정류기

정류기는 주기적으로 방향을 반전시키는 교류(AC)를 한 방향으로만 흐르는 직류(DC)로 변환하는 전기 장치입니다. 역방향 동작(DC를 AC로 변환)은 인버터에 의해 수행됩니다.

이 프로세스는 전류 방향을 "직선"으로 만들기 때문에 정류라고 알려져 있습니다. 물리적으로 정류기는 진공관 다이오드, 습식 화학 전지, 수은 아크 밸브, 구리 및 셀레늄 산화판 스택, 반도체 다이오드, 실리콘 제어 정류기 및 기타 실리콘 기반 반도체 스위치를 포함한 여러 가지 형태를 취합니다. 역사적으로 동기식 전기 기계 스위치와 모터-제너레이터 세트까지 사용되어 왔습니다. 크리스털 라디오라고 불리는 초기의 라디오 수신기들은 점접촉 정류기 또는 "크리스털 검출기"의 역할을 하기 위해 갈레나(황화납)의 크리스털을 누르는 "고양이 수염"을 사용했습니다.

정류기는 많은 용도가 있지만 DC 전원 공급 장치 및 고전압 직류 전력 전송 시스템의 구성 요소로 사용되는 경우가 많습니다. 정류는 전원으로 사용하기 위한 직류를 생성하는 것 이외의 역할을 할 수도 있습니다. 언급된 바와 같이, 정류기는 무선 신호의 검출기 역할을 할 수 있습니다. 가스 난방 시스템에서는 불꽃 정류를 사용하여 불꽃의 존재를 감지합니다.

교류 전원의 유형 및 정류 회로의 배치에 따라 출력 전압이 균일한 정상 전압을 생성하기 위해 추가적인 평활이 필요할 수 있습니다. 라디오, 텔레비전 및 컴퓨터 장비를 위한 전원 공급 장치와 같은 정류기의 많은 응용 분야는 일정한 DC 전압(배터리에서 생성되는 것과 같이)을 필요로 합니다. 이러한 애플리케이션에서 정류기의 출력은 커패시터, 초크 또는 커패시터, 초크 및 저항기 세트일 수 있는 전자 필터에 의해 평활되며, 그 다음에는 전압 조절기가 정상 전압을 생성할 수 있습니다.

DC를 AC로 변환하는 것과 반대의 기능을 수행하는 더 복잡한 회로를 인버터라고 합니다.

정류장치

실리콘 반도체 정류기를 개발하기 전에는 진공관 열이온 다이오드와 산화구리 또는 셀레늄계 금속 정류기 스택이 사용되었습니다.^[1] 전력 공급 회로에서 정류기 적용을 위해 설계된 최초의 진공관 다이오드는 1915년 4월 제너럴 일렉트릭의 Saul Dushman에 의해 소개되었습니다.^[2]^[3] 반도체 전자제품의 도입으로 진공관 오디오 장비의 일부 마니아들을 제외하고는 진공관 정류기는 더 이상 쓸모가 없게 되었습니다. 매우 낮은 전류에서 매우 높은 전류로의 전력 정류를 위해 다양한 종류의 반도체 다이오드(접합 다이오드, 쇼트키 다이오드 등)가 널리 사용되고 있습니다.

단순한 정류 이상의 정류가 필요한 경우, 예를 들어 가변 출력 전압이 필요한 경우, 단방향 전류 밸브의 역할뿐만 아니라 제어 전극이 있는 다른 장치가 사용됩니다. 고전압 직류 전력 전송에 사용되는 것과 같은 고출력 정류기는 다양한 형태의 실리콘 반도체 소자를 채용하고 있습니다. 이들 스위치는 사이리스터 또는 기타 제어된 스위칭 솔리드 스테이트 스위치로 한 방향으로만 전류를 통과시키는 다이오드 기능을 합니다.

정류 회로

정류 회로는 단상 또는 다상일 수 있습니다. 가정용 장비의 저전력 정류기는 대부분 단상이지만 3상 정류는 산업 응용과 DC(HVDC)로서의 에너지 전송에 매우 중요합니다.

단상 정류기

반파 정류

단상 공급기의 반파 정류에서는 AC 파형의 양극 또는 음극 절반이 통과되고 나머지 절반은 차단됩니다. 입력 파형의 절반만 출력에 도달하므로 평균 전압이 더 낮습니다. 반파 정류에는 단상 공급 장치에 단일 다이오드가 필요하거나 3상 공급 장치에 3개가 필요합니다. 정류기는 단방향이지만 맥동하는 직류를 생성합니다. 반파 정류기는 전파 정류기보다 훨씬 더 많은 리플을 생성하며 출력에서 AC 주파수의 고조파를 제거하려면 훨씬 더 많은 필터링이 필요합니다.

사인파 입력 전압에 대한 이상적인 반파 정류기의 무부하 출력 DC 전압은 다음과 같습니다.^[4]

{\begin{aligned}V_{\mathrm {rms} }&={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{2}}\\[8pt]V_{\mathrm {dc}}&={\frac {V_{\mathrm {peak}}}{\pi}}\end{aligned}

위치:

V_dc, V_av – 직류 또는 평균 출력 전압,

V_peak, 위상 입력 전압의 피크 값,

V_rms, 출력 전압의 RMS(Root Mean Square) 값입니다.

전파 정류

전파 정류기는 입력 파형 전체를 출력 시 일정한 극성(양극 또는 음극) 중 하나로 변환합니다. 수학적으로 이것은 절대값 함수에 해당합니다. 전파 정류는 입력 파형의 두 극성을 모두 맥동 DC(직류)로 변환하고 더 높은 평균 출력 전압을 생성합니다. 2개의 다이오드와 중앙 탭이 있는 변압기 또는 브리지 구성의 4개의 다이오드와 모든 AC 소스(중앙 탭이 없는 변압기 포함)가 필요합니다.^[5] 단일 반도체 다이오드, 공통 캐소드 또는 공통 애노드를 갖는 이중 다이오드 및 4-6-다이오드 브리지는 단일 부품으로 제조됩니다.

단상 교류의 경우 변압기가 중앙에 연결되어 있으면 두 개의 다이오드(양극 대 음극 또는 양극 대 양극, 필요한 출력 극성에 따라)가 전파 정류기를 형성할 수 있습니다. 브리지 정류기보다 동일한 출력 전압을 얻기 위해 변압기 보조에 두 배 더 많은 턴이 필요하지만 전력 등급은 변하지 않습니다.

이상적인 단상 전파 정류기의 평균 및 RMS 무부하 출력 전압은 다음과 같습니다.

{\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }&={\frac {2\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\\[8pt]V_{\mathrm {rms}}&={\frac {V_{\mathrm {peak}}}{\sqrt {2}}\end{aligned}}

매우 일반적인 이중 다이오드 정류기 진공관은 단일 엔벨로프 내부에 단일 공통 캐소드와 두 개의 애노드를 포함하여 양의 출력으로 전파 정류를 달성했습니다. 5U4와 80/5Y3(4핀)/(옥탈)은 이러한 구성의 일반적인 예였습니다.

