한다. 다이오드가 발열 되면 누설 전류가 증가하고, 열 폭주로 인한 화재의 위험성이 있다. 때문에 대부분의 다이오드 플라스틱 몰드는 UL94V-0 이상의 난연 규격을 만족 하고 있다.

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브릿지 다이오드의 내압 \(V_{RM}\)선정

브릿지 정류회로에서는 다이오드가 도통하고 있는 동안에 각각의 다이오드 양단 전압 \(V_{D}\)의 인가 전압 \( e\)의 \(\sqrt{2}\times e_{rms}\)가 된다. 실제로는 AC의 입력 전압이 변동하면 그것에 비례 하여 \( e_{rms}\)도 변화하기 때문에 최대 입력 전압 시에도 \(V_{D}\)가 다이오드의 내압 \(V_{RM}\)을 초과하지 않도록 해야 한다.

또 실제 정류회로에서는 서지와 같은 외부 노이즈의 영향이 있기 때문에 \(V_{RM}\)을 충분히 여유가 있게 선정하여야 한다. 일반적으로 정류 전압의 2배의 내압을 선정하며, 인가 전압이 불안정하다면 더 높은 내압 선정이 필요하다.

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브릿지 다이오드의 순방향 전류 \(I_{F}\)선정

일반적인 정류 회로에서는 다이오드를 흐르는 전류 \(i_{c}\)는 정현파가 아닌 펄스 파형으로 흐른다. 이 펄스 전류는 여러가지 조건으로 최대값이 변화한다.

우선 다이오드를 흐르는 \(i_{c}\)의 평균값 \(I_{ave}\)는 정류 후의 직류 전류 \(I_{O}\)와 같아야 하기 때문에 반사이클의 주기를 \(T\)로 하고, 전류가 흐르고 있는 기간을 \(t_{1}\)으로 하면 \(\frac{1}{T}\int_{0}^{t_{1}}i_{c}dt=I_{0}\)가 된다.

일반적으로 정류 다이오드의 순방향 전류 \(I_{F}\)는 이 \(i_{c}\)의 평균값에서 최대 정격이 정해져 있다. 그러나 이것은 전류가 직류로 흐른 경우의 값이고 펄스 전류는 정격값을 낮게 생각해야 한다. 이 펄스 전류의 최대값 \(i_{CP}\)는 O.H. Schade의 그래프로부터 구할 수 있다. 가로축의 \(n\omega CR_{L}\)의 \(n\)은 배전압 정류에서는 0.5, 반파정류에서는 1, 전파정류에서는 2의 계수를 가진다. \(C\)는 커패시터의 용량, \(R_{L}\)은 부하 저항 값이다.

다음에 세로축의 \(R_{S}/\left ( nR_{L} \right )\)은 부하 저항과 라인 임피던스의 비율을 의미한다. 라인 임피던스 \(R_{S}\)는 배선의 저항 값은 물론 전원 트랜스의 권선 저항도 포함하여 생각해야한다.

이러한 조건에서 아래 그래프에서 왼쪽 세로축의 수치를 읽는다. 이 수치에 출력 전류 \(I_{O}\)를 곱한 것이 전류의 최대값 \(i_{CP}\)이다.

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서지 전류를 고려한 다이오드 선정

다이오드의 또 하나의 전류 조건은 서지 전류 \(I_{FSM}\)이다. 정류 회로에서는 처음에 전원 스위치를 동작하는 시점에 커패시터의 충전 전압은 0V로 되어 있다. 따라서 스위치를 동작한 순간에는 커패시터로 큰 충전 전류가 흐른다. 이것을 돌입 전류라고 하며 이 큰 충전 전류에 의하여 커패시터의 단자전압이 상승되고 그에 따라 서서히 충전의 전류값이 정상 상태로 된다.

일반적으로 정류 다이오드의 서지 전류 \(I_{FSM}\)는 순방향 전류 \(I_{F}\)의 10배 정도의 값을 가지고 있다. 그러나 이것은 1사이클의 보증값이고 다이오드의 온도가 높은 상태에는 값이 저하된다.

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다이오드의 전력 손실

다이오드는 순방향 전압 강하 \(V_{F}\)와 순방향 전류 \(I_{F}\)에 의해 전력 손실이 발생 한다. 그리고 이것에 의하여 발열하여 온도가 상승한다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 실리콘 다이오드는 최대 정션온도 \(T_{j(max)}\)가 150℃이기 때문에 이것을 넘지 않도록 해야한다. 다이오드의 전류 정격은 정션온도에 도달하는 조건으로 정해져 있기 때문에 온도가 높은 경우에는 방열기를 설치하여 온도를 낮게하는 조치가 필요하다.

