정류기 - Wikiwand

정류기(rectifier)는 주기적으로 방향이 바뀌는 교류(AC)를 한 방향으로만 흐르는 직류(DC)로 변환하는 전기장치이다. 역동작(DC를 AC로 변환)은 인버터에 의해 수행된다 .

Thumb — 사이리스터(실리콘 제어 정류기) 및 관련 장착 하드웨어. 두꺼운 나사형 스터드는 장치를 방열판에 부착하여 열을 방출한다.

이 과정은 전류의 방향을 직선화 하므로 정류라고 한다. 물리적으로 정류기는 진공관 다이오드, 습식 화학 전지, 수은 아크 밸브, 구리 및 셀레늄 산화판 스택, 반도체 다이오드, 실리콘 제어 정류기 및 기타 실리콘 기반 반도체 스위치를 비롯한 다양한 형태를 취한다. 역사적으로는 동기식 전기 기계 스위치와 전동 발전기 세트도 사용되었다. 광석 라디오라고 불리는 초기 라디오 수신기는 방연석(황화납) 결정을 미세한 와이어로 눌러 만든 고양이 수염 검출기를 사용하여 점접촉 정류기 또는 수정 탐지기 역할을 했다.

정류기는 다양한 용도로 사용되지만 DC 전원 공급 장치 및 고전압 직류 송전 시스템의 구성 요소로 사용되는 경우가 많다. 정류는 전력원으로 사용하기 위해 직류를 생성하는 것 이외의 역할을 할 수 있다. 언급한 바와 같이 정류기는 무선 신호의 검출기 역할을 할 수 있다. 가스 가열 시스템에서 화염 정류는 화염의 존재를 감지하는 데 사용된다.

교류 전원의 유형과 정류기 회로의 배열에 따라 균일하고 안정된 전압을 생성하기 위해 출력 전압을 추가로 평활화해야 할 수도 있다. 라디오, 텔레비전 및 컴퓨터 장비용 전원 공급 장치와 같은 정류기의 많은 응용 분야에는 배터리에서 생성되는 것과 같이 안정적이고 일정한 DC 전압이 필요하다 . 이러한 응용 분야에서 정류기의 출력은 커패시터, 초크 또는 커패시터 세트, 초크 및 저항기일 수 있는 전자 필터에 의해 평활화되며, 그 뒤에는 안정적인 전압을 생성하기 위한 전압 조정기가 뒤따를 수 있다.

DC를 AC로 변환하는 반대 기능을 수행하는 더 복잡한 회로를 인버터라고 한다.

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정류 장치

실리콘 반도체 정류기가 개발되기 전에는 진공관 열전자 다이오드와 산화구리 또는 셀레늄 기반의 금속 정류기 스택이 사용되었다.^[1] 전원 공급 회로의 정류 적용을 위해 설계된 최초의 진공관 다이오드는 1915년 4월 제너럴 일렉트릭의 사울 더시먼이 선보였다.^[2]^[3] 반도체 전자기기가 도입되면서 진공관 정류기는 일부 진공관 오디오 장비 애호가를 제외하고는 쓸모없게 되었다. 매우 낮은 전류에서 매우 높은 전류에 이르는 전력 정류에는 다양한 유형의 반도체 다이오드(PN 접합 다이오드, 쇼트키 다이오드 등)가 널리 사용된다.

단순한 정류 이상이 필요한 경우, 예를 들어 가변 출력 전압이 필요한 경우 단방향 전류 밸브 역할을 할 뿐만 아니라 제어 전극을 갖는 다른 장치들이 사용된다. 초고압직류송전에 사용되는 것과 같은 고전력 정류기에는 다양한 유형의 실리콘 반도체 소자가 사용된다. 이들은 사이리스터 또는 기타 제어 스위칭 반도체 스위치로, 전류를 한 방향으로만 통과시키는 다이오드 역할을 효과적으로 수행한다.

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정류 회로

요약

관점

정류 회로는 단상 전력 또는 다상일 수 있다. 대부분의 가정용 장비용 저전력 정류기는 단상 방식이지만, 3상 정류는 산업용 응용 분야 및 직류 (HVDC) 형태로 에너지를 전송하는 데 매우 중요하다.

단상 정류기

반파 정류

단상 전원의 반파 정류에서는 교류 파형의 양의 절반 또는 음의 절반이 통과하고 다른 절반은 차단된다. 입력 파형의 절반만 출력에 도달하므로 평균 전압이 낮아진다. 반파 정류는 단상 전력 전원에는 다이오드 하나가 필요하고, 3상전력 전원에는 3개가 필요하다. 정류기는 단방향이지만 맥동하는 직류를 생성한다. 반파 정류기는 전파 정류기보다 훨씬 더 많은 리플을 생성하며, 출력에서 교류 주파수의 고조파를 제거하려면 훨씬 더 많은 필터링이 필요하다.

사인파 입력 전압에 대한 이상적인 반파 정류기의 무부하 출력 직류 전압은 다음과 같다.^[4]

{\begin{aligned}V_{\mathrm {rms} }&={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{2}}\\[8pt]V_{\mathrm {dc} }&={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\end{aligned}}

여기서:

V_dc, V_av – DC 또는 평균 출력 전압,

V_peak – 위상 입력 전압의 피크 값,

V_rms – 출력 전압의 제곱평균제곱근 (RMS) 값이다.

전파 정류

전파 정류기는 전체 입력 파형을 출력에서 일정한 극성(양 또는 음)으로 변환한다. 수학적으로 이는 절댓값 함수에 해당한다. 전파 정류는 입력 파형의 양극성과 음극성을 모두 맥동하는 직류로 변환하며, 더 높은 평균 출력 전압을 생성한다. 두 개의 다이오드와 변압기의 중간 탭, 또는 다이오드 브리지 구성의 네 개의 다이오드와 모든 교류 전원(중간 탭이 없는 변압기 포함)이 필요하다.^[5] 단일 반도체 다이오드, 공통 캐소드 또는 공통 애노드를 가진 이중 다이오드, 그리고 4개 또는 6개 다이오드 브리지는 단일 부품으로 제조된다.

단상 교류의 경우, 변압기가 중앙 탭을 가지고 있다면 두 개의 다이오드를 직렬로 연결(필요한 출력 극성에 따라 캐소드 대 캐소드 또는 애노드 대 애노드)하여 전파 정류기를 구성할 수 있다. 동일한 출력 전압을 얻기 위해서는 브리지 정류기보다 변압기 2차 측에 두 배의 권선이 필요하지만, 정격 전력은 변하지 않는다.

이상적인 단상 전파 정류기의 무부하 평균 및 RMS 출력 전압은 다음과 같다.

{\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }&={\frac {2\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\\[8pt]V_{\mathrm {rms} }&={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}

매우 흔한 이중 다이오드 정류 진공관은 단일 공통 캐소드와 두 개의 애노드를 하나의 봉투 안에 포함하여 양의 출력을 가진 전파 정류를 구현했다. 5U4와 80/5Y3(4핀)/(옥탈)은 이 구성의 인기 있는 예시였다.