삼상 정류기

단상 정류기는 일반적으로 가정용 장비의 전원 공급 장치에 사용됩니다. 그러나 대부분의 산업용 및 고출력 응용 분야에서는 3상 정류 회로가 일반적입니다. 단상 정류기와 마찬가지로 3상 정류기도 반파 회로, 중앙 탭 변압기를 사용하는 전파 회로 또는 전파 브리지 회로의 형태를 취할 수 있습니다.

사이리스터는 출력 전압을 조절할 수 있는 회로를 만들기 위해 다이오드 대신 일반적으로 사용됩니다. 직류를 제공하는 많은 장치가 실제로 3상 교류를 발생시킵니다. 예를 들어, 자동차 교류 발전기에는 배터리 충전을 위한 전파 정류기 역할을 하는 6개의 다이오드가 포함되어 있습니다.

삼상 반파 회로

제어되지 않는 3상 반파 중간 지점 회로에는 각 위상에 하나씩 연결된 3개의 다이오드가 필요합니다. 이는 가장 간단한 유형의 3상 정류기이지만 AC 및 DC 연결부 모두에서 상대적으로 높은 고조파 왜곡을 겪습니다. DC 측의 출력 전압에는 그리드 주파수 주기당 3개의 고유한 펄스가 포함되어 있으므로 이러한 유형의 정류기는 펄스 수가 3개라고 합니다.

이 3펄스 DC 전압의 $V_{\mathrm {peak} }$ 피크값 $V_{\mathrm {peak} }$ ${\$ 는 입력 위상 전압(라인에서 중립 전압, 북미의 경우 120V, 주 작동 시 유럽 내에서는 230V $V_{\mathrm {LN} }$ )의 RMS 값 $V_{\mathrm {LN} }$ ${\$ { $LN}}$ 에서 계산됩니다. $V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }$ $V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }$ = $V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }$ $⋅$ V LN {\ $displaystyle V_{\$ mathrm {p $V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }$ ak} = {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN}}}. 평균 무부하 출력 전압 $V_{\mathrm {av} }$ $V_{\mathrm {av}}$ 는 주기 지속 시간이 ${\frac {2}{3}}\pi$ π {\ $displaystyle {\frac {2}{$ 3}\pi}(30° ~ 150°)인 양의 반파 그래프 아래의 적분에서 비롯됩니다.

{\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }={}&V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {2}{3}}\pi }}\int _{30^{\circ }}^{150^{\circ }}V_{\mathrm {peak} }\sin \varphi \,\mathrm {d} \varphi ={\frac {3V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot \left(-\cos 150^{\circ }+\cos 30^{\circ }\right)\\[8pt]={}&{\frac {3V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {\sqrt {3}}{2}}\right)+{\frac {\sqrt {3}}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\\[8pt]\Longrightarrow {}&V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{2\pi }}\\[8pt]\긴 오른쪽 화살표 {}&V_{\mathrm {av} ={\frac {3{\sqrt {6}}\cdot V_{\mathrm {LN}}}{2\pi}}\approx 1.17V_{\mathrm {LN}}\end{aligned}

중앙탑재형 변압기를 이용한 3상 전파회로

중앙 탭이 있는 변압기를 통해 AC 전원을 공급하면 고조파 성능이 향상된 정류 회로를 얻을 수 있습니다. 이제 이 정류기에는 6개의 다이오드가 필요하며, 각 변압기 2차 권선의 각 끝에 하나씩 연결됩니다. 이 회로는 펄스 수가 6개이며, 사실상 6상 반파 회로로 생각할 수 있습니다.

고체 상태 장치가 사용되기 전에는 반파 회로와 중앙에 달린 변압기를 사용하는 전파 회로가 수은 아크 밸브를 사용하는 산업용 정류기에 매우 일반적으로 사용되었습니다.^[6] 이는 3개 또는 6개의 AC 공급 입력을 하나의 탱크에 있는 상응하는 수의 양극 전극에 공급하여 공통 음극을 공유할 수 있기 때문입니다.

다이오드와 사이리스터의 등장으로 이러한 회로는 덜 대중적이 되었고 3상 브리지 회로가 가장 일반적인 회로가 되었습니다.

3상 교량 정류기 제어되지 않음

제어되지 않는 3상 브리지 정류기의 경우 6개의 다이오드가 사용되며 회로의 펄스 수는 다시 6개입니다. 이러한 이유로 일반적으로 6펄스 브리지라고도 합니다. B6 회로는 2개의 3펄스 중심 회로를 직렬로 연결한 것으로 단순화된 것으로 볼 수 있습니다.

저전력 애플리케이션의 경우, 제1 다이오드의 애노드가 제2 다이오드의 캐소드에 연결된 직렬의 이중 다이오드가 이를 위해 단일 컴포넌트로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법. 일부 상용 이중 다이오드에는 4개의 단자를 모두 사용할 수 있으므로 사용자가 단상 분할 공급용, 하프 브리지 또는 3상 정류기용으로 구성할 수 있습니다.

더 높은 전력의 애플리케이션의 경우 일반적으로 브리지의 6개 암 각각에 대해 단일 이산 장치가 사용됩니다. 가장 높은 전력의 경우, 브리지의 각 암은 병렬로 수십 개 또는 수백 개의 개별 장치로 구성될 수 있습니다(예: 알루미늄 제련 시 매우 높은 전류가 필요한 경우) 또는 직렬로 구성될 수 있습니다(예: 고전압 직류 전력 전송 시 매우 높은 전압이 필요한 경우).

맥동하는 DC 전압은 순간 양 및 음의 위상 전압 $V_{\mathrm {LN} }$ ${\$ 의 차이로 인해 발생하며, 30 $V_{\mathrm {LN} }$ 씩 위상이 변경됩니다.

B6 회로의 이상적인 무부하 평균 출력 전압 $V_{\mathrm {av} }$ $V_{\mathrm {av}$ 는 주기가 ${\frac {1}{3}}\pi$ π ${\displaystyle {\frac {1}{$ 3}\pi}(60° ~ 120°)인 DC 전압 펄스 그래프의 적분에서 비롯됩니다. 피크값 ${\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }$ ${\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }$ ${\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }$ = ${\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }$ ⋅ ${\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }$ V 피크 {\displaystyle ${\$ hat {v}}_{\mathrm {DC}} = {\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak}}:

{\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }={}&V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {1}{3}}\pi }}\int _{60^{\circ }}^{120^{\circ }}{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin \varphi \cdot \mathrm {d} \varphi \\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \left(-\cos 120^{\circ }+\cos 60^{\circ }\right)\\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {1}{2}}\right)+{\frac {1}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\end{aligned}}

\longrightarrow V_{\mathrm {dc}} =V_{\mathrm {av} ={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}\cdot V_{\mathrm {LN}}} {\pi }\longrightarrow V_{\mathrm {av} ={\frac {3\sqrt {6}}\cdot V_{\mathrm {LN}} }}{\pi }\approx 2.34V_{\mathrm {LN}}

3상 브리지 정류기가 (양, 음의 전원 전압으로) 대칭적으로 작동하는 경우, 변압기(또는 중성 도체)의 중심점 반대쪽 출력측 정류기(또는 소위 절연된 기준 전위)의 중심점은 삼각형 공통 모드 전압 형태의 전위차를 갖습니다. 이러한 이유로 이 두 센터는 절대 서로 연결되지 않아야 하며 그렇지 않으면 단락 전류가 흐르게 됩니다. 따라서 대칭 작동 중인 3상 브리지 정류기의 접지는 중성 도체 또는 주 전압의 접지와 분리됩니다. 변압기의 2차 권선이 주전원 전압과 전기적으로 분리되어 있고 2차 권선의 스타 포인트가 지상에 없는 경우, 변압기에 의해 구동되는 브릿지의 중심점 접지가 가능합니다. 그러나 이 경우에는 변압기 권선 위에 ( 무시할 수 있는) 누설 전류가 흐르고 있습니다.

