7. 전파정류, 클리퍼
1. 브리지 회로
(1) 이상적인 다이오드의 경우
(i) 0<t<T2일 때, vi>0이고 D2, D3은 ON, D1, D4는 OFF.
(ii) T2<t<T일 때, vi<0이고 D1, D4는 ON, D2, D3은 OFF.
전파 브리지 회로의 평균값은 Vdc=2Vmπ=0.636Vm으로 반파정류의 평균값의 2배이다.
(2) 실리콘 다이오드의 경우
vo=vi−2VK이고 Vomax이므로 \displaystyle V_{\text{dc}}=\frac{2(V_{m}-V_{K})}{\pi}이다.
전파 브리지 회로의 다이오드 PIV: +반주기 동안 v_{o}의 최댓값은 V_{m}이므로 V_{m}은 D_{1}, D_{4}의 PIV이다.
마찬가지로 -반주기 동안 D_{2}, D_{3}의 PIV는 V_{m}이다.
2. 중심탭 변압기
위의 오른쪽 회로와 같이 2개의 다이오드와 변압기의 2차 측을 두 부분으로 나누어 각각에 입력신호가 걸리게 하는 전파 정류기를 중심탭 변압기라고 한다.
(1) 이상적인 다이오드의 경우
(i) +반주기\displaystyle\left(0<t<\frac{T}{2}\right)에서 D_{1}은 ON, D_{2}는 OFF이고, v_{o}=v_{i}.
(ii) -반주기\displaystyle\left(\frac{T}{2}<t<T\right)에서 D_{1}은 OFF, D_{2}는 ON이고, v_{o}=-v_{i}.
(iii) 반주기 동안 D_{2}의 PIV는 V_{m}+V_{R_{\max}}=V_{m}+V_{m}=2V_{m}이고 브릿지 회로의 2배이다.
위 회로의 출력파형과 V_{\text{dc}}, PIV를 구하면
(i) \displaystyle0<t<\frac{T}{2}일 때, v_{i}>0이므로 D_{1}은 OFF, D_{2}는 ON이고, \displaystyle v_{o}=v_{R_{1}}=\frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}}v_{i}=\frac{1}{2}v_{i}.
(ii) \displaystyle\frac{T}{2}<t<T일 때, v_{i}<0이므로 D_{1}은 ON, D_{2}는 OFF이고, \displaystyle v_{o}=\frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}}v_{i}=\frac{1}{2}v_{i}.
V_{o_{\max}}=5\text{V}이므로 \displaystyle V_{\text{dc}}=\frac{2V_{o_{\max}}}{\pi}=3.18\text{V} PIV는 \displaystyle5\text{V}이다.
입력신호의 특정 부분을 제거하는(나머지 파형 부분은 유지) 회로를 클리퍼라고 한다. 클리퍼 회로에는 다이오드와 직렬로 부가적인 직류전원이 연결될 수 있다.
다이오드가 부하(출력)와 직렬로 연결된 구조를 직렬 클리퍼라고 한다.
다이오드의 ON, OFF를 정하는 입력전압 결정이 중요하다. 이상적인 다이오드에서 v_{d}=0, i_{d}=0이 되는 입력전압을 결정하는데 이때의 입력전압을 전이전압이라고 한다.
다이오드가 ON, OFF일 때를 구분하여 해석한다. v_{i}>V이면, 다이오드는 ON이고, v_{i}<V이면, 다이오드는 OFF이므로 v_{i}=V가 전이전압이다.
클리퍼 해석순서:
1. KVL(키르히호프 전압법칙) 적용.
2. 다이오드가 ON이 될 조건(v_{d}>V_{K}, 이상적인 다이오드의 경우는 v_{d}>0)을 결정하는데 이때 i_{d}=0이라고 한다.
3. ON일 때의 v_{o}계산.
4. OFF일 때의 v_{o}계산.
위 회로에 적용하면
1. KVL 적용: v_{i}=V+v_{d}+v_{R}
2. ON조건: v_{d}=v_{i}-V-v_{R}=v_{i}-V>0(i_{d}=0이므로 v_{R}=i_{d}R=0)
3. ON일 때의 출력전압: v_{i}=V+v_{d}+v_{R}이므로 v_{o}=v_{i}-V(v_{d}=0, v_{R}=v_{o})
4. OFF일 때의 출력전압: v_{o}=0
위의 클리퍼 회로를 해석하면
KVL: v_{d}=-V+v_{d}+v_{o}
ON조건: v_{d}=v_{i}+V-v_{o}=v_{i}+V>0 (v_{o}=v_{R}=i_{d}R=0)
ON일 때의 출력전압: v_{o}=v_{i}+5\text{V}
OFF일 때의 출력전압: v_{o}=0\text{V}
전이전압은 v_{i}=-5\text{V}이고 v_{i}>-5\text{V}일 때, ON이고 v_{o}=v_{i}+5\text{V}, v_{o}<-5\text{V}일 때, OFF이고 v_{o}=0\text{V}.
(위의 회로에서 입력신호가 구형파일 때의 출력)
부하(출력)에 병렬로 다이오드가 연결된 구조를 병렬 클리퍼라고 한다.
위의 병렬 클리퍼 회로를 해석하면
1. KVL: v_{i}=v_{R}-v_{d}+V
2. ON조건: v_{d}=v_{R}+V-v_{i}=V-v_{i}>0\,(i_{d}=0,\,v_{R}=0)이므로 v_{i}<4\text{V}
3. ON일 때의 출력전압: v_{o}=-v_{d}-4=4\text{V}
4. OFF일 때의 출력전압: v_{o}=v_{i}
(위의 병렬 클리퍼 회로의 입출력파형)
위의 병렬 클리퍼 회로를 해석하면
1. KVL: D_{1}:\,v_{i}=v_{R}+v_{D_{1}}+V_{1}, D_{2}:\,v_{i}=v_{R}-v_{D_{2}}+V_{2}
2. ON조건:
D_{1}: v_{D_{1}}=v_{i}-v_{R}-V_{1}=v_{i}-V_{1}>0이므로 v_{i}>V_{1}
D_{2}: v_{D_{2}}=v_{R}-v_{i}-V_{2}=-v_{i}-V_{2}>0이므로 v_{i}<-V_{2}
3. ON일 때의 출력전압: D_{1}:\,v_{o}=v_{D_{1}}+V_{1}=V_{1}, D_{2}:\,v_{o}=-v_{D_{2}}-V_{2}=-V_{2}
4. OFF일 때의 출력전압: D_{1}:\,v_{o}=v_{i}, D_{2}:\,v_{o}=v_{i}
* 두 다이오드가 모두 ON이 되는 경우는 없다(KVL에 위배되기 때문).
참고자료:
Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson
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