3상 정류기

단상 정류기는 일반적으로 가정용 장비의 전원 공급 장치에 사용된다. 그러나 대부분의 산업용 및 고전력 애플리케이션에서는 3상전력 정류 회로가 일반적이다. 단상 정류기와 마찬가지로 3상 정류기는 반파 회로, 중간 탭 변압기를 사용하는 전파 회로, 또는 전파 브리지 회로의 형태를 취할 수 있다.

사이리스터는 출력 전압을 조절할 수 있는 회로를 만들기 위해 다이오드 대신 흔히 사용된다. 직류를 공급하는 많은 장치는 실제로 3상 교류를 '생성'한다. 예를 들어, 자동차 발전기는 9개의 다이오드를 포함하는데, 이 중 6개는 배터리 충전을 위한 전파 정류기 역할을 한다.

3상, 반파 회로

비제어 3상 반파 중간점 회로는 각 위상에 하나씩 연결된 세 개의 다이오드를 필요로 한다. 이것은 가장 간단한 유형의 3상 정류기이지만, 교류 및 직류 연결 모두에서 비교적 높은 고조파 왜곡을 겪는다. 이 유형의 정류기는 펄스 번호가 3이라고 하는데, 직류 측의 출력 전압이 그리드 주파수 주기당 세 개의 뚜렷한 펄스를 포함하기 때문이다.

이 세 펄스 직류 전압의 피크 값 $V_{\mathrm {peak} }$ 은 입력 위상 전압의 RMS 값 $V_{\mathrm {LN} }$ (선 대 중성 전압, 북미에서는 120 V, 유럽 주전원에서는 240 V)에서 계산된다: $V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }$ . 무부하 평균 출력 전압 $V_{\mathrm {av} }$ 는 ${\frac {2}{3}}\pi$ 의 주기 지속 시간(30°에서 150°까지)을 갖는 양의 반파 그래프 아래의 적분에서 나온다:

{\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }={}&V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {2}{3}}\pi }}\int _{30^{\circ }}^{150^{\circ }}V_{\mathrm {peak} }\sin \varphi \,\mathrm {d} \varphi ={\frac {3V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot \left(-\cos 150^{\circ }+\cos 30^{\circ }\right)\\[8pt]={}&{\frac {3V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {\sqrt {3}}{2}}\right)+{\frac {\sqrt {3}}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\\[8pt]\Longrightarrow {}&V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{2\pi }}\\[8pt]\Longrightarrow {}&V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {6}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{2\pi }}\approx 1.17V_{\mathrm {LN} }\end{aligned}}

중앙 탭 변압기를 이용한 3상, 전파 회로

교류 전원이 중간 탭이 있는 변압기를 통해 공급되면 고조파 성능이 향상된 정류기 회로를 얻을 수 있다. 이 정류기는 이제 6개의 다이오드를 필요로 하며, 각 변압기 2차 권선의 각 끝에 하나씩 연결된다. 이 회로는 펄스 번호가 6이며, 사실상 6상 반파 회로로 생각할 수 있다.

반도체 소자가 출시되기 전에는 반파 회로와 중간 탭 변압기를 사용하는 전파 회로가 수은 정류기를 사용하는 산업용 정류기에 매우 흔히 사용되었다.^[6] 이는 3개 또는 6개의 교류 공급 입력이 단일 탱크의 해당 애노드 전극에 공급될 수 있었기 때문이다. 이들 전극은 공통 캐소드를 공유했다.

다이오드와 사이리스터의 등장으로 이러한 회로들은 인기가 줄어들었으며 3상 브리지 회로가 가장 일반적인 회로가 되었다.

3상 브리지 정류기 (비제어)

비제어 3상전력 브리지 정류기에는 6개의 다이오드가 사용되며, 회로는 다시 펄스 번호 6을 가진다. 이러한 이유로 일반적으로 6펄스 브리지라고도 불린다. B6 회로는 두 개의 3펄스 중앙 회로의 직렬 연결로 단순화하여 볼 수 있다.

저전력 애플리케이션의 경우, 첫 번째 다이오드의 애노드가 두 번째 다이오드의 캐소드에 연결된 직렬 이중 다이오드가 이러한 목적으로 단일 부품으로 제조된다. 일부 상업용 이중 다이오드는 4개의 터미널이 모두 제공되어 사용자가 단상 분할 전원 공급 장치, 하프 브리지 또는 3상 정류기로 구성할 수 있다.

고전력 애플리케이션의 경우, 브리지의 6개 암 각각에 일반적으로 단일 개별 장치가 사용된다. 매우 높은 전력의 경우, 브리지의 각 암은 병렬로 연결된 수십 또는 수백 개의 개별 장치(예: 알루미늄 제련에서 매우 높은 전류가 필요한 경우) 또는 직렬로 연결된 장치(예: 초고압직류송전에서 매우 높은 전압이 필요한 경우)로 구성될 수 있다.

맥동하는 직류 전압은 30° 위상차가 나는 순간적인 양의 위상 전압과 음의 위상 전압 $V_{\mathrm {LN} }$ 의 차이에서 발생한다.

B6 회로의 이상적인 무부하 평균 출력 전압 $V_{\mathrm {av} }$ 는 주기 지속 시간이 ${\frac {1}{3}}\pi$ (60°에서 120°까지)이고 피크 값 ${\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }$ 인 DC 전압 펄스 그래프 아래의 적분에서 나온다.

{\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }={}&V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {1}{3}}\pi }}\int _{60^{\circ }}^{120^{\circ }}{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin \varphi \cdot \mathrm {d} \varphi \\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \left(-\cos 120^{\circ }+\cos 60^{\circ }\right)\\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {1}{2}}\right)+{\frac {1}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\end{aligned}}

\Longrightarrow V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}\Longrightarrow V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {6}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}\approx 2.34V_{\mathrm {LN} }

3상 브리지 정류기가 대칭적으로 (양 및 음의 공급 전압) 작동될 경우, 정류기 출력 측의 중심점 (또는 소위 절연된 기준 전위)은 변압기의 중심점 (또는 중성선)에 대해 삼각파 형태의 공통 모드 전압을 가진다. 이러한 이유로 이 두 중심점은 서로 연결해서는 안 되며, 그렇지 않으면 단락 전류가 흐르게 된다. 따라서 대칭 동작 시 3상 브리지 정류기의 접지는 중성선 또는 주전원의 접지에서 분리된다. 변압기로 전원이 공급되는 경우, 변압기의 2차 권선이 주전압으로부터 전기적으로 절연되고 2차 권선의 스타 포인트가 접지되어 있지 않다면 브리지의 중심점을 접지할 수 있다. 그러나 이 경우 (무시할 수 있는) 누설 전류가 변압기 권선을 통해 흐른다.

