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