다이오드에 전류 역주행은 없다.

 

교류와 직류가 무엇인지는 잘 알고 있을 것이다. 그런데 교류를 직류로 바꿔본 적이 있는지? 교류를 직류로 바꾸는 방법에는 여러 가지가 있는데 여기서는 그중에서도 가장 기본이 되는 다이오드를 사용한 방법을 살펴보고자 한다.

다이오드는 잘 알다시피 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 반도체 소자이다. 그림 2.0.1은 다이오드의 기호를 나타내며 A는 양극(anode), K는 캐소드(cathode)라고 한다. 전류는 기본적으로 양극에서 캐소드 방향(순방향)으로만 흐르고 반대로 캐소드에서 양극 방향(역방향)으로는 흐르지 않는다.

다이오드는 이러한 성질로 인해 교류전력을 직류전력으로 변환하는 정류기에 많이 사용되는데 그 용도는 일반사무용 전기/전자기기뿐 아니라 산업용 기기에 이르기까지 광법광범위하다. 주변에서 쉽게 볼 수 있는 대표적인 전기·전자기인 컴퓨터에 다이오드 정류기 가 어떻게 사용되고 있는지 살펴보자.

그림 2.0.2는 탁상용 컴퓨터 컴퓨터를 구성하는 각 부품을 보인다. 이 구성품들이 동작하기 위해서는 적절한 직류전원이 필요하다. 팬(fan), 플로피(floppy), 하드디스크 드라이브(hard drive), 프로세서 히트싱크(heat sink) 용 팬, 광 드라이브(optical drive) 등은 직류 12V를 필요로 하고, 마더보드(mother board), 프로세서(CPU), 램 모듈(ram module) 등은 직류 5V를 필요로 한다. 그런데 컴퓨터의 전원은 교류 220V이므로 교류 220V로부터 직류 5V와 12V를 얻기 위한 장치가 필요한데 이것이 바로 전원장치 (power supply)이다. 익히 알고 있듯이 전원장치는 통상 컴퓨터 본체의 뒤쪽 상단부에 설치되어 있다. 그러면 이 전원장치와 다이오드는 어떠한 관계를 맺었는지 살펴보기로 하자.

오른쪽 하단에 교류 220V 연결케이블 이 보이며 오른쪽 상단에 여러 가닥의 전선이 케이스 밖으로 연결되는 것이 보이는데 이 들 전선이 각각 그림 2.0.2의 각 부품들의 입력 전원으로 연결되어 직류 +5V 혹은 +12V를 공급하는 것이다. 왼쪽의 2 교류 220V에 해당하며 오른쪽의 201과 202는 각각 직류 5V와 12V에 해당한다. 회로 구성도를 보면 교류전압 0 (+)측은 다이오드 D D의 연 결점에, (-)측은 D와 D 연결점에 각각 접속되어 있음을 알 수 있는데 이렇게 연결 하면, D D 캐소드 연결점과 D D 양극 연결점 사이의 전압 pvc는 직류 가 된다.

실효값이  220V인 교류를 다이오드를 사용하여 직류 Pvc로 변환 하면 Pvc의 최댓값은 v의 최댓값과 같아지는데 이 값은 약 220루트2 (=311)V가 된다. 그런데 컴퓨터를 구성하고 있는 그림 2.0.2의 각 부품들이 필요로 하는 전압은 직 류 5V 12V의 낮은 전압이므로 311V 정도의 큰 직류전압 pvc를 5V와 12V의 작 은 직류전압으로 변환하는 역할을 하는 DC-DC 컨버터를 사용해야 한다.

이상의 내용을 정리해 보면 교류 220V로부터 직류 5V와 12V를 얻기 위해서는 일단 교류를 직류로 변환한 다음 이 직류를 다시 일정한 크기의 낮은 직류전압으로 변환한다는 것이다. 여기서 중요한 것은 교류를 직류로 변환하는 첫 번째 단계에서 다이오드가 사용된다는 것이다. 즉, 다이오드는 한쪽 방향으로만 전류가 흐른다는 성질을 이용하여 교류를 직류로 만드는 것이다.

내부를 살펴보면 여러 개의 방열판, 변압기, 리액터, 전해커패시터 등을 볼 수 있다. DC-DC 컨버터는 변압기, MOSFET, 다이오드, 필터 리액터, 전해커패시터 등으로 구성되는데 여기서는 설명의 편의 상 DC-DC 컨버터의 내부 회로를 나타내지 않았기 때문에 회로도 상에는 안보일 따름이다. 3강을 공부하고 나면 이들 숨어 있는 부품들이 눈에 들어올 것이다. 그런데 방열판도 회로를 구성하는 부품인가? 아니다. 방열판은 회로를 구성하는 다이오드와 MOSFBT 등의 전력반도체 소자에서 발생하는 열을 방출하기 위한 보조물이다. 전력반도체 소자는 동작 시 손실이 발생하여 내부의 온도가 상승하기 마련인데 내부 접합부 온도가 정격온도(통상 150°C 정도)를 초과하면 소자가 파손될 수 있으므로 온도상승을 억제할 수 있는 적합한 방열판의 선택이 매우 중요하다. 그림 2.0.5는 각종 다이오드의 외형과 정격전압 및 정격전류를 나타낸다. (a)의 경우, 는 전류용량이 작기 때문에 방열판이 필요 없으나, (b)~(d)의 경우는 전류용량이 커서 방열판이 필요하다. 물론 전류용량이 클수록 방열판의 크기도 커지는 경향이 있다. 그러면 이제부터 입력단에 연결되어 있는 4개의 다이오드가 어떻게 동작하여 교류를 직류로 변환하는지 살펴보기로 한다.