공통 모드 전압은 맥동하는 직류 전압을 형성하는 양의 위상 전압과 음의 위상 전압 간의 차이의 각 평균값에서 형성된다. 델타 전압 ${\hat {v}}_{\mathrm {common-mode} }$ 의 피크 값은 위상 입력 전압 $V_{\mathrm {peak} }$ 의 피크 값의 1/4에 해당하며, $V_{\mathrm {peak} }$ 에서 주기 60°에서의 직류 전압의 절반을 뺀 값으로 계산된다.

{\begin{aligned}{\hat {v}}_{\text{common mode}}={}&V_{\mathrm {peak} }-{\frac {{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}\\[8pt]={}&V_{\mathrm {peak} }\cdot {\Biggl (}1-{\frac {{\sqrt {3}}\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}{\Biggl )}=V_{\mathrm {peak} }\cdot 0.25\end{aligned}}

공통 모드 전압의 RMS 값은 삼각파형에 대한 파형 계수에서 계산된다.

V_{\text{common mode}}={\frac {{\hat {v}}_{\text{common mode}}}{\sqrt {3}}}

회로가 비대칭적으로 작동될 경우 (단일 양극만을 가진 단순한 전원 전압으로서), 양극과 음극 (또는 절연된 기준 전위) 모두 위상 전압의 양극 및 음극 파형과 유사하게 입력 전압의 중앙 (또는 접지)에 대해 맥동한다. 그러나 위상 전압의 차이는 (한 주기 동안) 6펄스 직류 전압을 생성한다. 변압기 중심과 음극의 엄격한 분리 (그렇지 않으면 단락 전류가 흐른다) 또는 절연 변압기로 전원이 공급될 때 음극의 접지 가능성은 대칭 작동에 해당한다.

3상 브리지 정류기 제어형

제어형 3상 브리지 정류기는 다이오드 대신 사이리스터를 사용한다. 출력 전압은 cos(α)만큼 감소한다.

V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \cos \alpha

또는 선간 입력 전압으로 표현하면 다음과 같다.^[7]

V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos \alpha

여기서:

V_LLpeak은 선간 입력 전압의 피크 값,

V_peak은 위상(선 대 중성) 입력 전압의 피크 값,

α는 사이리스터의 점호각(정류를 위해 다이오드가 사용될 경우 0)이다.

위의 방정식은 교류 전원으로부터 전류가 전혀 흐르지 않거나 교류 전원 연결에 유도자가 없는 이론적인 경우에만 유효하다. 실제로는 공급 유도자로 인해 부하가 증가함에 따라 직류 출력 전압이 감소하며, 일반적으로 최대 부하 시 10~20% 범위이다.

공급 유도자의 영향은 한 위상에서 다음 위상으로의 전환 과정(정류라고 함)을 늦추는 것이다. 그 결과, 한 쌍의 장치 간의 각 전환에서 세 개의(두 개가 아닌) 장치가 브리지에서 동시에 도통하는 중첩 기간이 발생한다. 중첩각은 일반적으로 기호 μ(또는 u)로 표시되며, 최대 부하 시 20~30°일 수 있다.

공급 유도자를 고려하면 정류기의 출력 전압은 다음과 같이 감소한다.

V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos(\alpha +\mu ).

중첩각 μ는 직류 전류와 직접적인 관련이 있으며, 위 방정식은 다음과 같이 다시 표현될 수 있다.

V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos(\alpha )-6fL_{\mathrm {c} }I_{\mathrm {d} }

여기서:

L_c는 위상당 전환 유도자,

I_d는 직류 전류이다.

12펄스 브리지

단상 정류기나 3상 반파 정류기보다 낫지만, 6펄스 정류기 회로는 여전히 교류 및 직류 연결 모두에서 상당한 고조파 왜곡을 발생시킨다. 매우 높은 전력 정류기에는 보통 12펄스 브리지 연결이 사용된다. 12펄스 브리지는 두 개의 6펄스 브리지 회로가 직렬로 연결되어 있으며, 이들의 교류 연결은 두 브리지 사이에 30° 위상 편이를 생성하는 전원 변압기로부터 공급된다. 이는 6펄스 브리지가 생성하는 많은 특성 고조파를 상쇄한다.

30도 위상차는 일반적으로 한 세트는 스타(델타) 연결이고 다른 한 세트는 델타 연결인 두 세트의 2차 권선을 가진 변압기를 사용하여 달성된다.

전압 배율 정류기

단순한 반파 정류기는 다이오드가 반대 방향을 향하는 두 가지 전기적 구성으로 만들 수 있다. 한 버전은 출력의 음극 단자를 교류 전원에 직접 연결하고, 다른 버전은 출력의 양극 단자를 교류 전원에 직접 연결한다. 이 두 가지를 별도의 출력 평활화와 결합함으로써 거의 두 배의 피크 교류 입력 전압을 얻을 수 있다. 이는 또한 중간에 탭을 제공하여 이러한 회로를 분할 레일 전원 공급 장치로 사용할 수 있게 한다.

이것의 변형은 브리지 정류기의 출력 평활화를 위해 두 개의 축전기를 직렬로 사용한 다음, 이 축전기의 중간점과 교류 입력 단자 중 하나 사이에 스위치를 배치하는 것이다. 스위치가 열려 있으면 이 회로는 일반적인 브리지 정류기처럼 작동한다. 스위치가 닫히면 전압 배가기 정류기처럼 작동한다. 다시 말해, 이는 전 세계의 120 V 또는 230 V 주전원에서 대략 320 V (±15%, 대략)의 직류 전압을 쉽게 얻을 수 있도록 하며, 이를 비교적 간단한 스위치 모드 파워 서플라이에 공급할 수 있다. 그러나 주어진 리플에 대해 두 축전기의 값은 일반적인 브리지 정류기에 필요한 단일 축전기 값의 두 배여야 한다. 스위치가 닫히면 각각 반파 정류기의 출력을 필터링해야 하고, 스위치가 열리면 두 축전기는 직렬로 연결되어 그 중 하나의 절반에 해당하는 등가 값을 갖는다.

콕크로프트-월튼 전압 증배기에서 축전기와 다이오드 단계는 낮은 교류 전압을 높은 직류 전압으로 증폭하기 위해 연속적으로 연결된다. 이 회로는 실제적으로 전류 용량과 전압 조절 문제로 제한되지만, 최대 피크 교류 입력 전압의 약 10배까지 직류 출력 전압 전위를 생성할 수 있다. 다이오드 전압 증배기는 종종 후행 부스트 단계 또는 주 고전압(HV) 소스로 사용되며, HV 레이저 전원 공급 장치, 브라운관(CRT 기반 텔레비전, 레이더 및 소나 디스플레이에 사용되는 것과 같은), 영상 증폭 및 광전 증폭관(PMT)에서 발견되는 광자 증폭 장치, 레이더 송신기 및 전자레인지에 사용되는 자전관 기반 무선 주파수(RF) 장치에 사용된다. 반도체 전자기기가 도입되기 전에는 변압기 없는 진공관 수신기가 교류 전원에서 직접 전원을 공급받아 100~120 V 전력선에서 약 300 VDC를 생성하기 위해 전압 배가기를 사용하기도 했다.

