전원 전압을 일정하게 유지하기 위해서 사용되는 소자는?
- 트라이액
- SCR
- 제너다이오드
- 터널다이오드
정답과 해설 보기
정답 ③ · 문제는 전원 전압을 일정하게 유지하기 위해 사용하는 소자를 묻고 있다. 제너 다이오드는 역방향 항복 구간에서 전압이 거의 일정하게 유지되는 특성을 이용해 전압 안정화(레귤레이션)에 사용된다.
제너다이오드는 역방향 항복 전압에서 전압이 거의 일정하게 유지되는 특성을 이용해 전압 안정화에 사용된다.
개념 한 쪽
승강기기사 반도체 정류기 — SCR·제너·PIV 계산
정류기는 교류를 직류로 변환하는 장치이며, 반도체 소자는 이 역할을 수행하는 핵심 부품이다. SCR은 제어 가능한 단방향 정류 소자이며, 제너다이오드는 전압 안정화에 사용된다. 정류 회로에서는 평활회로로 리플을 제거하며, 다이오드 설계 시 최대 역전압(PIV)을 반드시 고려해야 한다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「반도체 정류기」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전압 안정화 소자 판단 | 1 | 전원 전압을 일정하게 유지하는 소자를 고르는 능력 |
| SCR의 바이어스 조건 판단 | 1 | SCR의 애노드·캐소드·게이트 전압 극성에 따른 도통 조건을 묻는 능력 |
| PIV 계산 문제 | 1 | 단상 반파 정류에서 주어진 직류 전압으로부터 다이오드의 최소 PIV를 계산하는 능력 |
뜻
SCR(실리콘 제어 정류기)은 PNPN의 4층 구조를 가지는 단방향 정류 소자이다. 애노드와 캐소드 사이에 정방향 전압이 걸리고 게이트에 양전압을 인가해야 도통되는 특성을 가지므로 전력 제어 및 스위칭에 널리 쓰인다. SCR은 단방향 동작을 기본으로 하며, 양방향으로 동작하는 소자는 TRIAC이나 BT(Bidirectional Thyristor)로 분류된다는 점을 구분해야 한다.
전원 전압을 일정하게 유지하는 소자는 제너다이오드이다. 제너다이오드는 역방향에서 특정 제너 전압에 도달하면 항복 현상으로 전압이 거의 일정하게 유지되는 특성을 이용하므로 전압 안정화 회로에 적합하다. 트라이액이나 SCR은 주로 전류 제어와 스위칭용이고 터널다이오드 등은 다른 용도로 쓰이는 점을 구별해야 한다.
정류 후에는 리플 성분이 남으므로 평활회로를 이용해 매끄러운 직류를 만든다. 평활회로의 필터는 저역필터 원리를 사용하여 저주파 성분은 통과시키고 고주파 리플 성분은 감쇠시킨다. 따라서 '리플 제거 = 저역필터'로 연결하여 이해해야 한다.
정류 회로에서 다이오드 선택 시 고려할 중요한 파라미터는 PIV(최대 역전압)이다. 단상 반파 정류 등의 방식에서는 다이오드에 입력 교류의 최대값(Vm)만큼의 역전압이 걸릴 수 있으므로, 얻고자 하는 직류 전압으로부터 중간 변수를 통해 Vm을 구하고 그보다 큰 PIV 정격의 다이오드를 선택해야 한다.
맥동률은 정류 방식과 상수에 따라 달라지며, 상 수가 적고 반파 정류일수록 맥동률이 크다. 단상 반파가 맥동률이 가장 크고 전파 정류나 다상 정류일수록 맥동률이 감소한다는 원리를 숙지해야 한다.
예제
문제: 단상 반파 방식의 정류로부터 평균 직류 전압 100V를 얻고자 한다. 이때 다이오드의 최소 PIV는 얼마이어야 하는가를 구하라.
풀이: 단상 반파 정류에서 직류 평균전압 Vdc는 입력 최대전압 Vm에 대해 Vdc = Vm/π 관계식을 따르므로, Vm = Vdc × π이다. 따라서 Vm = 100 × π ≈ 314V이다. PIV는 입력의 최대전압과 같으므로 약 314V 이상 견딜 수 있는 다이오드를 사용해야 한다고 결론낸다.
실무 팁: Vdc로 주어질 때는 Vm = Vdc × π 공식을 바로 이용하면 계산 단계를 줄일 수 있다.
대표 기출 3문항
SCR(Silicon Controlled Rectifier)의 전원 공급 방법으로 올바른 것은?
- 애도드:㊉전압, 캐소드:㊀전압, 게이트:㊀전압
- 애도드:㊀전압, 캐소드:㊉전압, 게이트:㊉전압
- 애도드:㊉전압, 캐소드:㊀전압, 게이트:㊉전압
- 애도드:㊀전압, 캐소드:㊉전압, 게이트:㊀전압
정답과 해설 보기
정답 ③ · 문항은 SCR의 전원 공급(바이어스) 조건을 묻고 있다. SCR이 정방향 도통하려면 애노드는 캐소드보다 높은 전위를 가져야 하고 게이트에도 양의 펄스가 인가되어야 한다.
SCR은 애노드 양전압, 캐소드 음전압, 게이트 양전압 인가 시 정방향 도통 상태가 된다.
단상반파정류로 직류전압 100V를 얻으려고 한다. 최대 역전압(Peak Inverse Voltage:PIV)이 약 몇 [V] 이상인 다이오드를 사용하여야 하는가?
- 100V
- 141V
- 222V
- 314V
정답과 해설 보기
정답 ④ · 단상반파정류회로에서 직류 평균전압 100V를 얻기 위해서는 교류 입력 전압의 실효치(RMS)가 약 222V(100 * π / √2)여야 합니다. 이때 다이오드에 걸리는 역전압(PIV)은 교류 입력 전압의 최대치(Peak)와 같아야 하므로, 입력 최대전압은 222V * 1.414(√2) = 약 314V입니다.
단상반파정류의 PIV는 입력 교류의 최대전압(Vm)과 같으므로, 직류전압(Vdc)을 역산하여 Vm을 구해야 한다.
자주 묻는 물음
- SCR과 TRIAC의 차이는 무엇인가?
- SCR은 PNPN 구조의 단방향 도통 소자이며 한 방향으로만 전류가 흐르는 특성을 가진다. 반면 TRIAC이나 BT는 양방향으로 동작하는 소자로 교류 전력 제어에 사용되므로 SCR과 기능적으로 구분한다.
- SCR을 도통시키려면 전압은 어떻게 걸어야 하나?
- 애노드에 캐소드보다 높은 전위를 걸어 정방향 바이어스를 만들고, 게이트에 애노드보다 높은 양전압을 인가하면 SCR이 턴온되어 애노드에서 캐소드로 전류가 흐른다. 요약하면 '애노드:+, 캐소드:-, 게이트:+' 조건을 만족해야 도통한다.
- 전원 전압을 안정하게 유지하기 위한 다이오는 무엇인가?
- 역방향 항복 전압에서 전압이 거의 일정하게 유지되는 제너다이오드를 전원전압 안정화용으로 사용한다. '전압 안정화' 키워드가 나오면 제너다이오드를 떠올려 선택하면 된다고 한다.
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