다이오드와 정류 회로

교류 전원에 다이오드 하나와 1 kΩ 저항을 잇고 저항의 전압을 오실로스코프로 보았다. 음의 절반이 잘려 나가 전류가 한 방향으로만 흐르니 직류가 된 셈이다. 그런데 화면에는 봉우리가 솟았다가 0으로 떨어지기를 1초에 60번 되풀이하는 모양이 보인다. 이런 전압으로는 휴대 전화를 충전할 수 없다. 저항과 나란히 축전기를 달았더니 전압이 훨씬 매끈해졌다. 축전기는 무슨 일을 하고, 얼마나 큰 것을 달아야 할까?

평활 축전기 (μF)

3.10.1한쪽으로만 흐르는 다이오드

다이오드는 p형과 n형 반도체를 붙여 만든 소자로, 한쪽 방향으로는 약 0.7 V만 넘으면 전류가 잘 흐르고 반대 방향으로는 거의 흐르지 않는다. 교류를 다이오드에 통과시키면 양의 절반만 지나가고 음의 절반은 막힌다. 이것을 반파 정류라 한다. 다이오드 네 개를 다리 모양으로 이으면 음의 절반도 뒤집어 양으로 바꾸어 보내는데, 이것을 전파 정류라 한다. 어느 쪽이든 전류의 방향은 하나가 되지만 크기는 여전히 크게 오르내린다.

축전기는 봉우리에서 전하를 채웠다가, 다이오드가 막힌 동안 부하에 전하를 내주며 전압을 붙잡아 둔다. 시간 상수 \(RC\)가 봉우리 사이의 시간보다 길면 그동안 조금밖에 방전하지 않으므로 전압이 거의 떨어지지 않는다. 그림 1에서 축전기를 키워 보자. 축전기가 없으면 전압이 0까지 떨어지지만, 200 μF이면 맥동이 약 0.8 V, 1000 μF이면 약 0.17 V로 줄어든다. 전파 정류는 봉우리가 두 배로 자주 오므로 같은 축전기로 맥동이 절반이 된다.¹

3.10.2다이오드의 특성 재기

다이오드의 특성은 전압을 조금씩 올리며 전류를 재어 그린 V–I 곡선으로 본다. 순방향에서는 0.5 V까지 전류가 거의 없다가 0.6 V에서 0.7 V 사이에서 급하게 늘어난다. 그래서 전류를 제한하는 저항 없이 다이오드에 전압을 걸면 순식간에 큰 전류가 흘러 다이오드가 타 버린다. 역방향에서는 꽤 큰 전압까지 전류가 거의 0이다. 정류 회로의 출력 봉우리는 이 순방향 전압만큼 입력 봉우리보다 낮다.

3.10.3예제 풀이

입력의 봉우리는 \(9.0 \times \sqrt{2} \approx 12.7\) V이고, 다이오드의 순방향 전압 0.7 V를 빼면 출력의 봉우리는 약 12.0 V이다. 반파 정류에서 \(\Delta V \approx 12.0/(60 \times 1000 \times C) \le 0.5\)이어야 하므로 \(C \ge 12.0/(60 \times 1000 \times 0.5) = 400\) μF이다. 이때 시간 상수는 \(1000 \times 400 \times 10^{-6} = 0.4\) s로 봉우리 사이 시간 \(1/60\) s의 24배여서 어림이 잘 맞는다.

전파 정류에서는 봉우리가 1초에 120번 오므로 \(C \ge 12.0/(120 \times 1000 \times 0.5) = 200\) μF이면 된다. 다만 다리 회로에서는 전류가 다이오드 두 개를 지나므로 봉우리가 0.7 V 더 낮아진다. 즉 매끈한 직류를 얻으려면 정류로 방향을 하나로 만들고, 시간 상수가 봉우리 사이 시간보다 충분히 긴 축전기로 그 사이를 메운다.

아래 탐구 카드에서 다이오드의 V–I 곡선을 재고, 정류 회로를 꾸며 축전기의 크기에 따라 출력이 어떻게 매끈해지는지 확인해 보자.

1. 휴대 전화 충전기는 이런 정류와 평활 뒤에, 전압을 일정하게 유지하는 조정 회로를 한 번 더 거친다. 남은 맥동이 있으면 오디오 기기에서는 60 Hz나 120 Hz의 '웅' 하는 잡음으로 들리기도 한다.