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정류기 정량화

요약

관점

정류기 또는 그 출력의 기능과 성능을 정량화하기 위해 변압기 활용 계수(TUF), 변환율(η), 리플 계수, 파형 계수 및 피크 계수를 포함한 여러 비율이 사용된다. 두 가지 주요 측정값은 직류 전압(또는 오프셋)과 피크-피크 리플 전압이며, 이는 출력 전압의 구성 요소이다.

변환율

변환율(또한 "정류율"이라고도 하며, 혼란스럽게도 "효율성"이라고도 함) η는 직류 출력 전력과 교류 전원으로부터의 입력 전력의 비율로 정의된다. 이상적인 정류기에서도 이 비율은 100% 미만인데, 이는 출력 전력의 일부가 직류 파형에 중첩된 리플로 나타나는 교류 전력이기 때문이다. 이 비율은 리플을 줄여 출력의 교류 성분을 감소시키는 평활화 회로를 사용하여 개선될 수 있다. 변환율은 변압기 권선의 손실과 정류기 소자 자체의 전력 손실로 인해 감소한다. 이 비율은 정류기가 거의 항상 직류 전압을 증가시키고 리플을 줄이기 위한 필터 뒤에 오기 때문에 실제적인 의미가 거의 없다. 일부 3상 및 다상 응용 분야에서는 변환율이 충분히 높아서 평활화 회로가 불필요하다.^[8] 부하가 거의 전적으로 저항성인 진공관 전자기기의 필라멘트 히터 회로와 같은 다른 회로에서는 저항기가 교류 및 직류 전력을 모두 소산하므로 전력 손실이 없어 평활화 회로를 생략할 수 있다.

반파 정류기의 경우 그 비율은 매우 낮다.

P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over 2}

(음의 반주기에는 전력이 전달되지 않으므로 제수(divisor)가 2가 아니라 √2이다)

P_{\mathrm {DC} }={V_{\mathrm {peak} } \over \pi }\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over \pi }

따라서 반파 정류기의 최대 변환율은 다음과 같다.

\eta ={P_{\mathrm {DC} } \over P_{\mathrm {AC} }}={4 \over \pi ^{2}}\approx 40.5\%

마찬가지로 전파 정류기의 경우,

P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}

P_{\mathrm {DC} }={2\cdot V_{\mathrm {peak} } \over \pi }\cdot {2\cdot I_{\mathrm {peak} } \over \pi }

\eta ={P_{\mathrm {DC} } \over P_{\mathrm {AC} }}={8 \over \pi ^{2}}\approx 81.0\%

3상 정류기, 특히 3상 전파 정류기는 리플이 본질적으로 작기 때문에 훨씬 더 높은 변환율을 가진다.

3상 반파 정류기의 경우,

P_{\mathrm {AC} }=3\cdot {V_{\mathrm {peak} } \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over 2}

P_{\mathrm {DC} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot {\frac {3{\sqrt {3}}\cdot I_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}

3상 전파 정류기의 경우,

P_{\mathrm {AC} }=3\cdot {V_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}

P_{\mathrm {DC} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\frac {3{\sqrt {3}}\cdot I_{\mathrm {peak} }}{\pi }}

변압기 이용률

정류기 회로의 변압기 이용률(TUF)은 입력 저항기에서 사용할 수 있는 직류 전력과 변압기 출력 코일의 교류 정격의 비율로 정의된다.^[9]^[10]

{\text{T.U.F}}={\frac {P_{\text{odc}}}{\text{VA rating of transformer}}}

변압기의 $VA$ 정격은 다음과 같이 정의될 수 있다: $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})$

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정류기 전압 강하

같이 보기: Diode § 다양한 반도체에 대한 순방향 임계 전압

실제 정류기는 입력 전압의 일부를 특성상 떨어뜨린다(실리콘 장치의 경우 일반적으로 0.7볼트와 등가 저항이 더해진 전압 강하이며, 일반적으로 비선형적이다). 고주파에서는 파형을 다른 방식으로 왜곡시킨다. 이상적인 정류기와 달리 일부 전력을 소산한다.

대부분의 정류의 한 측면은 다이오드 양단의 내장 전압 강하로 인해 피크 입력 전압에서 피크 출력 전압까지 손실이 발생한다(일반적인 실리콘 PN 접합 다이오드의 경우 약 0.7V, 쇼트키 다이오드의 경우 0.3V). 반파 정류와 중간 탭 2차측을 사용하는 전파 정류는 한 다이오드 전압 강하의 피크 전압 손실을 발생시킨다. 브리지 정류는 두 다이오드 전압 강하의 손실을 가진다. 이는 출력 전압을 감소시키고, 매우 낮은 교류 전압을 정류해야 하는 경우 사용 가능한 출력 전압을 제한한다. 다이오드는 이 전압 이하에서는 도통하지 않으므로, 회로는 각 반주기의 일부 동안만 전류를 통과시켜 각 "혹" 사이에 짧은 무전압 구간(순간 입력 전압이 한두 다이오드 전압 강하보다 낮은 경우)이 나타나게 한다.

피크 손실은 저전압 정류기(예: 12V 이하)에서는 매우 중요하지만, 초고압직류송전 시스템과 같은 고전압 애플리케이션에서는 미미하다.

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고조파 왜곡

정류기와 같은 비선형 부하는 스위칭 동작으로 인해 교류 측에서는 소스 주파수의 전류 고조파를, 직류 측에서는 소스 주파수의 전압 고조파를 생성한다.

정류기 출력 평활화

요약

관점

반파 및 전파 정류는 단방향 전류를 전달하지만, 일정한 전압을 생성하지는 않는다. 반파 정류기의 경우 소스 주파수에서, 전파 정류기의 경우 소스 주파수의 두 배에서 큰 리플 교류 전압 성분이 존재한다. 리플 전압은 일반적으로 피크-투-피크로 지정된다. 정류된 교류 전원 공급 장치에서 안정적인 직류를 생성하려면 평활화 회로 또는 전자 필터가 필요하다. 가장 간단한 형태로는 축전기(평활 축전기이자 저장 축전기^[11]^[12] 버퍼 또는 벌크 축전기) 또는 유도자, 저항기, 제너 다이오드 및 저항기, 또는 전압 조정기를 정류기 출력에 배치하는 것만으로도 가능하다. 실제로는 대부분의 평활화 필터는 회로에서 허용할 수 있는 수준으로 리플 전압을 효율적으로 줄이기 위해 여러 구성 요소를 사용한다.

필터 축전기는 교류 소스가 전류 흐름의 방향을 바꿀 때와 같이 교류 소스가 전력을 공급하지 않는 교류 주기 동안 저장된 에너지를 방출한다.