공통 모드 전압은 양의 위상 전압과 음의 위상 전압의 차이의 각각의 평균값으로 형성되며, 이 값들은 맥동하는 DC 전압을 형성합니다. The peak value of the delta voltage ${\hat {v}}_{\mathrm {common-mode} }$ amounts ¼ of the peak value of the phase input voltage $V_{\mathrm {peak} }$ and is calculated with $V_{\mathrm {peak} }$ minus half of 주기 60°에서의 DC 전압:

{\begin{aligned}{\hat {v}}_{\text{common mode}}-{}&V_{\mathrm {peak}-{\frac{\sqrt {3}}-\cdot V_{\mathrm {peak}\cdot \sin 60^{\circuit}}-{2}-\[8pt]={}&V_{\mathrm {peak}\cdot {Biggl(}1-{\frac{\sqrt {3}}\cdot \sin 60^{\circuit}}-{\biggl)}=V_{\mathrm {peak}-{cdot 0.25\end{aligned}

공통 모드 전압의 RMS 값은 삼각 진동의 폼 팩터에서 계산됩니다.

V_{\text{common mode}}={\frac{\hat{v}}_{\text{common mode}}{\sqrt{3}}

회로가 비대칭적으로 작동하는 경우(양극 하나만 있는 단순한 공급 전압으로서) 양극 및 음극(또는 절연된 기준 전위) 모두 위상 전압의 양극 및 음극 파형과 유사하게 입력 전압의 중심(또는 접지) 반대쪽에서 맥동합니다. 그러나 위상 전압의 차이로 인해 기간 동안 6펄스 DC 전압이 발생합니다. 변압기 중심과 음극의 엄격한 분리(그렇지 않으면 단락 전류가 흐르게 됨) 또는 격리 변압기에 의해 전원이 공급될 때 음극의 접지 가능성이 대칭 작동에 해당합니다.

3상 교량 정류기 제어

제어된 3상 브리지 정류기는 다이오드 대신 사이리스터를 사용합니다. 출력 전압은 계수 cos(α)만큼 감소합니다.

V_{\mathrm {dc} = V_{\mathrm {av} ={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak}}} {\pi}}\cdot \cos \alpha

또는 라인 대 라인 입력 전압으로 표시됩니다.^[7]

V_{\mathrm {dc} =V_{\mathrm {av} ={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak}}} {\pi}}\cdot \cos \alpha

위치:

V는_LLpeak 라인 대 라인 입력 전압의 피크 값입니다.

V는_peak 위상(라인에서 중립까지) 입력 전압의 피크 값이며,

α는 사이리스터의 점화 각도입니다(다이오드를 사용하여 정류하는 경우 0).

위의 방정식은 AC 전원에서 전류가 공급되지 않거나 AC 전원 연결부에 인덕턴스가 없는 이론적인 경우에만 유효합니다. 실제로 공급 인덕턴스는 부하가 증가함에 따라 DC 출력 전압을 감소시킵니다. 일반적으로 최대 부하에서 10~20% 범위입니다.

공급 인덕턴스의 영향은 전송 프로세스(커뮤테이션이라고 함)를 한 단계에서 다음 단계로 늦추는 것입니다. 결과적으로, 한 쌍의 디바이스들 사이의 각 전환에서, 브리지에 있는 3개의 디바이스들이 동시에 전도하는 (2개가 아닌) 오버랩 기간이 존재합니다. 오버랩 각도는 일반적으로 기호 μ(또는 u)로 참조되며, 최대 부하 시 2030°일 수 있습니다.

공급 인덕턴스를 고려하면 정류기의 출력 전압은 다음과 같이 감소합니다.

V_{\mathrm {dc} =V_{\mathrm {av} ={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak}}} {\pi}}\cdot \cos(\alpha +\mu )

오버랩 각도 μ는 직류 전류와 직접적인 관계가 있으며, 상기 수식은 다음과 같이 다시 표현될 수 있습니다.

V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos(\alpha )-6fL_{\mathrm {c} }I_{\mathrm {d} }

위치:

L은_c 위상당 정류 인덕턴스이며,

저는_d 직류입니다.

열두펄스교

단상 정류기나 3상 반파 정류기보다 낫지만, 6펄스 정류 회로는 여전히 AC 및 DC 연결 모두에서 상당한 고조파 왜곡을 발생시킵니다. 매우 고출력 정류기의 경우 12펄스 브리지 연결이 일반적으로 사용됩니다. 12펄스 브리지는 직렬로 연결된 2개의 6펄스 브리지 회로로 구성되며, AC 연결은 두 브리지 사이에서 30° 위상 이동을 생성하는 공급 변압기에서 공급됩니다. 이것은 6펄스 브리지가 만들어내는 많은 특징적인 고조파를 상쇄합니다.

30도 위상 변환은 일반적으로 별(wye) 연결과 델타 연결 두 세트의 2차 권선이 있는 변압기를 사용하여 이루어집니다.

전압 곱셈 정류기

간단한 반파 정류기는 다이오드가 서로 반대 방향을 가리키는 두 가지 전기적 구성으로 제작될 수 있습니다. 한 버전은 출력의 음극 단자를 AC 전원에 직접 연결하고 다른 버전은 출력의 양극 단자를 AC 전원에 직접 연결합니다. 이 두 가지를 별도의 출력 스무딩과 결합하면 피크 AC 입력 전압의 거의 두 배에 달하는 출력 전압을 얻을 수 있습니다. 또한 중앙에 탭을 제공하여 분할 레일 전원 공급 장치와 같은 회로를 사용할 수 있습니다.

브리지 정류기의 출력 평활을 위해 두 개의 커패시터를 직렬로 사용한 다음 해당 커패시터의 중간 지점과 AC 입력 단자 중 하나 사이에 스위치를 배치하는 것이 변형입니다. 스위치가 열린 상태에서 이 회로는 일반 브리지 정류기와 같은 역할을 합니다. 스위치를 닫은 상태에서 전압이 두 배로 증가하는 정류기와 같은 역할을 합니다. 즉, 이를 통해 약 320V(±15%, 약)의 전압을 쉽게 도출할 수 있습니다. 전 세계의 120V 또는 230V 주 전원에서 직류 전원을 공급하면 비교적 간단한 스위치 모드 전원 공급 장치에 공급할 수 있습니다. 그러나 원하는 리플의 경우 두 캐패시터의 값이 일반 브리지 정류기에 필요한 단일 값의 두 배여야 합니다. 스위치가 닫히면 각 캐패시터가 반파 정류기의 출력을 필터링해야 하며 스위치가 열리면 두 캐패시터가 직렬로 연결되어 그 중 절반의 값으로 연결됩니다.

