배 전압 회로 - bae jeon-ab hoelo

전자회로

배전압 회로(Voltage Multiplier)

배전압 회로는 입력받은 AC 전압의 진폭의 두배, 혹은 그 이상의 전압을 출력하는 회로인데요. 이 회로는 캐패시터와 다이오드로 구성되어 있고, 출력되는 전압은 DC 전압입니다. 전압을 올리는 것이 가능한 이유는, 한 방향으로만 전류를 흘리는 다이오드와 "전압의 변화"를 통과시키는 캐패시터의 특성 때문입니다.

다이오드는 anode -> cathode 방향으로만 전류를 흘리고, 이때 0.6-0.7V의 전압강하가 생깁니다. 그래서 cathode 전압은 anode 전압보다 크게 높아질 수 있지만, anode 전압은 cathode 전압보다 0.7V이상 높아지지 못합니다. 그리고 캐패시터의 임피던스가 뒤쪽에 연결된 소자의 임피던스보다 상대적으로 낮은 경우, 캐패시터는 전압값이 아닌 "전압의 시간에 대한 변화량", 또는 "전압의 변화"를 통과시킵니다. 이것은 저항값이 낮은 저항이 입력된 전압을 통과시키는 것과 전혀 다른 현상인데요. 이것을 이용해서 캐패시터에 사각파를 통과시켜 짧은 펄스를 만들어내기도 합니다.

아래 회로는 AC 전원, 두개의 캐패시터, 두개의 다이오드로 이루어진 배전압 회로인데요. 파란색 프로브가 찍힌곳의 전압은 다이오드에 의해 녹색 프로브가 찍힌곳의 전압보다 0.7V이상 낮아지지 못합니다. 그리고 빨간색 프로브가 찍힌곳의 전압은 AC 전압으로, 시간에 대해 변합니다. 그래서 빨간색 프로브가 찍힌곳의 전압변화는 캐패시터를 통과해서 파란색 프로브의 전압에 영향을 주는데요. 따라서 파란색 프로브가 찍힌곳의 전압은 대략 빨간색 프로브가 찍힌곳의 전압변화 + 녹색 프로브가 찍힌곳의 전압 - 0.7V가 될 것임을 알 수 있습니다. 분홍색 프로브가 찍힌곳의 전압은 파란색 파형이 평활되어, DC 파형이 됩니다.

위 시뮬레이션 결과에서, 주황색 파형은 캐패시터 양단에 걸리는 전압인데요. 시간이 지나 캐패시터에 전하가 충전되어 전압이 일정해지면, 파란색 파형의 진폭이 커지고 분홍색 파형이 안정되는 모습이 보입니다. 시간이 120ms이상 지났을 때, 빨간색 파형의 전압은 -10V에서 +10V 까지 변하므로 전압의 변화량이 20V입니다. 녹색 파형의 전압은 0V이므로, 파란색 파형은 녹색 파형에 빨간색 파형의 변화량을 더해서 약 0~20V 사이에서 진동하는 형태가 됩니다. 다이오드의 전압강하 때문에, 파란색 파형은 -0.7 ~ 19.3V 사이에서 진동하게 됩니다. 이 파형이 정류되어서 나타나는 분홍색 파형은 약 18.8V의 DC 파형이 됩니다. 따라서 AC 입력파형의 진폭(10V)의 두배보다 조금 낮은 전압이 출력되는군요. 2배 배전압 회로(voltage doubler)임을 알 수 있습니다.

파형을 살펴보면, AC의 빨간색 파형과 DC의 녹색파형이 더해져서 파란색 파형이 되고, 이것이 정류되어 분홍색 파형이 되는데요. 두 캐패시터와 두 다이오드의 연결이 이 과정을 가능하게 합니다. 파란색 파형은 전압레벨이 바뀌었지만 AC 파형이 여전히 남아있고, 분홍색 파형은 19V에 가까운 DC 전압인데요. 두 캐패시터와 두 다이오드를 2배 배전압회로의 파란색 파형과 분홍색 파형에 다시 적용하면, 출력전압을 더 올릴 수 있습니다. 출력전압을 올리기 위해 두 캐패시터와 두 다이오드를 추가하면, 아래의 회로가 되는데요. 프로브의 위치가 바뀌었지만, 프로브의 색이 의미하는 것은 같습니다.

시뮬레이션 결과를 보면, 대략 1초이상 지나야 분홍색 출력전압이 안정되는군요. 마지막 160ms 동안의 그래프를 보면, 이번에도 빨간색 파형의 변화(진폭)는 약 20V 정도입니다. 이 변화를 녹색 파형(19V)과 더하고 다이오드의 전압강하를 빼면, 파란색 파형은 약 18 ~ 38V 사이에서 진동하게 됩니다. 그 뒤에 정류되는 분홍색 파형도 38V에 가까운 전압이 되어, 원래 입력파형의 진폭의 4배에 가까워졌습니다. 이 회로는 AC 입력파형의 진폭의 약 4배의 전압을 DC로 출력하는 회로임을 알 수 있네요.

4배 배전압회로의 파란색 파형의 변화와 분홍색 파형을 한번 더 더하면, 출력전압을 같은 방법으로 또 올릴 수 있을 것 같은 생각이 드는데요. 파형을 더하기 위해 캐패시터와 다이오드를 또 추가하면, 회로가 다음 회로도처럼 됩니다.

전압이 올라가는 원리가 이전회로와 같아서, 각 색깔별 파형의 형태는 같고 전압레벨만 달라졌는데요. 분홍색 출력파형의 전압이 대략 55V 되는것이 보입니다. 출력되는 전압이 AC 입력파형의 진폭의 6배에 가까우므로, 이 회로는 6배 배전압 회로입니다.

더 높은 전압이 필요하면, 다이오드과 캐패시터를 추가로 연결하면서 전압을 계속 증가시킬 수 있습니다. 이것은 이전 단의 정류된 전압과 다이오드에 의해 최소전압이 확보되고, 캐패시터를 통해 전압의 변화가 더해지기 때문에 가능합니다.