낮은 임피던스 소스에서의 성능

파일:Reservoircapidealised.gif

위 다이어그램은 주전원 공급 장치와 같이 임피던스가 거의 0인 전압원에서 공급될 때 저장소 성능의 전압 파형을 보여준다. 두 전압 모두 이미지의 맨 왼쪽 t=0 시점에서 0부터 시작한 다음, 축전기 전압은 정류된 교류 전압이 증가함에 따라 따라간다. 축전기는 충전되고 부하에 전류가 공급된다. 주전원 4분의 1주기 끝에서 축전기는 정류기 전압의 피크 값 Vp까지 충전된다. 이어서, 정류기 입력 전압은 다음 4분의 1주기로 진입하면서 최소값 Vmin으로 감소하기 시작한다. 이는 축전기가 부하로 출력 전압을 유지하는 동안 축전기를 통해 부하로 방전되는 것을 시작한다.

축전기 C의 크기는 허용할 수 있는 리플 r의 양에 따라 결정되며, 여기서 r=(Vp−Vmin)/Vp이다.^[13]

이 회로들은 변압기로부터 매우 자주 공급되며, 저항 및 리액턴스 형태의 상당한 내부 임피던스를 가질 수 있다. 변압기 내부 임피던스는 저장 축전기 파형을 수정하고, 피크 전압을 변경하며, 조절 문제를 유발한다.

축전기-입력 필터

주어진 부하에 대해 평활 축전기의 크기 결정은 리플 전압 감소와 리플 전류 증가 사이의 절충이다. 피크 전류는 들어오는 사인파의 상승 에지에서 공급 전압의 상승률에 의해 결정되며, 변압기 권선의 저항에 의해 감소된다. 높은 리플 전류는 축전기, 정류기 및 변압기 권선에서 I²R 손실(열의 형태로)을 증가시키고, 부품의 전류 용량 또는 변압기의 VA 정격을 초과할 수 있다. 진공관 정류기는 입력 축전기의 최대 용량을 지정하며, 반도체 다이오드 정류기 또한 전류 제한이 있다. 이 응용 분야의 축전기는 낮은 ESR을 필요로 한다. 그렇지 않으면 리플 전류가 과열될 수 있다. 리플 전압을 지정된 값으로 제한하려면 필요한 축전기 크기는 부하 전류에 비례하고 공급 주파수 및 입력 주기당 정류기의 출력 피크 수에 반비례한다. 전파 정류 출력은 반파 정류 출력의 두 배 주파수를 가지므로 더 작은 축전기를 필요로 한다. 단일 축전기만으로 리플을 만족스러운 한계까지 줄이려면 종종 비실용적인 크기의 축전기가 필요할 수 있다. 이는 축전기의 리플 전류 정격이 크기에 비례하여 증가하지 않으며 높이 제한도 있을 수 있기 때문이다. 고전류 응용 분야에서는 축전기 뱅크가 대신 사용된다.

유도자-입력 필터

정류된 파형을 유도자-입력 필터에 넣는 것도 가능하다. 이 회로의 장점은 전류 파형이 더 부드럽다는 것이다. 전류는 축전기 입력 필터처럼 각 반주기마다 교류 전압의 피크에서 펄스로 인출되는 대신 전체 주기 동안 인출된다. 단점은 전압 출력이 훨씬 낮다는 것이다. 즉, 피크가 아닌 교류 반주기의 평균이다. 이는 축전기 입력 필터의 경우 (무부하 상태에서) RMS 전압의 ${\sqrt {2}}$ 배가 아닌 RMS 전압의 약 90%이다. 이를 상쇄하는 것은 우수한 전압 조절과 더 높은 사용 가능 전류이며, 이는 전원 공급 장치 구성 요소에 대한 피크 전압 및 리플 전류 요구 사항을 줄인다. 유도자는 철 또는 기타 자기 재료의 코어를 필요로 하며 무게와 크기를 더한다. 따라서 전압 조정기와 같은 반도체 회로를 선호하여 전자 장비의 전원 공급 장치에서의 사용은 감소했다.^[14]

입력 필터로서의 저항기

리플 전압이 미미한 경우(예: 충전기), 입력 필터는 회로에 필요한 출력 전압을 조정하기 위한 단일 직렬 저항기일 수 있다. 저항기는 출력 전압과 리플 전압을 비례적으로 감소시킨다. 저항기 입력 필터의 단점은 부하에 사용할 수 없는 폐열의 형태로 전력을 소비하므로 저전류 회로에서만 사용된다는 점이다.

고차 및 계단식 필터

리플을 더욱 줄이기 위해 초기 필터 소자 뒤에 추가적인 교류 직렬 및 션트 필터 구성 요소 또는 전압 조정기를 배치할 수 있다. 직렬 필터 구성 요소는 저항기 또는 유도자일 수 있으며, 션트 소자는 저항기 또는 축전기일 수 있다. 필터는 리플을 줄일 뿐만 아니라 직류 전압을 높일 수도 있다. 필터는 종종 RC(직렬 저항기, 션트 축전기) 또는 LC(직렬 유도자, 션트 축전기) 섹션이라고 불리는 직렬/션트 구성 요소 쌍으로 구성된다. 두 가지 일반적인 필터 기하학은 파이(phi) 필터 (축전기, 유도자, 축전기) 및 T 필터(유도자, 축전기, 유도자)로 알려져 있다. 때때로 직렬 소자는 저항기이다. 왜냐하면 저항기는 더 작고 저렴하며, 더 낮은 직류 출력이 바람직하거나 허용 가능하기 때문이다. 또 다른 종류의 특수 필터 기하학은 [[직렬 공진 유도자 ]] 또는 조정된 유도자 필터이다. 다른 저역 통과 필터와 달리, 공진 유도자 필터는 대역 저지 필터이다. 즉, 유도자와 축전기의 병렬 조합으로, 리플 전압 주파수에서 공진하여 리플에 매우 높은 임피던스를 제공한다. 필터를 완성하기 위해 션트 축전기가 뒤따를 수 있다.

전압 조정기

직류 부하에 매우 낮은 리플 전압이 필요한 경우, 추가 필터 구성 요소 대신 입력 필터 뒤에 전압 조정기를 배치하는 것이 일반적이다. 전압 조정기는 필터와는 다른 원리로 작동한다. 필터는 기본적으로 리플 주파수에서 부하로부터 전압을 우회시키는 전압 분배기이다. 반면, 조정기는 일정한 출력 전압을 유지하기 위해 부하에 공급되는 전류를 증가시키거나 감소시킨다.

간단한 수동 션트 전압 조정기는 소스 전압을 필요한 수준으로 낮추는 직렬 저항기와 설정 전압과 동일한 역 전압을 가진 제너 다이오드 션트로 구성될 수 있다. 입력 전압이 상승하면 다이오드는 전류를 방출하여 설정된 출력 전압을 유지한다. 이 유형의 조정기는 제너 다이오드가 전압 및 전류 제한을 모두 가지고 있기 때문에 일반적으로 저전압, 저전류 회로에서만 사용된다. 또한 과도한 전류를 방출하여 부하에 사용할 수 없으므로 매우 비효율적이다.