Cockcroft-Walton 전압 곱셈기에서 커패시터와 다이오드의 스테이지는 낮은 AC 전압을 높은 DC 전압으로 증폭하기 위해 계단식으로 이루어집니다. 이러한 회로는 전류 용량 및 전압 조절 문제에 의해 제한되는 피크 AC 입력 전압의 약 10배까지 DC 출력 전압 전위를 생성할 수 있습니다. 후행 부스트 스테이지 또는 1차 고전압(HV) 소스로 자주 사용되는 다이오드 전압 곱셈기는 HV 레이저 전원, 브라운관(CRT)(Cathode Ray Tube, CRT 기반 텔레비전, 레이더 및 소나 디스플레이에 사용되는 것과 같은)과 같은 동력 장치, 영상 강화 및 포토 곱셈기 튜브(Photo Multiplier Tube, PMT)에서 발견되는 광자 증폭 장치, 그리고 레이더 송신기 및 전자레인지에 사용되는 마그네트론 기반 RF(Radio Frequency) 장치. 반도체 전자 기술이 도입되기 전에는 AC 전원에서 직접 전력을 공급받는 변압기 없는 진공관 수신기가 전압 더블러를 사용하여 100~120V 전력선에서 약 300VDC를 생성하는 경우가 있었습니다.

정류기의 정량화

정류기의 기능과 성능을 정량화하거나 출력을 측정하는 데 사용되는 비율은 변압기 사용률(TUF), 변환 비율(η), 리플 계수(ripple factor), 폼 팩터(form factor) 및 피크 팩터(peak factor)를 포함합니다. 두 가지 주요 측정 방법은 출력 전압의 구성 요소인 DC 전압(또는 오프셋)과 피크-피크 리플 전압입니다.

환산비율

변환 비율("정류 비율"이라고도 함) η은 AC 전원의 입력 전력에 대한 DC 출력 전력의 비율로 정의됩니다. 이상적인 정류기의 경우에도 출력 전력의 일부가 DC 파형에 중첩되는 리플로 나타나는 DC가 아닌 AC 전력이기 때문에 비율이 100% 미만입니다. 리플을 줄여 출력의 AC 함량을 줄이는 평활 회로를 사용하여 비율을 개선할 수 있습니다. 변환비는 변압기 권선의 손실과 정류 소자 자체의 전력 소모에 의해 감소합니다. DC 전압을 높이고 리플을 줄이기 위해 거의 항상 정류기에 필터가 뒤따르기 때문에 이 비율은 실질적인 의미가 거의 없습니다. 일부 3상 및 다상 애플리케이션에서는 변환 비율이 충분히 높아서 평활 회로가 불필요합니다.^[8] 다른 회로에서는, 부하가 거의 전부 저항인 진공관 전자기기의 필라멘트 히터 회로와 같이, 저항기가 AC 및 DC 전력을 모두 분산시키기 때문에 평활 회로가 생략될 수 있으므로, 전력이 손실되지 않습니다.

반파 정류기의 경우 비율이 매우 낮습니다.

P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over 2}

=

P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over 2}

2

⋅ 피크 2 {\displaystyle P_{\mathrm {

P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over 2}

C}} = {V_{\mathrm {peak} \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} \over 2}(음의 반주기에 전원이 공급되지 않으므로

P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over 2}

약수가 √2가 아닌 2)

P_{\mathrm {DC} = {V_{\mathrm {peak} \over \pi}\cdot {I_{\mathrm {peak} \over \pi}

따라서 반파 정류기의 최대 변환 비율은 다음과 같습니다.

\eta = {P_{\mathrm {DC}} \over P_{\mathrm {AC}}}\approx 40.5\%

마찬가지로 전파 정류기의 경우,

P_{\mathrm {AC}} = {V_{\mathrm {peak} \over {\sqrt {2}}\cdot {I_{\mathrm {peak} \over {\sqrt {2}

P_{\mathrm {DC} = {2\cdot V_{\mathrm {peak} \over \pi}\cdot {2\cdot I_{\mathrm {peak} \over \pi}

\eta = {P_{\mathrm {DC}} \over P_{\mathrm {AC}}}\approx 81.0\%

3상 정류기, 특히 3상 전파 정류기는 리플이 본질적으로 더 작기 때문에 변환 비율이 훨씬 더 높습니다.

3상 반파 정류기의 경우,

P_{\mathrm {AC} = 3\cdot {V_{\mathrm {peak} \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} \over 2

P_{\mathrm {DC} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot {\frac {3{\sqrt {3}}\cdot I_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}

3상 전파 정류기의 경우,

P_{\mathrm {AC} = 3\cdot {V_{\mathrm {peak} \over {\sqrt {2}}\cdot {I_{\mathrm {peak} \over {\sqrt {2}

P_{\mathrm {DC} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\frac {3{\sqrt {3}}\cdot I_{\mathrm {peak} }}{\pi }}

변압기 이용률

정류 회로의 변압기 사용률(TUF)은 변압기의 출력 코일의 AC 정격에 대한 입력 저항에서 사용 가능한 직류 전력의 비율로 정의됩니다.^[9]^[10]

{\text{T.U.F}}={\frac {P_{\text{odc}}}{\text{변압기의 VA등급}}}

변압기의 $VA$ $VA$ 등급은 $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})$ = $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})$ $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})$ ˙ rms( $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})$ $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})$ 의 경우)로 $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})$ 할 수 $VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})$ . ${\displaystyle$ $}})}$

정류기 전압 강하

참고 항목: 다이오드 § 다양한 반도체의 순방향 임계 전압

실제 정류기는 특성적으로 입력 전압의 일부(실리콘 장치의 경우 일반적으로 0.7V의 전압 강하와 일반적으로 비선형적인 경우 등가 저항)를 떨어뜨리고 고주파에서는 다른 방식으로 파형을 왜곡합니다. 이상적인 정류기와 달리 약간의 전력을 분산시킵니다.

대부분의 정류의 측면은 다이오드 간의 내장 전압 강하로 인해 피크 입력 전압에서 피크 출력 전압으로의 손실입니다(일반 실리콘 p–n 접합 다이오드의 경우 약 0.7 V, 쇼트키 다이오드의 경우 약 0.3 V). 중앙에 연결된 보조 장치를 사용하여 반파 정류 및 전파 정류를 수행하면 다이오드 강하 1개의 피크 전압 손실이 발생합니다. 브리지 정류는 두 개의 다이오드 강하 손실이 있습니다. 따라서 출력 전압이 감소하고 매우 낮은 교류 전압을 수정해야 하는 경우 사용 가능한 출력 전압이 제한됩니다. 다이오드가 이 전압 이하로 전도되지 않기 때문에 회로는 각 반주기의 일부 동안만 전류를 통과시켜 각 "범프" 사이에 영전압(즉시 입력 전압이 1~2개 이하로 떨어지는 경우)의 짧은 세그먼트가 나타납니다.

피크 손실은 저전압 정류기(예를 들어, 12 V 이하)에 매우 중요하지만 HVDC 전력 전송 시스템과 같은 고전압 응용에서는 중요하지 않습니다.

고조파 왜곡

정류기와 같은 비선형 부하는 스위칭 동작으로 인해 AC 측의 소스 주파수의 전류 고조파와 DC 측의 소스 주파수의 전압 고조파를 생성합니다.

