정류기 및 제어기기 정리와 기출문제

정답 ③

SCR(사이리스터)은 트랜지스터와 다른 특별한 스위치 소자입니다. 게이트에 신호를 주면 켜지지만, 한 번 켜지면 게이트 신호를 지우거나 줄여도 꺼지지 않습니다.

이것을 래칭(latching) 특성이라 합니다. 게이트는 '점화 플러그'처럼 시동만 걸어줄 뿐 이후 전류 크기와는 무관하며, 켜진 상태는 애노드 전류가 유지 전류 이상인 동안 계속됩니다.

문제에서 애노드 전류가 20[A]로 흐르고 있으니 이미 도통 중입니다. 이때 게이트 전류를 반으로 줄여도 애노드 전류는 변하지 않고 20[A] 그대로입니다. 게이트 전류에 비례해 애노드 전류가 줄어든다고 보면 트랜지스터와 혼동한 것입니다.

이런 문제가 나오면 → '한 번 켜진 SCR은 게이트와 무관'을 적용해 변화 없음(20[A])을 고른다.

근거 : 정답 근거: SCR(사이리스터)은 게이트 신호로 한 번 턴온되면 이후 게이트 전류와 무관하게 애노드 전류가 유지 전류 이상인 동안 계속 도통 상태를 유지하는 래칭(latching) 특성을 가진다.

정답 ③

가정용 콘센트 전압도 '실효값(평균적인 힘을 나타내는 값)'으로 표시하지만, 실제로는 파도처럼 오르내리면서 더 높은 순간이 있다는 점 기억하나요? 그 가장 높은 순간이 '최대값'입니다.

3상 전파 정류회로(교류를 잘라서 항상 (+) 방향으로 만들어주는 회로)에서는 부하에 걸리는 전압의 최대값이 선간전압(전원 250[V])의 √2배(약 1.414배)가 됩니다.

말로 풀면: 250[V]에 1.414를 곱한다.

$V_{max}=250\times\sqrt{2}\approx354[V]$

이런 문제가 나오면 → '최대값을 구하라'고 하면 무조건 실효값에 √2(≈1.414)를 곱한다고 외워두면 됩니다.

근거 : 핵심 공식: 최대 출력전압 $=\sqrt{2}V_L$. 암기팁: '최대값은 실효값에 항상 $\sqrt{2}$를 곱한다'는 원칙을 3상 회로에도 동일하게 적용한다.

정답 ③

길에서 보는 신호등은 한쪽 방향으로만 차를 통과시키지만, 회전문은 어느 쪽에서 와도 지나갈 수 있죠. 전류 소자에도 이런 차이가 있어요.

SCR, GTO는 신호등처럼 한 방향으로만 전류를 흘리는 '단방향 소자'입니다.

TRIAC은 회전문처럼 양쪽 방향 모두 전류를 흘릴 수 있는 '양방향 소자'예요.

TRIAC은 실제로 SCR 2개를 서로 반대 방향으로 연결한(역병렬) 것과 같은 구조라서, 교류(AC)의 정방향·역방향 모두 통과시킬 수 있습니다.

이름에 힌트가 있어요. TRIAC = AC(교류)를 제어하는 소자 → 교류는 양방향이니까 양방향 소자!

이런 문제가 나오면 → '양방향 = TRIAC, DIAC / 단방향 = SCR, GTO, 다이오드'로 묶어서 외우면 된다.

근거 : 정답 근거: TRIAC(Triode for Alternating Current)은 2개의 SCR을 역병렬로 접속한 구조와 같아 게이트 신호로 양방향(정·부 반주기 모두)으로 전류를 흘릴 수 있는 대표적 양방향 소자이다.

정답 ④

초퍼는 직류전압을 스위치의 켜고 끔(ON/OFF)으로 조절하는 직류 변환장치입니다. 그중 출력 전압이 입력보다 낮아지는 것이 강압형 초퍼입니다.

한 주기 T=10[μs] 동안 스위치가 켜져 있는 시간이 5[μs]이면, 듀티비(켜진 시간의 비율) α=T_ON/T=5/10=0.5입니다. 출력 전압은 E₂=αE₁=0.5E₁이다.

①~③은 E₂가 E₁보다 커지는 식인데, 강압형 초퍼는 이름 그대로 전압을 '내리는' 장치이므로 출력이 입력을 넘을 수 없습니다. 이 원리 하나로 나머지 선지를 한꺼번에 지울 수 있습니다.

