다이오드 브리지
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1. 개요
다이오드 브리지는 4개의 다이오드를 사용하여 교류(AC) 전압을 맥동하는 직류(DC) 전압으로 변환하는 회로이다. 폴란드의 전기 기술자 카롤 폴라크가 발명하여 1890년대에 특허를 받았으며, 레오 그레츠에 의해 독립적으로 개발되어 '그레츠 회로'라고도 불린다. 다이오드 브리지는 입력 전압의 극성에 관계없이 전류가 항상 같은 방향으로 흐르도록 하며, 역전압 보호 기능도 제공한다. 전파 정류 방식을 사용하여 효율을 높이며, 평활 회로를 통해 출력의 리플 전압을 줄여 더 매끄러운 직류를 얻을 수 있다. 다상 시스템의 교류 입력을 정류하는 데에도 사용되며, 삼상 전력 시스템에서 반파 및 전파 정류기로 구현된다.
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| 다이오드 브리지 | |
|---|---|
| 회로 소자 | |
 | |
| 종류 | 반도체 |
| 발명 | 카롤 폴라크 (1895년) |
| 기호 | 200px |
| 기호 설명 | 2개의 교류 (AC) 입력이 2개의 직류 (DC) 출력으로 변환됨 |
2. 역사
다이오드는 전류가 한 방향(순방향)으로만 흐르게 하는 기본적인 특징을 가지고 있다. 다이오드 브리지는 4개의 다이오드를 사용하여 교류 입력 전압의 극성이 바뀌어도 항상 같은 방향으로 전류가 흐르도록 한다. 입력 전압이 양(+) 또는 음(-)일 때, 각각 2개의 다이오드가 도통되어 전류가 흐르는 경로가 달라진다. 이로 인해 출력 측에는 항상 (+) 극성과 (-) 극성이 유지되며, 맥동하는 직류 전압이 얻어진다.
다이오드 브리지 회로는 폴란드의 전기 기술자 카롤 폴라크가 발명했으며, 1895년 12월 영국[3], 1896년 1월 독일에서 특허를 받았다.[4][5] 1897년, 독일의 물리학자 레오 그레츠는 유사한 회로를 독립적으로 발명하고 발표했다.[6][7] 오늘날 이 회로는 "그레츠 회로" 또는 "그레츠 브리지"라고 불리기도 한다.[8]
3. 기본 동작 및 원리
1950년 이후, 집적회로 전자공학의 발전으로 4핀으로 구성된 단일 소자에 브리지 회로로 연결된 4개의 다이오드를 포함하는 형태가 상용 부품의 표준이 되었고, 다양한 전압과 전류용으로 판매되고 있다.
3. 1. 전류 흐름
관례적 모델의 전류 흐름에 따르면, 벤자민 프랭클린이 정립하고 오늘날 대부분의 엔지니어가 따르는 모델[9]에서, 전류는 전기 전도체를 통해 양극에서 음극으로 흐른다(양의 흐름으로 정의됨). 실제로는, 도체 내의 자유 전자는 거의 항상 음극에서 양극으로 흐른다. 그러나 대다수의 응용 분야에서 전류 흐름의 실제 방향은 무관하다.
다이오드의 기본적인 특징은 전류가 한 방향으로만 흐를 수 있다는 것이며, 이는 순방향으로 정의된다. 다이오드 브리지는 다이오드를 직렬 부품으로 사용하여 교류(AC) 사이클의 양의 부분 동안 순방향으로 전류가 통과하도록 하고, 교류 사이클의 음의 부분 동안 역방향으로 흐르는 전류를 반대 레일로 재지향하기 위한 션트 부품으로 사용한다.
3. 2. 정류 (Rectifier)
다이오드 브리지는 입력 전압의 극성에 따라 전류가 흐르는 경로를 바꿔, 교류를 맥동하는 직류로 변환한다. 전파 정류 방식은 입력 교류 전압의 양(+)과 음(-) 부분 모두를 사용하여 효율이 높다. 반파 정류는 다이오드 브리지를 사용하지 않으며, 입력 교류 전압의 한쪽 부분만 사용한다.[13]
다이아몬드의 왼쪽 모서리에 연결된 입력이 양(+)이고 오른쪽 모서리에 연결된 입력이 음(-)일 때, 전류는 상단 전원 단자에서 빨간색(양) 경로를 따라 오른쪽으로 출력으로 흐르고, 파란색(음) 경로를 통해 하단 전원 단자로 돌아간다. 반대로 왼쪽이 음(-)이고 오른쪽이 양(+)일 때는, 전류는 하단 전원 단자에서 빨간색(양) 경로를 따라 오른쪽으로 출력으로 흐르고, 파란색(음) 경로를 통해 상단 전원 단자로 돌아간다.[10]
각 경우에, 우측 상단 출력은 양(+)으로 유지되고,[11] 우측 하단 출력은 음(-)으로 유지된다. 이는 입력이 교류인지 직류인지에 관계없이 참이므로, 이 회로는 교류 입력에서 직류 출력을 생성할 뿐만 아니라 역극성 보호 기능도 제공한다. 즉, 배터리가 거꾸로 설치되었거나 직류 전원 공급 장치의 리드가 반대로 연결된 경우에도 직류 전원으로 작동하는 장비가 정상적으로 작동하도록 허용하고, 역극성으로 인한 잠재적 손상으로부터 장비를 보호한다.[12]
다이오드 브리지 전파 정류기의 대안으로는 센터 탭 변압기 및 이중 다이오드 정류기와 브리지 토폴로지에서 두 개의 다이오드와 두 개의 커패시터를 사용하는 전압 배가기 정류기가 있다.