션트 전압 조정기의 보다 효율적인 대안은 능동 전압 조정기 회로이다. 능동 조정기는 에너지를 저장하고 방전하기 위해 리액티브 구성 요소를 사용하여 정류기가 공급하는 대부분 또는 모든 전류가 부하로 전달되도록 한다. 또한 트랜지스터와 같은 적어도 하나의 전압 증폭 구성 요소와 함께 음성 및 양성 피드백을 사용하여 소스 전압이 떨어질 때 출력 전압을 유지할 수 있다. 입력 필터는 조정기가 필요한 출력 전압을 생성하는 데 필요한 최소 전압 이하로 리플의 골이 떨어지는 것을 방지해야 한다. 조정기는 리플을 크게 줄이고 공급 및 부하 특성의 변화에 대처하는 역할을 한다.

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활용

정류기의 주요 적용 분야는 교류 전원 공급 장치에서 직류 전력을 얻는 것이다(AC-DC 변환기). 정류기는 거의 모든 전자 장비의 전원 공급 장치 내부에 사용된다. AC/DC 전원 공급 장치는 크게 선형 전원 공급 장치와 스위치 모드 파워 서플라이로 나눌 수 있다. 이러한 전원 공급 장치에서 정류기는 변압기 다음에 직렬로 연결되고 평활화 필터와 아마도 전압 조정기가 뒤따를 것이다.

하나의 전압에서 다른 전압으로 직류 전력을 변환하는 것은 훨씬 더 복잡하다. DC-DC 변환 방법 중 하나는 먼저 전력을 교류로 변환한 다음(인버터라고 하는 장치를 사용하여), 변압기를 사용하여 전압을 변경하고, 마지막으로 전력을 다시 직류로 정류하는 것이다. 일반적으로 수십 킬로헤르츠의 주파수가 사용되는데, 이는 저주파보다 훨씬 작은 유도자를 필요로 하고 무겁고 부피가 크며 비싼 철심 변압기의 사용을 피할 수 있기 때문이다. 직류 전압을 변환하는 또 다른 방법은 전하 펌프를 사용하는 것으로, 축전기의 연결을 변경하기 위해 빠른 스위칭을 사용한다. 이 기술은 일반적으로 필요한 축전기의 크기 때문에 몇 와트까지만 공급할 수 있다.

정류기는 진폭 변조 라디오 신호의 검파에도 사용된다. 신호는 검파 전에 증폭될 수 있다. 그렇지 않으면 매우 낮은 전압 강하 다이오드 또는 고정 전압으로 바이어스된 다이오드를 사용해야 한다. 복조를 위해 정류기를 사용할 때 축전기와 부하 저항은 신중하게 일치시켜야 한다. 너무 낮은 정전 용량은 고주파 반송파가 출력으로 통과하게 하고, 너무 높은 정전 용량은 축전기가 충전만 되고 계속 충전된 상태를 유지하게 한다.

정류기는 용접을 위한 극성 전압을 공급한다. 이러한 회로에서는 출력 전류의 제어가 필요하며, 이는 때때로 다이오드 브리지의 일부 다이오드를 사이리스터로 대체하여 달성된다. 사이리스터는 위상 제어기로 온/오프 스위칭하여 전압 출력을 조절할 수 있는 효과적인 다이오드이다.

사이리스터는 다양한 종류의 철도 차량 시스템에 사용되어 견인 전동기를 정밀하게 제어할 수 있다. 게이트 턴 오프 사이리스터는 직류 전원에서 교류를 생성하는 데 사용된다. 예를 들어 유로스타 열차는 3상 견인 전동기에 전력을 공급한다.^[15]

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정류 기술

요약

관점

전자기계식

진공관 정류기가 개발된 1905년경 이전에는 전력 변환 장치가 순수하게 전자기계식으로 설계되었다. 기계적 정류기는 전자석에 의해 구동되는 일종의 회전 또는 공진 진동을 사용하여 전류를 역전시키는 스위치 또는 정류자를 작동시켰다.

이러한 기계식 정류기는 소음이 많고 윤활 및 마모로 인한 움직이는 부품 교체 등 유지보수 요구 사항이 높았다. 부하 상태에서 기계식 접점이 열리면 접점을 가열하고 침식하는 전기 아크와 스파크가 발생했다. 또한 초당 수천 주기 이상의 주파수 교류를 처리할 수 없었다.

동기 정류기

전기 기관차에서 교류를 직류로 변환하기 위해 동기 정류기를 사용할 수 있다. 이는 고부하 전기 접점 세트를 구동하는 동기 전동기로 구성된다. 전동기는 교류 주파수와 동기화되어 회전하며, 사인파 전류가 영점을 통과하는 순간 부하에 대한 연결을 주기적으로 역전시킨다. 접점은 큰 전류를 스위칭할 필요는 없지만, 기관차의 직류 견인 전동기에 전력을 공급하기 위해 큰 전류를 운반할 수 있어야 한다.

진동 정류기

이들은 교류 전자석에 의해 생성된 교번 자기장으로 진동하는 공진 리드 스위치로 구성되며, 음의 반주기에서 전류 방향을 역전시키는 접점을 가지고 있었다. 이들은 충전기와 같은 저전력 장치에서 강압 변압기가 생성하는 저전압을 정류하는 데 사용되었다. 또 다른 용도는 휴대용 진공관 라디오용 배터리 전원 공급 장치에서 진공관에 필요한 고전압 직류를 제공하는 것이었다. 이들은 변압기를 사용하여 배터리 전압을 높이고, 변압기 코어에 있는 진동기 접점 세트가 자기장에 의해 작동하여 직류 배터리 전류를 반복적으로 차단하여 맥동하는 교류를 생성하여 변압기에 전원을 공급하는 현대 반도체 스위칭 인버터의 기계식 버전으로 작동했다. 그런 다음 진동기에 있는 두 번째 정류기 접점 세트가 변압기 2차측에서 나오는 고전압 교류를 직류로 정류했다.

전동 발전기

전동 발전기 세트 또는 이와 유사한 로터리 컨버터는 실제로 전류를 정류하는 것이 아니라 교류 전원으로부터 직류를 생성하므로 엄밀히 말하면 정류기가 아니다. "M-G 세트"에서 교류 전동기의 샤프트는 직류 발전기의 샤프트와 기계적으로 연결되어 있다. 직류 발전기는 전기자 권선에 다상 교류 전류를 생성하며, 전기자 샤프트의 정류자가 이를 직류 출력으로 변환하거나, 단극 발전기가 정류자 없이 직류 전류를 생성한다. M-G 세트는 철도 견인 전동기, 산업용 전동기 및 기타 고전류 응용 분야에 직류를 생성하는 데 유용하며, 고전력 반도체가 널리 보급되기 전에는 많은 고전력 직류 응용 분야(예: 야외 극장용 탄소 아크 램프 프로젝터)에서 흔히 사용되었다.