정류기 출력 평활화

반파 및 전파 정류는 단방향 전류를 전달하지만 둘 다 일정한 전압을 생성하지 않습니다. 반파 정류기의 경우 소스 주파수에 큰 AC 리플 전압 성분이 있고 전파 정류기의 경우 소스 주파수의 두 배입니다. 리플 전압은 일반적으로 피크 대 피크로 지정됩니다. 정류된 AC 전원에서 정상적인 DC를 생성하려면 평활 회로 또는 필터가 필요합니다. 가장 간단한 형태에서는 커패시터(저장기,^[11]^[12] 버퍼 또는 벌크 커패시터뿐만 아니라 평활 커패시터로도 기능), 초크, 저항, 제너 다이오드 및 저항 또는 정류기의 출력에 배치된 전압 조정기일 수 있습니다. 실제로 대부분의 평활 필터는 회로가 견딜 수 있는 수준으로 리플 전압을 효율적으로 줄이기 위해 여러 구성 요소를 활용합니다.

필터 커패시터는 AC 소스가 전원을 공급하지 않을 때, 즉 AC 소스가 전류의 흐름 방향을 변경할 때 저장된 에너지를 AC 사이클의 일부 동안 방출합니다.

저임피던스 소스를 사용한 성능

위 그림은 메인 전원과 같이 임피던스가 거의 0에 가까운 전압원에서 공급될 때의 리저버 성능의 전압 파형을 보여줍니다. 두 전압 모두 영상의 맨 왼쪽에 있는 시간 t=0부터 0부터 시작한 다음 커패시터 전압이 증가할 때 정류된 AC 전압을 따르고 커패시터가 충전되며 부하에 전류가 공급됩니다. 메인 쿼터 사이클이 끝나면 커패시터가 정류기 전압의 피크값 Vp까지 충전됩니다. 이후 정류기 입력 전압이 다음 분기 사이클에 진입하면서 최소값 Vmin으로 감소하기 시작합니다. 그러면 커패시터가 출력 전압을 부하로 유지하는 동안 부하를 통해 커패시터 방전이 시작됩니다.

커패시터 C의 크기는 허용 가능한 리플 r의 양에 따라 결정되며, 여기서 r=(Vp-Vmin)/Vp입니다.

이러한 회로는 변압기로부터 매우 빈번하게 공급되며, 이는 저항 및/또는 리액턴스의 형태로 상당한 내부 임피던스를 가질 수 있습니다. 변압기 내부 임피던스는 리저버 커패시터 파형을 수정하고 피크 전압을 변경하며 규제 문제를 발생시킵니다.

커패시터입력필터

주어진 부하에서 평활 커패시터의 크기는 리플 전압을 줄이는 것과 리플 전류를 늘리는 것 사이의 균형입니다. 피크 전류는 들어오는 사인파의 상승 에지에서 공급 전압의 상승 속도에 의해 설정되며, 변압기 권선의 저항에 의해 감소합니다. 높은 리플 전류는 커패시터, 정류기 및 변압기 권선의 IR² 손실(열 형태)을 증가시키고, 변압기의 구성 요소의 양 또는 VA 등급을 초과할 수 있습니다. 진공관 정류기는 입력 커패시터의 최대 용량을 지정하며 SS 다이오드 정류기도 전류 제한이 있습니다. 이 애플리케이션용 커패시터는 낮은 ESR이 필요하거나 리플 전류가 과열될 수 있습니다. 리플 전압을 지정된 값으로 제한하기 위해 필요한 커패시터 크기는 부하 전류에 비례하고 입력 사이클당 공급 주파수 및 정류기의 출력 피크 수에 반비례합니다. 전파 정류 출력은 반파 정류 출력의 주파수의 두 배이기 때문에 더 작은 커패시터가 필요합니다. 단 하나의 커패시터로 만족스러운 한계까지 리플을 줄이려면 종종 비현실적인 크기의 커패시터가 필요합니다. 커패시터의 리플 전류 정격이 크기에 따라 선형적으로 증가하지 않고 높이 제한이 있을 수 있기 때문입니다. 고전류 응용의 경우 커패시터 뱅크가 대신 사용됩니다.

초크입력필터

초크 입력 필터에 정류 파형을 넣을 수도 있습니다. 이 회로의 장점은 전류 파형이 더 매끄럽다는 것입니다. 전류는 커패시터 입력 필터에서처럼 반주기마다 AC 전압의 피크에서 펄스로 그려지는 대신 전체 주기에 걸쳐 그려집니다. 단점은 전압 출력이 피크가 아닌 AC 반주기의 평균인 훨씬 낮다는 것입니다. 이는 커패시터 입력 필터의 경우 RMS ${\sqrt {2}}$ 의 약 90 $%$ 대 2 {\ $displaystyle {\sqrt {2}}$ 배입니다 ${\sqrt {2}}$ . 이를 상쇄하는 것은 우수한 전압 조절과 더 높은 가용 전류로, 전력 공급 구성 요소에 대한 피크 전압과 리플 전류 요구를 감소시킵니다. 인덕터는 철 또는 기타 자성 물질의 코어가 필요하며 무게와 크기를 추가합니다. 따라서 전자 장비용 전원 공급 장치에서 전압 조절기와 같은 반도체 회로를 선호하는 용도가 줄어들었습니다.^[14]

입력 필터로서의 저항

배터리 충전기와 같이 리플 전압이 미미할 경우, 입력 필터는 출력 전압을 회로에서 필요한 전압으로 조정하기 위한 단일 직렬 저항일 수 있습니다. 저항기는 출력 전압과 리플 전압을 비례적으로 감소시킵니다. 저항 입력 필터의 단점은 부하가 사용할 수 없는 폐열 형태로 전력을 소비하기 때문에 저전류 회로에만 사용됩니다.

고차 및 캐스케이드 필터

리플을 추가로 줄이기 위해 초기 필터 요소에 교대 직렬 및 션트 필터 구성 요소가 추가로 뒤따르거나 전압 조정기가 뒤따를 수 있습니다. 직렬 필터 구성 요소는 저항기 또는 초크일 수 있습니다. 션트 요소는 저항기 또는 커패시터일 수 있습니다. 필터는 DC 전압을 상승시킬 뿐만 아니라 리플을 줄일 수 있습니다. 필터는 종종 RC(직렬 저항, 션트 커패시터) 또는 LC(직렬 초크, 션트 커패시터) 섹션으로 불리는 직렬/순트 구성 요소 쌍으로 구성됩니다. 두 가지 일반적인 필터 기하학은 Pi(커패시터, 초크, 커패시터) 및 T(초크, 커패시터, 초크) 필터로 알려져 있습니다. DC 출력이 낮거나 허용되는 경우 직렬 소자가 저항기인 경우가 있습니다. 저항기가 더 작고 저렴하기 때문입니다. 또 다른 종류의 특수 필터 기하학은 직렬 공진 초크 또는 튜닝 초크 필터입니다. 저역 통과 필터인 다른 필터 기하학적 구조와 달리 공진 초크 필터는 대역 정지 필터입니다. 초크와 커패시터의 병렬 조합으로 리플 전압의 주파수에서 공진하여 리플에 매우 높은 임피던스를 제공합니다. 이어서 션트 커패시터가 필터를 완료할 수 있습니다.

