[정류기] 정류기와 종류 |
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Date : 2014-06-12
Name : 관리자
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정류기 [ rectifier, 整流器 ] 요약 : 교류전력에서 직류전력을 얻기 위해 정류작용에 중점을 두고 만들어진 전기적인 회로소자 또는 장치이며 한 방향으로만 전류를 통과시키는 기능을 가졌다. 대부분의 전원장치에서는 실리콘 다이오드가 사용되며 제어 정류기 응용 부분에서는 사이리스터가 광범위하게 사용된다. 주기적으로 양과 음 두 가지 방향으로 변화하는 교류전류를 한 가지 방향만 갖는 직류전류로 변환시키는 소자나 장치이다. 정류기는 순방향 저항은 작고 역방향 저항은 충분히 커서 한쪽 방향으로만 전류를 통과시키는 정류 작용이 가능하다. 즉, 가해지는 전압의 방향에 따라 전류가 순조로이 잘 흐르는 순방향과 전류가 거의 흐르지 않는 역방향이 구별되는 특성을 말한다. 다이오드와 같은 소자 한 개로도 정류가 가능하지만 효과적인 정류를 위해서 보통 회로상에 여러 개의 소자를 특정하게 배열하여 사용한다. 한국전력에서 공급하는 전류는 교류이고 우리가 사용하는 전자기기는 직류에서 작동하므로 모든 전원장치나 전자제품에 정류기가 포함되어 있다. 사용되는 종류는 다양하지만, 정류작용이 일어나는 원리에 따라 구분하면 반도체 정류기와 전자관 정류기, 기계적 정류기로 구분할 수 있다. 반도체 정류기는 실리콘·셀레늄·아산화구리 등에서와 같이 반도체와 금속, 또는 두 종류의 반도체의 접합 부근에서 정류작용이 일어난다. 전위차가 나는 두 개의 단자로 구성되어 있으며, 접합 부근에는 전압이 가해지지 않은 상태에서 전위 장벽(potential barrier)이 존재한다. 전위가 낮은 단자에 전원의 음극이 연결되고 전위가 높은 단자에 양극이 연결되면(순방향) 전위장벽이 낮아져 전류가 잘 흐르게 된다. 반대로 연결될 경우는 전위장벽이 높아져 저항이 무한대로 커지게 되어(역방향) 전류가 흐르지 못하게 된다. 이런 과정을 통해 한 쪽 방향의 전류만 통과하여 정류가 된다. 전자관 정류기는 아크방전의 특성을 응용한다. 진공관이나 가스봉입방전관 내의 음극으로부터 방출된 전자는 인가된 전압의 극성에 따라 양극으로만 갈 수 있으므로 결과적으로 양극에서 음극으로 흐르는 일방적인 전류만을 얻을 수 있어 정류작용이 가능하다. 기계적 정류기는 교류전원의 주기에 동기화시켜 개폐하거나 회전하는 접촉자를 사용하여 정류의 목적을 달성한다. 금속을 반도체에 접촉시키면 정류성이 나타난다는 사실은 예전부터 알려졌으며, 셀레늄정류기·아산화구리정류기 등으로 실용화되었다. 실리콘정류기는 정류소자를 조합한 정류회로로서 변압기, 냉각장치 및 각종 보호 장치로 구성되어 있다. 구조가 간단하여 소형으로 만들 수 있으며 취급이 용이해서 최근에 주로 쓰이고 있다. 수명이 긴 장점이 있으나 열용량이 작아 과부하에 약하다. 단기로 수천V·수천A의 용량을 가진 것이 만들어져서 여러 개를 직렬 및 병렬로 조합하여 수만kW의 정류장치도 만들 수 있다. 대표적인 전자관 정류기는 수은정류기로서, 1950년대까지 대전력의 직류전원, 특히 전기철도용의 직류전원으로서 널리 사용되었다. 사이리스터는 양극·음극 외에 제3전극을 가진 실리콘정류기이다. 최근 사이리스터를 정류소자에 이용한 사이리스터 정류기가 제어 정류기 응용 부분에서 널리 사용되고 있다. 제3전극을 게이트라 하는데 게이트는 수은정류기의 격자와 비슷한 기능이 있기 때문에 사이리스터를 사용하면 일정 교류전압을 정류하여 가변 직류전압을 얻을 수 있다. 게이트 회로의 제어 전류의 위상을 조정함으로써 직류의 전압과 전류를 제어할 수 있어 직류 정전압 전위에 널리 사용된다. 게이트가 지닌 기능을 응용하여 직류에서 가변주파수의 교류를 얻는 인버터와 일정직류전압에서 가변직류전압을 얻는 초퍼 등의 응용이 점차 확대되어 가고 있다. 