정전압 회로(Regulated Circuit)의 제어방식, 회로구성 설명

정전압 회로(Regulated Circuit)의 제어방식, 회로구성 설명

 

1. 정전압 회로의 제어방식, 회로구성

입력된 AC전원 전압의 변동과 부하쪽에 흐르는 전류변화에도 언제나 변함없이 안정된 전압을 공급하기 위한 회로를 정전압 회로라 하는데 이 정전압 회로는 제어방식 또는 회로구성에 따라 다음과 같이 구분된다.

● 드로퍼 레귤레이터(Dropper Regulator)

▶ 시리즈 레귤레이터(Series Regulator)

▶ 션트 레귤레이터 (Shunt Regulator)

● 스위칭 레귤레이터(Switching Regulator)

▶ 쵸퍼방식(Chopper Regulator) : 비절연형 방식

▶ 컨버터 방식(Converter Regulator) : 절연형

플라이백 컨버터 방식, 포워드 컨버터 방식, 다석식 컨버터 방식

 

 

2. 드로퍼 레귤레이터(Dropper Regulator)

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※ 특징

① 정밀도(안정도)가 요구되며 적은 전력을 취급하기에 용이하다.

② 시리즈 레귤레이터는 전기적 노이즈가 적고 직류출력 전압에 포함되는 리플도 작아서 안정도가 높은 정전압회로를 구성할 수 있다. (노이즈를 싫어하는 무전기나 계측기 등에 많이 사용한다)

③ 시리즈 레귤레이터는 입력전압인 정류전압과 출력전압의 차를 TR이 담당하므로 열손실이 많다.

④ 소비전류가 클 경우 전류에 의한 열손실이 많이 발생하여 큰 면적의 방열판이 필요하다. 초기에는 많이 사용하였으나 현재에는 적은소비전력과 제품의 경량화로 인해 일부에만 사용되고 있다.

< Fig01. 시리즈 레귤레이터 >

 

※ IC를 사용한 정전압 회로

구조 : 트랜지스터 및 정전압 Diode로 구성된 정전압 안정회로가 작은 하나의 Package에 내장되어 있다.

일반 정전압 IC는 입력이 출력보다 30%정도 높아야 정상적인 동작이 가능하다.  PQ12RF21 같은 정전압 IC는 입력이 출력보다 10%미만의 경우에도 정상적으로 동작하며 출력전압을 ON/OFF 할 수 있다.

< Fig02. 78,79 에 따른 리드의 구분 >

 

 

 

3. 스위칭 레귤레이터(Switching Regulator)

SMPS (Switching Mode Power Supply)는 스위칭을 이용한 전원회로 로써 AC 입력전압이 변하거나 부하전류의 변화를  자동으로 감지하여 스위칭하는 발진 주파수를 제어하여 TR을 ON/OFF 하여 고주파 트랜스의 포화 및 에너지의 충 방전을 이용하여 항상 일정한 DC출력전압을 유지하게 만드는  전원회로 방식으로 드로퍼 레귤레이터 방식에 비해  변화효율 등이 좋기 때문에 널리 이용되고 있다. SMPS는 회로 방식에 따라 자려형과 타려형으로 구분한다.

 

1) 시리즈 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 비교

 

2) 시리즈 레귤레이터와 SMPS와의 손실차이

시리즈 레귤레이터는 입력전압과 출력전압과의 차이만큼을 제어 TR의 콜렉터와 에미터간의 전압(Vce)을 제어하여 출력전압을 안정화 시키고 있다.

따라서 이 상태로 출력전류가 흐르면 제어 TR의 콜렉터 전류로서 흐르기 때문에  입력과 출력전압의 차이만큼의 전압이 손실로서  열이 발생한다. 이에 반해 SMPS에서는 TR의 ON 기간에는 Vce가 0 V이고 OFF기간에는 Ic가 0 이므로 전력의 손실은 0 이라고 할 수 있다. 그러나 실제회로에서는 이상적인 Switching이 되지 못하기 때문에  적은 손실은 발생하고 있다.

< Fig03. 시리즈 레귤레이터 >

 

< Fig04. 스위칭 레귤레이터 >

 

3) 자려형

자려형은 스위칭 TR과 출력 트랜스에서 발진을 자체적으로 하는 것으로 회로 구성은 간단하지만 소출력이라는 단점이 있다.

< Fig05. 자려형 SMPS >

 

4) 타려형

스위칭 TR의 제어회로 내에 발진기를 별도로 내장하여  스위칭 주파수를 제어하는 방식으로  보통 전용IC에 따르는 것은 모두  이 방식 이며 IC주변의 저항이나 콘덴서 등에 의해 발진 주파수를 설정할 수 있다.

< Fig06. 타려형 SMPS >

 

5) 자려형과 타려형의 비교

 

 

4. 스위칭 레귤레이터의 기본 방식

1) 초퍼방식(Chopper Regulator)

초퍼 레귤레이터는 입력전원을  직접 TR로 ON/OFF하는 회로로 구성되어 있다.  다음의 회로는 기본 발진회로로서 TR의 베이스에 Rs의해 Bias가 공급되면 TR은 ON상태로 되어  콜랙터 전류[Ic]가 흐르게 되며 그로 인해 L1도 전류가 흐르게 되어 트랜스의 상호 유도 작용에 의해 L2, L3에 전압이 유도 된다.  이 유도된 전압 L2쪽의 전압은 D와 역극성이어서 전류가 흐르지 못하고 에너지가 축척 된 상태로 유지된다. L3쪽의 전압은 Rb를 통해 TR의 베이스에 가해지면 TR의 hfe점에 도달되어 포화상태에 이르게 되면서 코일에 흐르던 전류도 멈추게 된다. 이 때 발생되는 역기전력에 의해 L2, L3의 전압도 반대로 되어  TR의 Bias 상태는 반대로 되어  TR이 급속히 OFF될 때  L2에 축척 되었던 에너지도 D를 통하여 출력쪽으로 방출되어 부하 측 전압상태는 계속 유지하게 된다.

< Fig07. 초퍼형 SMPS의 기본원리 >

 

2) 콘버터방식(Converter Regulator)

콘버터 방식에는 플라이백 콘버터 방식과,포워드 콘버터 방식,  다석식콘버터 방식이 있는데 콘버터 방식에도  자려식과 타려식이 있다.

① 자려식의 동작이해

이 회로는 구성이 간단하기 때문에 제작비용이 적게 들며 전력 변환효율이 높지 않아서 대전력용에는 소형화 하기가 어렵고 예로서 RCC(Ringing Choke Converter)방식을 들수 있다.

< Fig08. RCC방식의 특징 >

 

② 타려식의 동작이해

제어전용 IC에 Start전원이 공급되면 일정한 PWM파형이 공급되어 TR의 베이스에 가해지게 되면 스위칭 TR은 PWM파형의 Duty사이클에 따라 ON/OFF를 반복하게 됨으로써 Trans의 NP권선에 고주파의 전류가 흐르게 되어 2차측으로 에너지가 유도하게 된다. 또한 Ns권선에 유도된 전압은 출력측의 전압 상태에 따라서 제어전용 IC의 PWM파형의 Ton폭을 조정하여 2차측 전압을 안정화 시키고 있다.

< Fig09. 타려식 SMPS의 기본원리 >