4. 평활 회로 (Smoothing circuits)
다이오드 브리지의 출력은 입력과 진폭은 같지만 주파수가 두 배인 극성이 있는 펄스 형태의 비정현파 전압이다. 이는 매우 큰 리플 전압이 중첩된 직류 전압으로 볼 수 있다. 이러한 종류의 전력은 사용하기에 적합하지 않은데, 리플이 직류 회로 부품에서 폐열로 소산되고 회로 작동 중에 노이즈나 왜곡을 일으킬 수 있기 때문이다.[2] 따라서 거의 모든 정류기 뒤에는 리플 전압을 줄여 더 매끄러운 직류 출력으로 변환하기 위한 평활 회로가 뒤따른다. 평활 회로는 단일 커패시터 또는 초크만큼 간단할 수 있지만, 대부분의 전원 공급 장치 필터는 여러 개의 직렬 및 션트 부품을 가진다. 리플 전압이 변동함에 따라 필터 부품에 에너지가 저장되거나 방전되며 전압을 조절한다. 정류의 마지막 단계는 제너 다이오드 기반 전압 조정기로 구성될 수 있으며, 이는 잔류 리플을 거의 완전히 제거한다.[2]
5. 다상 다이오드 브리지 (Polyphase diode bridges)
다이오드 브리지는 다상 시스템 교류 입력을 정류하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 삼상 교류 입력의 경우, 반파 정류에는 3개의 다이오드가 사용되고, 전파 브리지 정류에는 6개의 다이오드가 사용된다.
반파 정류기는 와이 연결(스타 연결)로 볼 수 있는데, 이는 전류가 중앙(중성) 전선을 통해 반환되기 때문이다. 전파 정류기는 델타 연결과 유사하지만, 와이나 델타의 삼상 전원에 연결될 수 있으며 중앙(중성) 전선은 사용하지 않는다.
6. 응용
다이오드 브리지는 "역전압 보호"로 사용될 수 있다. 전지가 반대로 삽입되거나 직류 전압이 반대로 연결되어도 내부회로를 보호하고 정상적인 전원을 공급하는 기능을 한다. 1950년 이후, 집적회로 전자공학의 발전 덕분에 4핀으로 구성된 단일 소자에 브리지 회로로 연결된 4개의 다이오드를 포함하는 형태가 상용 부품의 표준이 되었고, 다양한 전압과 전류용으로 판매되고 있다.
참조
[1]
서적
Voltage-Sourced Converters in Power Systems Modeling, Control, and Applications
Willey
2010-02-15
[2]
서적
The Art of Electronics
https://archive.org/[...]
Cambridge University Press
[3]
특허
British patent 24398
https://depatisnet.d[...]
[4]
문서
(Graetz, 1897), p. 327 footnote.
https://babel.hathit[...]
[5]
간행물
"Ein neues Gleichrichter-Verfahren"
https://babel.hathit[...]
1897-06-24
[6]
간행물
"Electrochemisches Verfahren, um Wechselströme in Gleichströme zu verwandeln"
https://babel.hathit[...]
1897-05-01
[7]
서적
Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks
https://books.google[...]
Springer
2008-08-29
[8]
웹사이트
Graetz Flow Control Circuit
http://www.mathworks[...]
[9]
문서
"Conventional versus electron flow"
http://www.allaboutc[...]
All About Circuits
[10]
서적
University Physics
Addison-Wesely Publishing Co., Inc.
1982
[11]
웹사이트
Bridge Rectifier Circuit - Electronics Basics
https://www.thegeekp[...]
2019-08-15
[12]
웹사이트
Reverse Polarity Protection
http://www.reuk.co.u[...]
2023-12-18
[13]
문서
Rectifier
McGraw-Hill, Inc.
1994
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