전압 조절기

DC 부하가 매우 낮은 리플 전압을 필요로 하는 경우 추가 필터 구성 요소에 대한 보다 일반적인 대안은 전압 조정기를 사용하여 입력 필터를 따르는 것입니다. 전압 조정기는 기본적으로 리플 주파수의 전압을 부하로부터 차단하는 전압 분배기인 필터와는 다른 원리로 작동합니다. 오히려 레귤레이터는 일정한 출력 전압을 유지하기 위해 부하에 공급되는 전류를 증가시키거나 감소시킵니다.

단순한 수동 션트 전압 조정기는 소스 전압을 필요한 레벨로 떨어뜨리는 직렬 저항과 설정 전압과 동일한 역방향 전압을 갖는 제너 다이오드 션트로 구성될 수 있습니다. 입력 전압이 상승하면 다이오드가 전류를 덤프하여 설정된 출력 전압을 유지합니다. 제너 다이오드는 전압과 전류 제한이 있기 때문에 일반적으로 저전압, 저전류 회로에만 사용됩니다. 또한 부하가 사용할 수 없는 과도한 전류를 덤프하기 때문에 매우 비효율적입니다.

션트 전압 레귤레이터의 보다 효율적인 대안은 능동 전압 레귤레이터 회로입니다. 능동형 레귤레이터는 에너지를 저장하고 배출하기 위해 반응성 부품을 사용하여 정류기에서 공급되는 대부분 또는 모든 전류가 부하로 전달됩니다. 또한, 소스 전압이 떨어질 때 출력 전압을 유지하기 위해 트랜지스터와 같은 적어도 하나의 전압 증폭 컴포넌트와 함께 음 및 양의 피드백을 사용할 수도 있습니다. 입력 필터는 리플의 트로프가 레귤레이터가 필요로 하는 최소 전압 이하로 떨어지는 것을 방지하여 필요한 출력 전압을 생성해야 합니다. 레귤레이터는 리플을 크게 줄이는 역할과 공급 및 부하 특성의 변화에 대처하는 역할을 모두 수행합니다.

적용들

정류기의 주된 용도는 AC 전원(AC-DC 컨버터)에서 직류 전원을 공급받는 것입니다. 정류기는 거의 모든 전자 장비의 전원 공급 장치 내부에 사용됩니다. AC/DC 전원 공급 장치는 크게 선형 전원 공급 장치와 스위치 모드 전원 공급 장치로 나눌 수 있습니다. 이러한 전원 공급 장치에서는 정류기가 변압기에 이어 직렬로 연결되며, 평활 필터 및 전압 조정기가 뒤따를 수 있습니다.

직류 전원을 한 전압에서 다른 전압으로 변환하는 것은 훨씬 더 복잡합니다. DC-DC 변환의 한 가지 방법은 먼저 전력을 AC로 변환한 다음 변압기를 사용하여 전압을 변경하고 마지막으로 전력을 다시 DC로 정류하는 것입니다. 일반적으로 수십 킬로헤르츠의 주파수가 사용되는데, 이는 낮은 주파수보다 훨씬 작은 인덕턴스를 필요로 하고 무겁고 부피가 크며 값비싼 철심 변압기를 사용하지 않기 때문입니다. DC 전압을 변환하는 또 다른 방법은 급속 스위칭을 사용하여 커패시터의 연결을 변경하는 차지 펌프를 사용합니다. 이 기술은 일반적으로 필요한 커패시터의 크기 때문에 최대 몇 와트까지 공급하는 데 제한됩니다.

정류기는 진폭 변조 무선 신호의 검출에도 사용됩니다. 신호는 감지 전에 증폭될 수 있습니다. 그렇지 않은 경우에는 매우 낮은 전압 강하 다이오드 또는 고정 전압으로 바이어스된 다이오드를 사용해야 합니다. 복조를 위해 정류기를 사용하는 경우 커패시터와 부하 저항을 주의 깊게 일치시켜야 합니다. 정전 용량이 너무 낮으면 고주파 캐리어가 출력으로 전달되고, 너무 높으면 커패시터가 충전되어 충전 상태를 유지할 수 있습니다.

정류기는 용접을 위한 편광 전압을 공급합니다. 이러한 회로에서는 출력 전류의 제어가 필요합니다. 이는 때때로 브리지 정류기의 다이오드 중 일부를 사이리스터로 교체함으로써 달성됩니다. 이는 전압 출력을 상화된 컨트롤러로 켜고 끌 수 있는 효과적인 다이오드입니다.

사이리스터는 트랙션 모터를 미세하게 제어할 수 있도록 다양한 종류의 철도 롤링 스톡 시스템에 사용됩니다. 게이트 턴오프 사이리스터는 3상 트랙션 모터에 전원을 공급하기 위해 유로스타 트레인과 같은 DC 전원에서 교류 전류를 생산하는 데 사용됩니다.^[15]

정류기술

전기기계학

튜브형 정류기가 개발된 1905년경 이전에는 전력변환장치가 순수하게 전기기계적인 설계였습니다. 기계식 정류기는 전자석에 의해 구동되는 일부 형태의 회전 또는 공진 진동을 사용하여 스위치나 정류기를 작동시켜 전류를 반전시켰습니다.

이러한 기계식 정류기는 소음이 심하고 마모로 인한 이동 부품의 윤활 및 교체를 포함하여 유지 보수 요구 사항이 높았습니다. 부하가 걸린 상태에서 기계 접점을 열었을 때 전기 아크와 스파크가 발생하여 접점이 가열되고 침식되었습니다. 그들은 또한 초당 수천 사이클 이상의 교류 주파수를 처리할 수 없었습니다.

동기 정류기

전기 기관차에서 교류를 직류로 변환하기 위해 동기 정류기를 사용할 수 있습니다.^{[citation needed]} 무거운 전기 접점 세트를 구동하는 동기식 모터로 구성되어 있습니다. 모터는 AC 주파수에 맞춰 회전하며 사인파 전류가 제로 크로싱을 통과하는 순간 부하에 대한 연결을 주기적으로 반전시킵니다. 접점은 큰 전류를 전환할 필요가 없지만 기관차의 DC 트랙션 모터를 공급하기 위해 큰 전류를 운반할 수 있어야 합니다.

진동 정류기

이 리드는 AC 전자석에 의해 생성된 교류 자기장에 의해 진동되는 공진 리드와 음의 반주기에서 전류의 방향을 반대로 하는 접점으로 구성되어 있습니다. 배터리 충전기와 같은 저전력 장치에 사용되어 스텝다운 변압기에서 발생하는 저전압을 보정했습니다. 또 다른 용도는 튜브에 높은 DC 전압을 제공하기 위해 휴대용 진공 튜브 라디오용 배터리 전원 공급 장치에 있었습니다. 이것들은 현대식 솔리드 스테이트 스위칭 인버터의 기계적 버전으로 작동되며, 변압기 코어에 있는 진동자 접점 세트와 변압기의 자기장에 의해 작동되는 DC 배터리 전류를 반복적으로 차단하여 변압기에 전원을 공급하는 펄스 교류를 만듭니다. 그런 다음 진동기의 두 번째 정류기 접점 세트가 변압기에서 DC로 높은 AC 전압을 정류했습니다.

