정류: 교류의 방향을 바꿔도 일정한 극성으로 전력을 보내는 법
정류는 전압이나 전류의 방향이 바뀌는 입력을 일정한 극성의 출력으로 바꾸는 과정이다. 다이오드의 비대칭 전도 특성을 사용하면 교류의 특정 구간만 통과시키거나 음의 반주기를 뒤집어 부하에 공급할 수 있다. 다만 정류한 파형은 여전히 시간에 따라 변한다. 일정한 극성과 일정한 크기의 직류 전압은 서로 다른 조건이다.
반파와 전파가 만드는 반복 주기
반파 정류기는 보통 다이오드 하나로 한쪽 반주기를 전달한다. 나머지 반주기에는 부하로 공급되는 전류가 끊기므로 출력 맥동의 반복 주파수는 입력 주파수와 같다. 전파 정류기는 양쪽 반주기를 모두 이용하며 맥동 주파수가 입력의 두 배가 된다. 60 Hz 입력이라면 전파 출력의 주된 반복 주기는 120 Hz, 약 8.33 ms다.
브리지 정류기는 다이오드 네 개를 배치하고 반주기마다 서로 다른 두 개가 전도하도록 한다. 입력 두 단자의 상대 극성이 바뀌어도 부하의 지정된 양극에서 음극으로 관습적인 전류가 흐른다. 따라서 전도 경로에는 보통 두 다이오드의 순방향 강하가 포함된다. Analog Devices의 정류 실습은 반파·전파·브리지의 경로를 비교한다.
실효값과 최고값을 구분한다
정현파 v(t) = V_p sin(2πft)의 실효값은 V_rms = V_p/√2다. 12 V rms의 저전압 교류 입력이라면 최고값은 약 16.97 V다. 각 다이오드의 강하를 0.7 V로 근사하면 브리지의 출력 최고값은 약 15.57 V다. 부하와 전원 임피던스가 있으면 이 값도 달라진다. 입력의 12 V rms를 그대로 커패시터가 유지하는 출력 전압이라고 보아서는 안 된다.
커패시터가 없는 이상적인 전파 파형의 평균값은 2V_p/π다. 반면 출력 커패시터가 있으면 최고점 근처에서 충전되고 다음 최고점까지 부하에 전하를 공급한다. 이때 평균 출력은 최고값보다 약간 낮아지며, 한 주기 안에서 내려갔다 다시 올라오는 리플이 남는다. 평균값, rms값, 최고값, 리플의 최대·최소 차이는 각기 다른 측정량이다.
리플을 전하의 변화로 계산한다
부하 전류 I_L이 거의 일정하고 충전 시간이 짧으며 리플이 작다면 ΔV_pp ≈ I_L/(f_r C)로 근사할 수 있다. f_r은 정류 후의 리플 주파수, C는 F 단위의 출력 용량이다. 60 Hz 전파 정류에서 100 mA 부하와 1000 μF를 사용하면 0.1/(120 × 0.001) ≈ 0.83 V다. 반파라면 같은 가정에서 약 1.67 V가 되어 차이가 분명해진다.
용량을 키우면 리플이 줄지만 충전 순간의 전류가 높고 좁은 펄스로 몰릴 수 있다. 다이오드의 평균 전류만 확인해서는 충분하지 않다. 돌입 전류, 반복 피크 전류, 역전압과 커패시터의 리플 전류 정격도 중요하다. 전원 내부 저항과 부하가 달라지면 간단한 리플식의 오차가 커지므로 실제 파형을 확인해야 한다.
평활된 출력의 리플 크기와 다이오드 전류의 리플은 같은 파형이 아니다. 출력 전압이 거의 일정해도 충전 전류는 짧은 구간에 집중될 수 있다. 그래서 입력 측 rms 전류와 부하의 평균 직류 전류를 같다고 가정하면 전원과 배선의 손실을 과소평가할 수 있다. 또한 정류기가 만드는 전압의 기준은 두 출력 단자 사이이며, 교류 입력의 한 단자를 임의로 같은 기준으로 묶으면 의도한 브리지 경로가 달라진다.
낮은 전압에서는 두 다이오드의 강하가 전달 가능한 전력을 크게 줄일 수 있다. MOSFET을 제어해 전도 손실을 낮추는 능동 브리지도 있으며, LT4320 자료는 이런 구현을 보여 준다. 정류는 전원의 극성을 만드는 단계이고 평활과 전압 조정은 별도의 역할이다. 원하는 전압 범위와 부하 변화까지 고려해야 정류기의 출력이 실제 회로에 적합한지 판단할 수 있다.