정류 회로

정류 회로(rectifier circuit, 정류기)는 다이오드처럼 한 방향으로만 전류를 흘리는 소자로 교류를 한 방향의 맥류로 바꾸고, 커패시터 같은 평활 회로로 맥동을 줄여 직류를 얻는 회로이다.

개요

직류 전원 장치는 보통 변압기(전압 조절) → 정류 회로(교류 → 맥류) → 평활 회로(맥동 감소) → 전압 조정기(전압 고정) 순으로 이루어진다. 정류 회로의 출력에 남은 교류 성분을 리플(ripple, 맥동)이라 한다.

종류

입력이 최댓값 V_m, 주파수 f 인 정현파이고 다이오드가 이상적일 때

회로	다이오드 수	출력 평균(직류) 전압	리플 주파수	다이오드 역방향 최대 전압(PIV)	특징
반파 정류	1	Vm/π ≈ 0.318Vm	f	Vm	반주기만 쓴다. 맥동률 1.21 로 크다
중간 탭 전파 정류	2	2Vm/π ≈ 0.637Vm	2f	2Vm	중간 탭 변압기가 필요하다
브리지 전파 정류	4	2Vm/π	2f	Vm	변압기 탭이 필요 없다. 반주기마다 다이오드 두 개를 지나 전압 강하가 2배다

• 전파 정류는 음의 반주기도 뒤집어 쓰므로 평균 전압이 반파의 두 배, 맥동률은 0.482 다
• 실제 실리콘 다이오드는 하나에 약 0.7V 씩 떨어진다

브리지 전파 정류 계산 예

입력 v_s(t) = V_m sin(120πt) [V](60Hz), 이상적인 다이오드 네 개의 브리지와 부하 R 인 회로

• 출력은 음의 반주기도 뒤집혀 나오므로 기본 주파수가 입력의 두 배인 120Hz 다
• 출력 평균값은 2V_m/π 다. V_m/π 는 반파 정류의 평균값이다
• 출력 실효값은 V_m/√2 다. 전파 정류는 부호만 뒤집으므로 제곱한 값이 입력 정현파와 같고, 따라서 실효값도 같다(반파 정류는 V_m/2) → 실효값
• 다이오드에 걸리는 역방향 최대 전압은 브리지에서 V_m 이다. 2V_m 은 중간 탭 전파 정류의 값이다

커패시터 입력 필터와 리플

정류 출력에 부하와 병렬로 커패시터를 달면, 커패시터가 입력의 꼭대기 근처에서 충전되었다가 다이오드가 꺼진 동안 부하로 방전해 출력이 거의 일정해진다. 방전 동안 떨어지는 전압이 리플이다.

부하 전류를 I_L, 직류 부하 전압을 V_DC, 부하 저항을 R_L 이라 하면 피크-피크 리플 전압은 어림으로

$V_{r(p\text{-}p)}\approx \frac{I_L}{f_{r}C}=\frac{V_{DC}}{f_r{R}_{L}C}$

이다. f_r 은 리플 주파수로 반파 정류는 f, 전파 정류는 2f 다. 커패시터가 클수록, 부하 전류가 작을수록 리플이 작다.

계산 예

반파 정류(다이오드 1개) + 커패시터 입력 필터에서 V_DC = 30V, f = 60Hz, R_L = 10kΩ, V_r(p-p) = 5V 이면

• I_L = 30V / 10kΩ = 3mA
• C = I_L / (f · V_r) = 3×10^-3 / (60 × 5) = 1×10^-5 F = 10µF
• 같은 조건의 전파 정류라면 리플 주파수가 120Hz 라 5µF 면 된다

정밀 정류기

보통 다이오드는 문턱 전압(약 0.7V)보다 작은 신호를 정류하지 못한다. 정밀 정류기(precision rectifier, 초정밀 다이오드)는 다이오드를 연산 증폭기의 되먹임 루프 안에 넣어, 연산 증폭기의 큰 이득으로 다이오드 문턱을 사실상 0 으로 만든다.

반전형 반파 정밀 정류기

입력 v_i 를 R₁ 을 거쳐 반전 입력에 넣고(비반전 입력은 접지), 연산 증폭기 출력과 출력 단자 v_o 사이에 다이오드 D₁(연산 증폭기 출력 쪽이 애노드), 연산 증폭기 출력과 반전 입력 사이에 반대 방향의 다이오드 D₂ 를 두고, 출력 단자와 반전 입력 사이에 R₂ 를 둔 회로.

• v_i > 0 이면 연산 증폭기 출력이 음으로 가 D₂ 가 켜지고 D₁ 은 꺼진다. 반전 입력이 가상 접지에 묶이고 R₂ 에 전류가 흐르지 않아 v_o = 0
• v_i < 0 이면 출력이 양으로 가 D₁ 이 켜지고 D₂ 는 꺼진다. 반전 증폭기로 동작해 v_o = -(R₂/R₁)v_i > 0
• 정현파를 넣으면 음의 반주기만 뒤집혀 나오는 반파 정류기다. D₂ 는 출력이 깊은 포화로 가지 않게 잡아 주어 빠르게 응답하게 한다
• 이 반파 정류기의 출력과 입력을 가산 증폭기로 더하면(입력 1, 반파 출력 2 의 비율) 전파 정밀 정류기(절댓값 회로)가 된다. 연산 증폭기가 두 개 필요하다

비슷한 다이오드 회로와 구별하기

회로	구성	출력
반파 정류기	다이오드 하나(또는 위 정밀 정류기)	한쪽 반주기만 남는다
전파 정류기	다이오드 2~4개, 또는 정밀 반파 정류기 + 가산기	두 반주기가 모두 같은 극성으로 나온다
피크 검출기(첨두값 검출기)	다이오드 + 커패시터(연산 증폭기 버퍼를 앞뒤에 둔다)	지금까지 들어온 입력의 최댓값을 커패시터에 붙잡아 유지한다. 커패시터 입력 필터는 방전 저항이 있는 피크 검출기다
대수 증폭기(로그 증폭기)	반전 증폭기의 되먹임 자리에 다이오드(또는 트랜지스터) 하나	다이오드 전류가 전압의 지수 함수라 출력이 입력의 로그에 비례한다. 다이오드를 입력 쪽에 두면 역대수(지수) 증폭기
클리퍼·클램퍼	다이오드(+ 전지, 커패시터)	파형의 일부를 잘라 내거나 직류 레벨을 옮긴다 → 다이오드
슈미트 트리거	연산 증폭기 + 양되먹임	두 안정 상태 사이를 오가는 구형파. 정류기가 아니다

같이 보기

• 다이오드
• 커패시터
• 연산 증폭기
• 전압 조정기
• 슈미트 트리거