모터-제너레이터 세트

모터-제너레이터 세트 또는 이와 유사한 로터리 컨버터는 실제로 전류를 정류하는 것이 아니라 AC 소스에서 DC를 생성하기 때문에 엄격하게 정류기가 아닙니다. "M-G 세트"에서 AC 모터의 축은 DC 제너레이터의 축과 기계적으로 결합됩니다. DC 제너레이터는 전기자 권선에 다상 교류 전류를 생성하며, 이 전류는 전기자 샤프트의 정류기에서 직류 출력으로 변환됩니다. 또는 호모폴라 제너레이터는 정류기 없이 직류 전류를 생성합니다. M-G 세트는 철도 트랙션 모터, 산업용 모터 및 기타 고전류 응용을 위한 DC를 생산하는 데 유용하며, 고출력 반도체가 널리 보급되기 전에는 많은 고출력 DC 용도(예: 야외 극장용 탄소 아크 램프 프로젝터)에서 일반적이었습니다.

전해성

전해 정류기는^[16] 더 이상 사용되지 않는 20세기 초의 장치였습니다. 1913년 책 소년 정비사에^[17] 가정에서 만든 버전이 나와 있지만, 낮은 항복 전압과 감전 위험 때문에 매우 낮은 전압에서만 사용하기에 적합할 것입니다. 이러한 종류의 더 복잡한 장치는 1928년 G. W. 카펜터에 의해 특허가 출원되었습니다(미국 특허 1671970).^[18]

서로 다른 두 금속을 전해액에 현탁시킬 때 한쪽 방향으로 흐르는 직류는 다른 쪽 방향보다 저항이 적습니다. 전해 정류기는 가장 일반적으로 알루미늄 양극과 삼암모늄 오르토인산염 용액에 현탁된 납 또는 강철 음극을 사용합니다.

이러한 정류 작용은 알루미늄 전극에 수산화알루미늄이 얇게 코팅되기 때문이며, 먼저 코팅을 형성하기 위해 셀에 강한 전류를 가함으로써 형성됩니다. 정류 과정은 온도에 민감하므로 효율성이 가장 좋으려면 86°F(30°C)를 초과하여 작동해서는 안 됩니다. 코팅이 관통되어 셀이 단락되는 항복 전압도 있습니다. 전기화학적 방법은 기계적 방법보다 더 취약한 경우가 많으며, 사용 변화에 민감하여 정류 공정이 크게 변경되거나 완전히 중단될 수 있습니다.

비슷한 전기분해 장치는 트리암모늄 오르토인산염 용액 탱크에 많은 알루미늄 원뿔체를 매달아 같은 시대에 피뢰기로 사용되었습니다. 위 정류기와 달리 알루미늄 전극만 사용하고 교류에 사용하여 분극이 없어 정류기 작용이 없었지만 화학적 성질은 비슷했습니다.^[19]

대부분의 정류 회로 구성의 필수 구성 요소인 현대적인 전해 커패시터도 전해 정류기에서 개발되었습니다.

플라스마형

20세기 초 진공관 기술의 발전으로 다양한 튜브형 정류기가 발명되었는데, 이는 소음이 많고 비효율적인 기계식 정류기를 크게 대체했습니다.

수성-아크

초기 3상 산업 수은 증기 정류관

캐나다 Radison의 Manitoba 수력발전소의 150 kV 수은 아크 밸브는 먼 도시로의 전송을 위해 AC 수력발전을 DC로 전환했습니다.

약 1909년부터 1975년 사이에 고압 직류(HVDC) 전력 전송 시스템 및 산업 공정에 사용되는 정류기는 수은 아크 정류기 또는 수은 아크 밸브입니다. 장치는 전구형 유리 용기 또는 큰 금속 욕조에 둘러싸여 있습니다. 하나의 전극인 음극은 용기 바닥의 액체 수은 풀에 잠기고 하나 이상의 고순도 흑연 전극인 양극(anode)이 풀 위에 매달립니다. 아크를 시작하고 유지하는 데 도움이 되는 여러 보조 전극이 있을 수 있습니다. 음극 풀과 부유 양극 사이에 전기 아크가 형성되면 전자 흐름이 이온화된 수은을 통해 음극에서 양극으로 흐르지만 그 반대는 아닙니다(원칙적으로 화염 정류에 대한 더 높은 출력 대응물입니다, 화염에 자연적으로 존재하는 플라즈마의 동일한 일방향 전류 전달 특성을 사용합니다.

이 장치는 수백 킬로와트의 전력 수준에서 사용할 수 있으며 1~6단계의 AC 전류를 처리할 수 있도록 제작될 수 있습니다. 수은 아크 정류기는 1970년대 중반 실리콘 반도체 정류기와 고출력 사이리스터 회로로 대체되었습니다. 지금까지 건설된 수은-정전기 중 가장 강력한 것은 매니토바 하이드로 넬슨 강 바이폴 HVDC 프로젝트에 설치되었으며, 총 등급은 1GW와 450kV 이상입니다.^[20]^[21]

아르곤 가스 전자관

일반 전기 텅가 정류기는 텅스텐 필라멘트 음극과 탄소 버튼 양극이 있는 수은 증기(ex:5B24) 또는 아르곤(ex:328) 가스로 채워진 전자관 장치였습니다. 열이온 진공관 다이오드와 유사하게 작동했지만 순방향 전도 시 튜브 내 가스가 이온화되어 훨씬 낮은 순방향 전압 강하를 일으켜 낮은 전압을 정류할 수 있었습니다. 1920년대부터 저렴한 금속 정류기, 나중에는 반도체 다이오드가 대체할 때까지 배터리 충전기 및 이와 유사한 용도로 사용되었습니다. 이것들은 수백 볼트와 몇 암페어까지 만들어졌으며, 어떤 크기에서는 추가 전극이 있는 백열등과 매우 유사했습니다.

0Z4는 1940년대와 1950년대 진공관 자동차 라디오에 흔히 사용되는 가스 충전 정류관이었습니다. 양극 2개, 음극 1개로 구성된 기존의 전파 정류관이었지만 필라멘트가 없다는 점에서 독특했습니다(따라서 유형 번호의 "0"). 전극은 역방향 항복 전압이 순방향 항복 전압보다 훨씬 높게 형성되었습니다. 항복 전압이 초과되면 0Z4는 약 24 V의 순방향 전압 강하로 저저항 상태로 전환되었습니다.

다이오드 진공관(밸브)

원래 플레밍 밸브로 불리던 열이온 진공관 다이오드는 1904년 존 앰브로스 플레밍이 무선 수신기의 전파 감지기로 발명해 일반 정류기로 진화했습니다. 별도의 전류로 가열된 필라멘트가 있는 진공 유리 전구와 금속판 양극으로 구성되었습니다. 1884년 토머스 에디슨이 발견한 열이온 방출(에디슨 효과)에 의해 전자가 방출된 필라멘트는 판에 양의 전압을 가하면 필라멘트에서 판으로 관을 통한 전자의 전류를 발생시킵니다. 필라멘트만 전자를 생성하므로 튜브는 한 방향으로만 전류를 전달하여 튜브가 교류 전류를 정류할 수 있습니다.