다이오드의 전력 손실을 엄밀하게 계산하는 것은 쉽지 않다. 간단하게 계산하는 방법으로는 순방향 전압 강하 \(V_{F}\)에서 정류 후 출력 전류 \(I_{O}\)와의 곱을 손실로 하여 계산한다. 또 브릿지 다이오드에서는 항상 2개의 다이오드에 전류가 흐르기 때문에 합계 손실은 2배로 하여야 한다.

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다이오드 1개를 사용한 반파 정류 회로

상용 전원은 50/60Hz의 정현파로, 주파수의 절반 마다 플러스 전압과 마이너스 전압의 대칭 파형이다. 이를 1개의 다이오드로 플러스 전압만 정류 하는 것을 반파 정류 회로라고 한다.

이때 다이오드는 플러스 전압으로 전하를 커패시터에 충전 시키고 마이너스 전압 사이클 에서는 다이오드에 역전압이 인가되어 커패시터에 충전된 전하가 반대 방향으로 방전되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이때 직류 출력 전류 \( I_{O} \)는 커패시터 충전 전류 \( i_{C} \)의 평균값으로 \( I_{O}=\frac{1}{T}\int_{0}^{t}i_{C}dt \)이다.

이와 같이 반파 정류 회로에서는 커패시터의 충전 전류 \( i_{C} \)는 전원 주파수의 1주기에 1회 밖에 충전되지 않으므로, 전류 최대값 \( i_{C,peak} \)는 그만큼 커진다. 그러므로 반파 정류 회로는 출력 전류가 크면 출력 리플을 저감하기 위해 커패시터의 용량이 커진다. 그 때문에 작은 출력 전류의 회로에서만 사용해야 한다.

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다이오드 2개를 사용한 전파 정류 회로

전파 정류회로는 다이오드 2개를 사용하여 정현파의 플러스 전압과 마이너스 전압을 모두 정류 하는 방식이다. 다이오드 2개를 사용하는 전파 정류 회로는 2차측에 트랜스의 중간 탭을 중심으로 하여 2개의 권선이 필요하다. 트랜스 각각의 권선은 플러스 반주기에서는 다이오드 \( D_{1} \)이 도통하고, 마이너스 반주기에서는 다이오드 \( D_{2} \)가 도통한다. 따라서 정류 파형은 정현파의 마이너스 반주기가 반전된 펄스 파형이다.

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다이오드 4개를 사용한 전파 정류 회로

가장 많이 사용되는 것은 다이오드 4개를 사용한 전파 정류 회로로, 브릿지 정류 회로라고도 한다. 트랜스 권선을 1개로 하는 대신에 다이오드를 4개 사용해야 하지만, 다이오드 4개가 패키징된 브릿지 다이오드가 많이 시판되고 있기 때문에 큰 단점은 아니다.

플러스 반주기와 마이너스 반주기 때의 전류가 교대로 커패시터에 전하를 충전하므로 전파 정류되지만, 전류가 흐르는 경로에 2개의 다이오드가 직렬로 삽입되기 때문에 다이오드의 순방향 전압 강하 \( V_{F} \)가 2배가 되고 그만큼 손실이 증가하게 된다.

예를 들어 정류 전압이 12V 이고 출력전류가 1A인 12W 회로의 효율을 계산해 보자. 다이오드의 순방향 전압 강하 \( V_{F} \)를 1V로 두면 중간 탭을 사용한 전파 정류의 경우

$$\eta = \frac{12W}{\left ( 12V + 1V_{F} \right )\times 1A}=92\%$$

인것에 비해, 브릿지 다이오드를 사용한 전파 정류의 경우

$$\eta = \frac{12W}{\left ( 12V + 2V_{F} \right )\times 1A}=86\%$$

로 효율의 차이가 크다.

이러한 단점에도 불구하고 트랜스의 중간 탭을 제거하고 시판되는 브릿지 다이오드를 사용하여 회로를 단순하게 만들 수 있기 때문에 브릿지 정류 회로는 많이 사용되고 있다.

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회로의 목적에 맞는 정류 회로를 사용한다

위와 같이 각각의 정류 회로는 단점과 장점이 명확하다. 다이오드 1개를 사용하면 회로는 단순하나, 커패시터의 충전 전류가 크기 때문에 작은 출력에 사용하여야 하고, 다이오드를 2개를 사용하면 효율이 높으나 트랜스의 센터탭을 설계 해야하는 부담이 있다. 브릿지 다이오드를 사용하면 설계가 단순 하지만 다이오드의 순방향 전압 강하를 고려한 효율을 고민하여야 한다.

최근에는 높은 효율을 위하여 다이오드 대신 FET를 사용하여 정류하는 방법인 동기 정류 회로가 사용되고 있으나, 이것에 대한 설명은 다음에 하도록 하겠다.