7. 전파정류, 클리퍼

7. 전파정류, 클리퍼

1. 브리지 회로

(1) 이상적인 다이오드의 경우

 (i) \(\displaystyle0<t<\frac{T}{2}\)일 때, \(v_{i}>0\)이고 \(D_{2}\), \(D_{3}\)은 ON, \(D_{1}\), \(D_{4}\)는 OFF.

(ii) \(\displaystyle\frac{T}{2}<t<T\)일 때, \(v_{i}<0\)이고 \(D_{1}\), \(D_{4}\)는 ON, \(D_{2}\), \(D_{3}\)은 OFF.

전파 브리지 회로의 평균값은 \(\displaystyle V_{\text{dc}}=\frac{2V_{m}}{\pi}=0.636V_{m}\)으로 반파정류의 평균값의 2배이다.

(2) 실리콘 다이오드의 경우

\(v_{o}=v_{i}-2V_{K}\)이고 \(V_{o_{\max}}=V_{m}-2V_{K}\)이므로 \(\displaystyle V_{\text{dc}}=\frac{2(V_{m}-V_{K})}{\pi}\)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, \(v_{i}>0\)이므로 \(D_{1}\)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) \(\displaystyle\frac{T}{2}<t<T\)일 때, \(v_{i}<0\)이므로 \(D_{1}\)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 \(v_{d}=0\), \(i_{d}=0\)이 되는 입력전압을 결정하는데 이때의 입력전압을 전이전압이라고 한다. 

다이오드가 ON, OFF일 때를 구분하여 해석한다. \(v_{i}>V\)이면, 다이오드는 ON이고, \(v_{i}<V\)이면, 다이오드는 OFF이므로 \(v_{i}=V\)가 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 \(i_{d}=0\)이라고 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: \(v_{d}=v_{i}-V-v_{R}=v_{i}-V>0\)(\(i_{d}=0\)이므로 \(v_{R}=i_{d}R=0\))

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:

\(D_{1}\): \(v_{D_{1}}=v_{i}-v_{R}-V_{1}=v_{i}-V_{1}>0\)이므로 \(v_{i}>V_{1}\)

\(D_{2}\): \(v_{D_{2}}=v_{R}-v_{i}-V_{2}=-v_{i}-V_{2}>0\)이므로 \(v_{i}<-V_{2}\)

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