전해식

전해식 정류기^[16]는 20세기 초의 장치로 더 이상 사용되지 않는다. 직접 만든 버전은 1913년 서적 "The Boy Mechanic"^[17]에 실려 있지만, 낮은 항복 전압과 감전 위험 때문에 매우 낮은 전압에서만 사용할 수 있다. 이 종류의 더 복잡한 장치는 1928년 G. W. Carpenter에 의해 특허를 받았다(미국 특허 1671970).^[18]

두 개의 다른 금속이 전해액 용액에 매달려 있을 때, 한 방향으로 흐르는 직류는 다른 방향보다 더 적은 저항을 경험한다. 전해 정류기는 가장 일반적으로 삼암모늄 오르토포스페이트 용액에 매달린 알루미늄 애노드와 납 또는 강철 캐소드를 사용했다.

정류 작용은 알루미늄 전극에 형성된 얇은 수산화 알루미늄 코팅 때문인데, 이 코팅은 먼저 셀에 강한 전류를 가하여 형성된다. 정류 과정은 온도에 민감하며, 최상의 효율을 위해서는 30°C(86°F) 이상에서 작동하지 않아야 한다. 또한 코팅이 뚫리고 셀이 단락되는 항복 전압이 있다. 전기화학적 방법은 기계적 방법보다 종종 더 취약하며, 사용 변화에 민감하여 정류 과정을 급격히 변경하거나 완전히 방해할 수 있다.

비슷한 전해 장치들은 같은 시대에 많은 알루미늄 콘을 삼암모늄 오르토포스페이트 용액 탱크에 매달아 피뢰기로 사용되었다. 위 정류기와 달리 알루미늄 전극만 사용되었고 교류에 사용되었으므로 분극이 없었고 따라서 정류 작용도 없었지만, 화학적 구성은 비슷했다.^[19]

대부분의 정류기 회로 구성에 필수적인 부품인 현대 전해 축전기 역시 전해 정류기에서 개발되었다.

플라즈마 유형

20세기 초 진공관 기술의 발전으로 다양한 튜브형 정류기가 발명되었고, 이는 시끄럽고 비효율적인 기계식 정류기를 상당 부분 대체했다.

수은 아크 정류기

초기 3상전력 산업용 수은 증기 정류관

매니토바 하이드로 발전소 라디슨에 설치된 150 kV 수은 정류기, 캐나다에서 수력으로 생산된 교류를 장거리 도시 송전을 위한 직류로 변환하는 데 사용되었다.

초고압직류송전 시스템과 1909년부터 1975년경까지 산업 공정에서 사용된 정류기는 수은 아크 정류기 또는 수은 아크 밸브이다. 이 장치는 구근형 유리 용기 또는 큰 금속 통에 담겨 있다. 하나의 전극인 캐소드는 용기 바닥의 액체 수은 풀에 잠겨 있으며, 하나 이상의 고순도 흑연 전극인 애노드는 풀 위에 매달려 있다. 아크를 시작하고 유지하는 데 도움이 되는 여러 보조 전극이 있을 수 있다. 캐소드 풀과 매달린 애노드 사이에 전기 아크가 형성되면, 이온화된 수은을 통해 캐소드에서 애노드로 전자의 흐름이 발생하지만, 그 반대 방향으로는 흐르지 않는다(원칙적으로 이는 불꽃에서 자연적으로 존재하는 플라즈마의 동일한 단방향 전류 전송 특성을 사용하는 화염 정류의 고전력 버전이다).

이 장치들은 수백 킬로와트의 전력 수준에서 사용될 수 있으며, 1상에서 6상의 교류 전류를 처리하도록 제작될 수 있다. 수은 아크 정류기는 1970년대 중반에 실리콘 반도체 정류기와 고전력 사이리스터 회로로 대체되었다. 지금까지 제작된 가장 강력한 수은 아크 정류기는 매니토바 하이드로 넬슨 강 바이폴 HVDC 프로젝트에 설치되었으며, 총 1 GW 이상의 정격과 450 kV의 전압을 가졌다.^[20]^[21]

아르곤 가스 전자관

제너럴 일렉트릭 퉁가르 정류기는 수은(예: 5B24) 증기 또는 아르곤 (예: 328) 가스 충전 전자관 장치로, 텅스텐 필라멘트 캐소드와 탄소 버튼 애노드를 가졌다. 이는 열전자 진공관 다이오드와 유사하게 작동했지만, 튜브 내의 가스가 순방향 도통 시 이온화되어 훨씬 낮은 순방향 전압 강하를 제공하여 낮은 전압을 정류할 수 있었다. 1920년대부터 금속 정류기, 그리고 나중에는 반도체 다이오드와 같은 저비용 장치가 이를 대체하기 전까지 충전기 및 유사한 응용 분야에 사용되었다. 이들은 수백 볼트 및 몇 암페어 정격으로 제조되었으며, 일부 크기에서는 추가 전극을 가진 백열등과 매우 흡사했다.

0Z4는 1940년대와 1950년대 진공관 자동차 라디오에서 흔히 사용되던 방전관 정류관이었다. 이 관은 두 개의 애노드와 하나의 캐소드를 가진 일반적인 전파 정류관이었지만, 필라멘트가 없었다는 점에서 독특했다(그래서 타입 번호에 "0"이 붙었다). 전극은 역항복 전압이 순방향 항복 전압보다 훨씬 높도록 형성되었다. 항복 전압을 초과하면 0Z4는 약 24V의 순방향 전압 강하를 가진 저저항 상태로 전환되었다.

다이오드 진공관 (밸브)

열전자 진공관 다이오드는 원래 플레밍 밸브라고 불렸으며, 존 앰브로즈 플레밍이 1904년 라디오 수신기의 전파 검파기로 발명했으며, 일반적인 정류기로 발전했다. 이 다이오드는 배기된 유리 전구와 별도의 전류로 가열되는 필라멘트 및 금속판 애노드로 구성되었다. 필라멘트는 토머스 에디슨이 1884년에 발견한 열전자 방출 (에디슨 효과)에 의해 전자를 방출했으며, 플레이트의 양전압은 필라멘트에서 플레이트로 튜브를 통해 전자 전류를 발생시켰다. 필라멘트만 전자를 생성했기 때문에 튜브는 한 방향으로만 전류를 전달하여 튜브가 교류를 정류할 수 있게 했다.

