[기초전자회로실험] 4. 반파 정류 회로

[기초전자회로실험] 4. 반파 정류 회로

1. 실험목적

반파 정류 회로의 출력 직류전압을 계산하고, 측정한다.

2. 실험이론

반파 정류 시스템의 주된 기능은 평균이 0인 정현파 입력 신호로부터 직류 값을 얻는 것이다. 하나의 다이오드를 사용한 회로(아래그림 참고)

에서 얻어진 반파 전압 신호는 다음과 같고,

피크 전압 \(V_{m}\)의 \(\displaystyle31.8%\left(=\frac{1}{\pi}\right)\)인 등가 직류 전압값을 얻는다. 즉 \(V_{DC}=0.318V_{\text{peak}}\)

입력 정현파 신호가 큰 경우(\(V_{m}\gg V_{k}\)), 다이오드의 순방향 무릎전압 \(V_{k}\)를 무시할 수 있으나, \(V_{m}<V_{k}\)이면, \(V_{k}\)는 직류값에 영향을 준다.

정류회로에서 PIV(최대 역방향 전압으로 다이오드가 제너영역에 들어서기 전에 견딜 수 있는 최대 역방향 바이어스 전압)를 고려해야 한다. 반파 정류 회로에는 1개의 다이오드만 사용되므로 다이오드의 최대 역방향 전압은 인가된 정현파 신호의 피크값 \(V_{m}\)과 같다.

3. 실험

1) 사용장비 및 부품

오실로스코프, DMM, \(2.2\text{k}\Omega,\,3.3\text{k}\Omega\)저항, 실리콘 다이오드, 함수발생기

2) 실험

무릎전압

실험에 필요한 실리콘 다이오드를 DMM의 다이오드 검사기능 또는 커브 트레이서를 이용하여 무릎전압 \(V_{k}\)를 측정한다.

반파 정류 회로

I

(1) 무릎전압을 측정한 다이오드로 다음 그림대로 회로를 구성하고, 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)을 DMM으로 측정하고 기록한다. 오실로스코프를 이용하여 함수발생기의 정현파 전압을 \(1\text{kHz}\), \(8\text{V}_{p-p}\)가 되도록 설정한다.

(2) 다음 그림은 위 회로의 정현파 입력 \(e\)를 나타낸 것이다.

선택된 수직과 수평감도를 결정하고, 수평축이 \(0\text{V}\)선임에 유의한다.

(3) 측정된 무릎전압 \(V_{k}\)를 이용하여 이 회로의 이론적인 출력전압 \(v_{o}\)를 결정하고, 실험 (2)에 적용된 동일한 감도를 이용하여 완전한 한 주기 동안의 파형을 그리고, 출력파형에 최대, 최소값을 표시한다.

(4) \(v_{o}\)를 측정하기 전에 AC-GND-DC 결합 스위치를 GND 위치로 하여 화면의 수평 중심선이 \(v_{o}=0\text{V}\)임을 확인한다. 그 다음으로 결합 스위치를 DC 위치에 놓고 오실로스코프를 이용하여 출력전압 \(v_{o}\)의 파형을 그리는데 이때 실험 (2)와 동일한 감도를 사용한다.

(5) 식 \(V_{DC}=0.318V_{\text{peak}}\)을 이용하여 반파 정류 신호인 실험 (4)의 출력전압의 직류값을 계산한다.

(6) DMM의 DC스케일을 이용하여 \(v_{o}\)의 직류값(\(V_{DC(\text{meas})}\))을 측정한 다음, 실험 (5)에서 얻은 직류값(\(V_{DC(\text{calc})}\))과의 오차율을 다음 식을 이용하여 구한다.$$\text{Error(%)}=\left|\frac{V_{DC(\text{calc})}-V_{DC(\text{meas})}}{V_{DC(\text{calc})}}\right|\times100\text{%}$$

(7) AC-GND-DC 결합 스위치를 AC위치로 전환하고, 이때 \(v_{o}\)에 어떠한 영향을 미치는지를 기록한다.

(8) 회로에서 다이오드의 방향을 반대로 연결하고, 결합스위치의 GND위치를 사용하여 \(v_{o}=0\text{V}\)를 수평선으로 설정한다. 그 다음으로 결합 스위치를 DC위치에 놓고, 오실로스코프를 사용하여 얻어진 출력파형을 그린다. 실험 2의 수직 감도를 이용하여 최대, 최소 전압을 결정하고 파형에 표시한다.

(9) 실험 (8)의 파형에서 직류값을 계산하고 측정한다. 이때 식 \(V_{DC}=0.318V_{\text{peak}}\)와 회로도를 연관지어서 계산으로 얻은 직류값과, 측정으로 얻은 측정값의 부호를 결정한다.

II

(1) 아래 그림대로 회로를 구성하고, 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)를 DMM으로 측정해 기록한다.

(2) 측정된 무릎전압을 이용하여 이 회로의 이론적인 출력파형 \(v_{o}\)을 결정하고, I의 실험 (2)와 동일한 감도를 사용하여 다음 그림에 완전한 한 주기 파형을 그리고, 출력파형에 최대, 최소값을 표기한다.

(3) 오실로스코프의 결합 스위치를 DC에 놓고 출력파형을 관찰해서 그 파형을 그린다. 출력파형을 보기 전에 결합 스위치를 GND 위치에 놓고, 수평선이 \(v_{o}=0\text{V}\)임을 확인하는데 실험 (2)의 동일한 감도를 사용한다. 또한 실험 (2)와 (3)을 비교한다.

(4) 실험 (3)에서 얻은 파형과 I의 실험 (8)에서 얻은 파형 사이의 차이와 그 차이가 발생했는가를 기록한다.

(5) 실험 (3)에서 얻은 파형의 직류값은 다음과 같이 주어진다.$$V_{DC}=\frac{\text{Total Area}}{2\pi}=\frac{2V_{m}-V_{k}\pi}{2\pi}=0.318V_{m}-\frac{V_{k}}{2}$$이 식을 이용하여 파형의 직류값을 구한다.

(6) DMM으로 출력파형의 직류전압을 측정하고, I의 실험 (6)과 동일한 식을 이용하여 %편차를 계산한다.

III

(1) 다음의 그림과 같이 회로를 구성하고, 두 저항값 \(R_{1}=R_{1\text{meas}},\,R_{2}=R_{2\text{meas}}\)을 DMM으로 측정하고 기록한다.

(2) 측정된 무릎전압값과 측정한 저항값을 이용하여 다음 그림에 출력파형 \(v_{o}\)을 이론적으로 나타내고, I의 실험 (2)와 동일한 감도를 사용하고, 출력 파형에 최대, 최소값을 표시한다. 이때 실험 (1)과 출력파형을 비교한다.

(3) 다이오드의 방향을 반대로 해서 오실로스코프로 얻은 결과적인 출력차형을 나타내고 실험 (2)의 출력파형과 비교한다.

(Pspice를 이용한 반파 정류 회로 해석)

다음은 Pspice를 이용하여 D1N4002다이오드를 사용한 반파 정류 회로의 출력 파형을 나타낸 것이다.

(측정 전)

(측정 후)

(출력 파형)

D1N4002다이오드도 실리콘 다이오드와 비슷하므로 출력 파형의 최대값은 대략 \(V_{m}-V_{k}=4.0\text{V}-0.7\text{V}=3.3\text{V}\)이다.

참고자료:

Laboratory Manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Monssen, Pearson

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson

http://ee208.cankaya.edu.tr/uploads/files/lab4.pdf

http://akademik.bahcesehir.edu.tr/eee2116/documents/expWeek3NEW.pdf