전기분해나 전기도금 등의 화학공업용 전원, 전기철도용 전원 등에서 대량의 직류전력을 공급할 때에 일반적으로 정류기를 사용한다. 라디오 신호를 감지하거나 진폭을 변조하는 데에도 정류기를 사용하는데, 감지하기 전에 신호가 증폭되지 않았다면 전압강하가 매우 낮은 다이오드를 사용한다. 용접을 할 때 편극된 전압을 가하기 위해서 다이오드를 쓰기도 하며, 출력 전류를 제어하기 위해 다이오드 대신 브리지 정류기나 사이리스터를 쓰기도 한다. 반도체 정류기 실리콘정류기는 실리콘판과 다른 금속판을 겹쳐서 열처리하여 만든 소자로서, 대전류용의 제작이 가능하며 역방향의 내전압이 크다는 점 등 제작정류기로서의 적합한 특징을 지니고 있기 때문에 급속히 보급되고 있다. 한 개의 소자로 수백 A의 전류를 얻을 수 있으며, 역방향의 내전압도 1,000V 이상 되는 것이 있고, 이 소자를 직렬·병렬로 조합한 장치에서 직류 2,000kW 정도를 얻을 수 있는 대용량의 것도 있다. 셀렌정류기는 알루미늄 기판(基板)에 니켈도금을 하여 거기에 셀렌층을 증착(蒸着)시키면 그 층이 정류기로서의 성질을 가지게 되는 점을 이용한 것이다. 이 정류기는 실리콘정류기와 비교하면 단위면적당 흐르게 할 수 있는 전류가 적으며 역방향의 내전압도 수십 V 이하이므로 대전력용의 장치를 만들려면 형태가 너무 커지는 단점이 있어 사용하지 않고 있다. 아산화구리정류기는 셀렌정류기보다 더 소규모용이어서 주로 계기용 등에 이용되고 있다. 전자관정류기 전자관이나 가스봉입 방전관은 관내에 양극과 음극을 갖추었고, 그 속에는 진공 또는 수은증기를 넣어 밀봉한 구조로 되어 있는데, 양극에 양(陽), 음극에 음(陰)의 전압이 가해졌을 때만 전류가 흐르며, 반대의 전압이 가해졌을 때는 전류가 거의 흐르지 못하는 성질을 이용하여 만든 정류기이다. 대규모의 것은 수은정류기, 작은 것에는 사이러트론(thyratron) 등이 있다. 진공으로 된 것 중에는 송수신기용의 직류전원을 만드는 경우 등에 쓰이는 2극진공관, 고전압 직류를 얻기 위한 케노트론(kenotron) 등이 있다. 수은정류기는 용량이 작을 경우 유리관을 쓰지만, 대규모의 경우는 철판을 써서 진공조(眞空槽)를 만든다. 수은정류기·사이러트론·실리콘정류기에는 양극과 음극 외에 제3의 전극을 두어 이 전극에 음극보다 낮은 전위(電位)를 가하면 양극과 음극 사이에 전압이 걸리더라도 전류는 흐르지 않으며, 제3전극의 전위를 양으로 하는 순간부터 양극전류가 흐르기 시작하는 성질이 있다. 이 성질을 이용하여 일정 전압의 교류전원으로부터 가변 직류전압을 얻을 수 있다. 제3전극은 수은정류기·사이러트론의 경우는 그리드, 실리콘정류기의 경우는 게이트(gate)라고 하며, 또 게이트가 부착된 실리콘정류기를 사이리스터(thyristor)라고 한다. 대전력용에 수은정류기는 줄고, 실리콘정류기의 이용이 점차로 확대되고 있으며, 가변전압이 필요한 경우에는 사이리스터가 널리 사용되고 있다. 또한 사이리스터를 사용하여 직류에서 반대로 교류를 얻어 내는 인버터(inverter)의 사용도 많다. 기계적정류기 교류전원과 직류부하 사이에 접촉자(일종의 스위치)를 넣고, 이 접촉자를 기계적으로 동작시켜 교류의 양의 파(波)인 구간에만 통전하고 나머지 구간에서는 회로가 개방되도록 만든 접촉변류기라는 장치가 있는데, 1,000kW 이상의 대전력용이 만들어진 일도 있으나 접촉자를 장기간 정확하게 동작시키는 데에 어려움이 있어 지금은 만들지 않고 있다. 다상변압기(24~36상 정도)의 각 접속단자에 연결된 정지정류자편상을 교류의 주파수에 동기화된 속도로 회전하는 브러시를 사용하여 교류로부터 직접 직류를 얻는 방법이 저전압·대전류용 정류기로 실용화되고 있으며 100V, 1,500A, 효율 90% 정도의 것이 만들어지고 있다. 이것도 일종의 기계적 정류기이며 벨트로 정류기라고 한다. |
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