열이온 다이오드 정류기는 다른 진공관에서 필요로 하는 높은 DC 플레이트 전압을 제공하기 위해 사진, 라디오 및 텔레비전과 같은 진공관 소비자 전자 제품의 전원 공급 장치에 널리 사용되었습니다. 두 개의 분리판이 있는 "전파" 버전은 중앙에 달린 변압기와 함께 사용하여 전파 정류기를 만들 수 있기 때문에 인기가 있었습니다. 진공관 정류기는 텔레비전 수신기의 브라운관용 고전압 전원 공급 장치, X선 장비의 전원 공급에 사용되는 케노트론과 같은 매우 높은 전압을 위해 만들어졌습니다. 하지만 진공관 정류기는 현대의 반도체 다이오드에 비해 공간 전하로 인한 내부 저항이 크고 이에 따른 높은 전압 강하로 인해 전력 소모가 크고 효율이 낮습니다. 판 전력 방출의 한계 때문에 250mA를 초과하는 전류를 거의 처리할 수 없으며 배터리 충전기와 같은 저전압 용도에는 사용할 수 없습니다. 진공 튜브 정류기의 또 다른 한계는 히터 전원 공급 장치가 정류기 회로의 고전압으로부터 절연하기 위해 종종 특별한 배치를 필요로 한다는 것입니다.

솔리드 스테이트

수정검출기

결정 감지기는 가장 초기 유형의 반도체 다이오드였습니다. Jagadish Chandra Bose에 의해 발명되고 G. W. Pickard에 의해 1902년에 시작하여 개발된, 그것은 코헤러와 같은 초기의 검출기들보다 상당히 개선된 것이었습니다. 결정 감지기는 진공관을 사용하기 전에 널리 사용되었습니다. 흔히 고양이 수염 탐지기라고 불리는 한 가지 인기 있는 수정 탐지기는 표면에 가벼운 스프링 모양의 전선이 닿아 있는 반도체 광물인 갈레나(황화납)의 수정으로 구성되어 있습니다. 취약성과 제한된 전류 기능으로 인해 전력 공급 애플리케이션에 적합하지 않았습니다. 1930년대에 연구자들은 마이크로파 주파수에서 사용할 수 있도록 수정 검출기를 소형화하고 개선했습니다.

셀레늄 및 산화구리 정류기

1970년대에 보다 콤팩트하고 저렴한 실리콘 고체 정류기로 대체될 때까지 일반적이었던 이 장치들은 산화물로 코팅된 금속판 스택을 사용하여 셀레늄이나 산화 구리의 반도체 특성을 이용했습니다.^[22] 셀레늄 정류기는 비교 가능한 진공관 정류기에 비해 무게가 가볍고 전력 소모가 적었지만, 수명이 유한하여 나이가 들수록 저항이 증가하고 저주파에서만 사용하기에 적합한 단점이 있었습니다. 셀레늄과 산화구리 정류기 모두 실리콘 정류기보다 순간 전압 과도에 대한 내성이 다소 뛰어납니다.

일반적으로 이러한 정류기는 금속판 또는 와셔 스택으로 구성되어 중앙 볼트로 고정되며 스택 수는 전압에 따라 결정됩니다. 각 셀의 정격은 약 20V입니다. 자동차 배터리 충전기 정류기에는 셀이 하나만 있을 수 있습니다. 진공관용 고전압 전원 공급 장치에는 수십 개의 적층판이 있을 수 있습니다. 공랭식 셀레늄 스택의 전류 밀도는 활성 면적 제곱 인치당 약 600 mA (제곱 센티미터당 약 90 mA)였습니다.

실리콘 및 게르마늄 다이오드

다양한 전류 정격의 다양한 실리콘 다이오드입니다. 왼쪽에는 다리 정류기가 있습니다. 3개의 센터 다이오드에서 도색된 밴드가 캐소드 단자를 식별합니다.

실리콘 다이오드는 낮은 전압과 전원을 위해 가장 널리 사용되는 정류기이며 대부분 다른 정류기를 대체했습니다. 게르마늄 다이오드는 순방향 전압(실리콘 다이오드의 경우 0.3V 대 0.7V)이 상당히 낮기 때문에 저전압 회로에서 실리콘 다이오드에 비해 고유한 이점이 있습니다.

고출력: 사이리스터(SCR) 및 새로운 실리콘 기반 전압 소스 컨버터

1975년부터 2000년까지 대부분의 수은 밸브 아크 정류기는 단순 다이오드에 비해 반도체 층이 두 개 더 있는 실리콘 소자인 매우 높은 전력 사이리스터 스택으로 대체되었습니다.

중전력 전송 애플리케이션에서는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 게이트 턴-오프 사이리스터(GTO)와 같은 훨씬 더 복잡하고 정교한 VSC(Voltage Source Converter) 실리콘 반도체 정류기 시스템이 더 작은 고전압 DC 전력 전송 시스템을 경제적으로 만들었습니다. 이 모든 장치는 정류기 기능을 합니다.

2009년부터^[update] 이러한 고출력 실리콘 "자가통전 스위치", 특히 IGBT와 IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyrist)라고 불리는 변종 사이리스터, 전력 전송이 가장 높은 DC 애플리케이션을 위해 간단한 사이리스터 기반의 AC 정류 시스템을 대체할 정도로 전력 정격이 확장됩니다.^[23]

능동 정류기

능동 정류는 다이오드를 트랜지스터와 같이 능동적으로 제어되는 스위치로 교체하여 정류의 효율을 향상시키는 기술로, 일반적으로 MOSFET 또는 전원 BJT를 사용합니다.^[24] 일반적인 반도체 다이오드의 전압 강하는 대략 0.5~1V 정도로 고정되어 있지만 능동 정류기는 저항으로 작동하여 임의로 낮은 전압 강하를 가질 수 있습니다.

역사적으로 진동자 구동 스위치 또는 모터 구동 정류기는 기계식 정류기 및 동기식 정류에도 사용되었습니다.^[25]

능동 정류에는 많은 응용 프로그램이 있습니다. 전력 손실을 최소화하면서 부분 음영으로 과열을 유발할 수 있는 역전류 흐름을 피하기 위해 태양광 패널 어레이에 자주 사용됩니다.

현재연구

주요 연구 분야는 테라헤르츠와 광 주파수로 정류할 수 있는 고주파 정류기를 개발하는 것입니다. 이러한 장치는 광섬유 통신 및 원자 시계에 무수히 많은 응용 분야가 있는 광학 헤테로다인 검출에 사용됩니다. 그러한 장치의 또 다른 잠재적인 응용은 DC 전력을 생산하기 위해 nantennas라고 불리는 작은 안테나에 의해 포착된 광파를 직접 정류하는 것입니다.^[26] 안테나의 배열은 태양전지보다 더 효율적인 태양열 생산 수단이 될 수 있을 것으로 생각됩니다.

관련 연구 분야는 작은 장치일수록 컷오프 주파수가 높기 때문에 더 작은 정류기를 개발하는 것입니다. 연구 프로젝트는 정류기 역할을 할 단일 유기 분자인 단분자 정류기 개발을 시도하고 있습니다.

참고 항목

참고문헌

^ Morris, Peter Robin (1990). A History of the World Semiconductor Industry. p. 18. ISBN 978-0-86341-227-1.
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