열전자 다이오드 정류기는 축음기, 라디오, 텔레비전과 같은 진공관 소비자 전자 제품의 전원 공급 장치에서 널리 사용되었으며, 예를 들어 All American Five 라디오 수신기는 다른 진공관에 필요한 높은 직류 플레이트 전압을 제공했다. 두 개의 별도 플레이트를 가진 "전파" 버전은 중간 탭 변압기와 함께 사용하여 전파 정류기를 만들 수 있었기 때문에 인기가 있었다. 진공관 정류기는 텔레비전 수신기의 브라운관용 고전압 전원 공급 장치와 엑스선 장비의 전원 공급 장치에 사용되는 케노트론과 같이 매우 높은 전압용으로 제작되었다. 그러나 현대 반도체 다이오드와 비교할 때 진공관 정류기는 공간 전하로 인해 높은 내부 저항과 높은 전압 강하를 가지므로 높은 전력 소모와 낮은 효율을 발생시킨다. 플레이트 전력 소모의 한계로 인해 250 mA를 초과하는 전류를 처리하는 경우는 드물고, 충전기와 같은 저전압 애플리케이션에는 사용할 수 없다. 진공관 정류기의 또 다른 한계는 히터 전원 공급 장치가 종종 정류기 회로의 고전압으로부터 절연하기 위한 특별한 조치가 필요하다는 것이다.

반도체

광석 검파기

광석 검파기는 가장 초기의 반도체 다이오드 유형으로, 일부 초기 라디오 수신기에서 검파기로 사용되었으며, 광석 라디오라고 불리기도 했다. 이는 라디오 반송파를 정류하고 이어폰에서 소리를 생성하는 변조를 추출하는 역할을 했다. 자가디시 찬드라 보스와 그린리프 휘티어 피카드가 1902년경에 발명했으며, 코히러와 같은 이전 검파기보다 상당한 개선을 이루었다. 흔히 고양이 수염 검파기라고 불리는 인기 있는 유형의 광석 검파기는 일반적으로 방연석 (황화납)과 같은 반도체 광물 결정에 가벼운 스프링 와이어가 표면에 닿아 있는 것으로 구성되었다. 그 취약성과 제한된 전류 용량 때문에 전원 공급 장치 응용 분야에는 적합하지 않았다. 1920년대 진공관으로 대체될 때까지 라디오에서 널리 사용되었다. 1930년대에는 연구원들이 광석 검파기를 소형화하고 개선하여 마이크로파 주파수에서 사용하도록 개발했으며, 최초의 반도체 다이오드를 개발했다.

셀레늄 및 산화구리 정류기

1970년대에 더 소형이고 저렴한 실리콘 반도체 정류기로 대체되기 전까지 흔히 사용되었던 이 장치들은 산화물 코팅된 금속판 스택을 사용하여 셀레늄 또는 산화구리의 반도체 특성을 활용했다.^[22] 셀레늄 정류기는 동등한 진공관 정류기보다 가볍고 전력 소모가 적었지만, 수명이 유한하고 시간이 지남에 따라 저항이 증가하며 저주파에서만 사용하기에 적합하다는 단점이 있었다. 셀레늄 및 산화구리 정류기 모두 실리콘 정류기보다 순간적인 전압 과도 현상에 대해 다소 더 나은 내성을 가지고 있다.

일반적으로 이 정류기들은 금속판이나 와셔를 중앙 볼트로 함께 고정시킨 스택으로 구성되었으며, 스택의 수는 전압에 따라 결정되었다. 각 셀은 약 20V로 정격되었다. 자동차 충전기 정류기는 단 하나의 셀을 가질 수 있었다. 진공관용 고전압 전원 공급 장치는 수십 개의 쌓인 판을 가질 수 있었다. 공랭식 셀레늄 스택의 전류 밀도는 활성 면적 제곱인치당 약 600mA(제곱센티미터당 약 90mA)였다.

규소 및 게르마늄 다이오드

규소 다이오드는 낮은 전압과 전력에 가장 널리 사용되는 정류기이며, 다른 정류기들을 거의 대체했다. 실리콘 다이오드에 비해 훨씬 낮은 순방향 전압(0.7V 대 0.3V) 덕분에 게르마늄 다이오드는 저전압 회로에서 실리콘 다이오드보다 본질적인 이점을 가진다.

고전력: 사이리스터(SCR) 및 최신 실리콘 기반 전압원 변환기

1975년부터 2000년까지 고전력 응용 분야에서는 대부분의 수은 밸브 아크 정류기가 초고전력 사이리스터 스택으로 대체되었다. 사이리스터는 단순한 다이오드에 비해 두 개의 추가 반도체층을 가진 실리콘 소자이다.

중전력 전송 애플리케이션에서는 절연 게이트 양극성 트랜지스터 (IGBT) 및 게이트 턴 오프 사이리스터 (GTO)와 같은 더욱 복잡하고 정교한 전압원 변환기 (VSC) 실리콘 반도체 소자 시스템이 더 작고 경제적인 고전압 직류 전력 전송 시스템을 가능하게 했다. 이 모든 장치들은 정류기 역할을 한다.

2009년 기준^[update] 이러한 고전력 실리콘 "자체 전환 스위치", 특히 IGBT와 GTO와 관련된 변형 사이리스터인 통합 게이트 정류 사이리스터 (IGCT)가 최고 전력 전송 직류 애플리케이션을 위한 단순한 사이리스터 기반 교류 정류 시스템을 결국 대체할 정도로 전력 정격이 확장될 것으로 예상되었다.^[23]

능동 정류기

능동 정류는 다이오드를 트랜지스터(일반적으로 전력 MOSFET 또는 전력 BJT)와 같은 능동적으로 제어되는 개폐기로 대체하여 정류 효율을 향상시키는 기술이다.^[24] 일반적인 반도체 다이오드는 약 0.5~1볼트의 거의 고정된 전압 강하를 가지지만, 능동 정류기는 저항처럼 동작하며 임의로 낮은 전압 강하를 가질 수 있다.

역사적으로는 진동기로 구동되는 개폐기나 전동기로 구동되는 정류자도 기계적 정류기와 동기 정류에 사용되었다.^[25]

능동 정류는 다양한 응용 분야를 가지고 있다. 이는 부분 음영으로 인한 과열을 피하고 최소한의 전력 손실을 제공하기 위해 태양광 패널 어레이에서 역전류 흐름을 방지하는 데 자주 사용된다.

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현재 연구

주요 연구 분야는 테라헤르츠 및 빛 주파수까지 정류할 수 있는 더 높은 주파수 정류기를 개발하는 것이다. 이 장치들은 광섬유 통신 및 원자 시계에 무수히 많은 응용 분야를 가진 광학 헤테로다인 검파에 사용된다. 이러한 장치의 또 다른 유망한 응용 분야는 작은 안테나(난테나라고 불림)에서 수신된 광파를 직접 정류하여 직류 전력을 생산하는 것이다.^[26] 안테나 어레이가 태양 전지보다 더 효율적인 태양 에너지 발전 수단이 될 수 있다고 생각된다.

관련 연구 분야는 더 작은 정류기를 개발하는 것이다. 왜냐하면 더 작은 장치는 더 높은 차단 주파수를 가지기 때문이다. 연구 프로젝트들은 단일 분자 정류기를 개발하려고 시도하고 있는데, 이는 정류기 역할을 하는 단일 유기 분자이다.

같이 보기

각주

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외부 링크

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