이런 문제가 나오면 → 주기와 ON시간의 비율(듀티비)을 구해 E₂=αE₁에 대입한다.

근거 : 핵심 공식: 강압 초퍼 $E_2=\alpha E_1(\alpha\le1)$. 암기팁: '강압 초퍼는 항상 출력이 입력보다 작거나 같다(듀티비<1)'는 원리로 검산한다.

정답 ③

스위치를 생각해 봅시다. 보통 스위치는 켜는 '레버'가 있죠? 사이리스터(전기를 켜고 끄는 반도체 스위치)도 마찬가지로 '게이트(켜라고 신호 주는 단자)'가 있으면 3단자입니다.

SCR, GTO, TRIAC은 모두 게이트가 달린 3단자 스위치예요.

그런데 DIAC(다이악)은 게이트가 없습니다. 단자가 두 개뿐인 2단자 소자(부품)예요.

게이트가 없으니 보통 TRIAC을 켜주는 '트리거(시작 신호)' 용도로 씁니다.

이런 문제가 나오면 → 'DIAC은 2단자, 나머지(SCR·GTO·TRIAC)는 3단자'로 외우면 바로 풀립니다.

근거 : 정답 근거: DIAC(다이악)은 게이트 단자가 없는 2단자(양방향) 소자로, 일정전압(브레이크오버 전압) 이상이 걸리면 양방향으로 도통하는 특성을 가지므로 3단자 형식의 사이리스터에 해당하지 않는다.

정답 ①

반도체(실리콘)는 온도에 대한 반응이 금속과 반대입니다. 금속은 더워지면 저항이 커지지만, 반도체는 열을 받으면 전자와 정공(전기를 나르는 입자)이 더 많이 생겨 저항이 줄고 전류가 더 잘 흐릅니다.

PN 접합 다이오드도 마찬가지여서, 온도가 높아지면 순방향 전류뿐 아니라 역방향으로 새어 나가는 누설 전류까지 함께 '증가'합니다. 따라서 ①번의 '모두 감소한다'가 틀린 설명이고, 틀린 것을 고르는 문제이므로 ①번이 정답입니다.

②번(순방향은 P형에 +, N형에 − 인가), ③번(정류비가 클수록 정류특성 양호), ④번(역방향에서는 극히 작은 전류만 흐름)은 모두 맞는 설명입니다.

이런 문제가 나오면 → '반도체는 온도 상승 시 전류 증가'를 떠올려 '감소'가 들어간 선지를 잡으면 됩니다.

근거 : 핵심 공식: 없음(반도체 온도 특성 정성 설명).

정답 ④

전기 스위치 중 SCR은 한 방향으로만 전류를 흘려보낼 수 있어요. 마치 일방통행 도로 같죠. 그런데 교류(AC, 방향이 계속 바뀌는 전기)는 양쪽 방향으로 흐르니까 SCR 하나로는 부족합니다.

그래서 SCR 두 개를 서로 등을 맞대고(역병렬, 즉 반대 방향으로 나란히) 연결하면 양쪽 방향 모두 통과시킬 수 있어요. 이것을 하나의 부품으로 만든 것이 바로 트라이악(Triac, 쌍방향 사이리스터)입니다.

정리하면:

Triac = SCR 2개 역병렬 = 양방향 스위치

이런 문제가 나오면 → '역병렬 SCR = Triac'이라고 외워 두면 바로 정답!

근거 : 핵심 공식: 없음(반도체 소자 구조 비교 암기).

정답 ①

전력변환 장치는 '입력이 교류인지 직류인지, 출력이 교류인지 직류인지'로 구분하면 쉽습니다.

초퍼(chopper)는 직류(DC)를 다른 크기의 직류로 바꾸는 DC→DC 변환 장치입니다. 스위칭 소자를 켜고 끄는 시간 비율(듀티비)을 조절해 평균 전압을 바꾸므로, 직류 전동기의 전압 제어(속도 제어)에 널리 응용됩니다.

나머지를 구분하면 인버터는 DC→AC, 전파 정류회로는 AC→DC, 사이클로컨버터는 AC를 다른 주파수의 AC로 바꾸는 장치입니다. 셋 모두 직류→직류 변환과는 다릅니다.

이런 문제가 나오면 → '직류를 직류로 = 초퍼'라는 한 줄 정의부터 떠올리세요.

근거 : 핵심 공식: 없음(전력변환장치 분류 암기).