전기기계, 기구에서 필수가 된 정류기, 인버터, 반도체에 대해 알아보자

정류기

정류기(rectifier)는 주기적으로 방향이 바뀌는 교류(AC)를 한 방향으로만 흐르는 직류(DC)로 변환하는 전기장치이다. 직류(DC)를 교류(AC)로 변환(역동작)은 인버터에 의해 수행된다.

정류기의 초기 사용

이 과정은 전류의 방향을 직선화하여 정류라고 한다. 물리적으로 정류기는 진공관 다이오드, 습식 화학 전지, 수은 아크 밸브, 구리 및 셀레늄 산화판 스택, 반도체 다이오드, 실리콘 제어 정류기 및 기타 실리콘 기반 반도체 스위치를 비롯한 다양한 형태를 취한다. 역사적으로는 동기식 전기 기계 스위치와 전동 발전기 세트도 사용되었다. 광석 라디오라고 불리는 초기 라디오 수신기는 방연석(황화납) 결정을 미세한 와이어로 눌러 만든 고양이 수염 검출기를 사용하여 점접촉 정류기 또는 수정 탐지기 역할을 했다.

정류기의 현재 사용

정류기는 다양한 용도로 사용되지만 DC 전원 공급 장치 및 고전압 직류 송전 시스템의 구성 요소로 사용되는 경우가 많다. 정류는 전력원으로 사용하기 위해 직류를 생성하는 것 이외의 역할을 할 수 있다. 언급한 바와 같이 정류기는 무선 신호의 검출기 역할을 할 수 있다. 가스 가열 시스템에서 화염 정류는 화염의 존재를 감지하는 데 사용된다.

정류기와 평활화

교류 전원의 유형과 정류기 회로의 배열에 따라 균일하고 안정된 전압을 생성하기 위해 출력 전압을 추가로 평활화해야 할 수도 있다. 라디오, 텔레비전 및 컴퓨터 장비용 전원 공급 장치와 같은 정류기의 많은 응용 분야에는 배터리에서 생성되는 것과 같이 안정적이고 일정한 DC 전압이 필요하다. 이러한 응용 분야에서 정류기의 출력은 커패시터, 초크 또는 커패시터 세트, 초크 및 저항기일 수 있는 전자 필터에 의해 평활화된다. 그 뒤에는 안정적인 전압을 생성하기 위한 전압 조정기가 뒤따를 수 있다.

DC를 AC로 변환하는 반대 기능을 수행하는 더 복잡한 회로를 인버터라고 한다.

변환기
순 변환기(컨버터): AC→DC
역 변환기(인버터): DC→AC
싸이클로컨버터(cycloconverter): AC→AC
초퍼(chopper): DC→DC
반도체에서 PN접합 반도체의 정류 작용에서 보면
PN 접합→정류작용 = AC(교류 실횻값)→DC(평균값)
PN 접합은 외부에서 가하는 전압의 방향에 따라 정류 특성을 가진다.

인버터

파워 인버터 또는 인버터(영어: power inverter 또는 inverter)는 직류(DC) 성분을 교류(AC) 성분으로 바꾸기 위한 전기변환 장치이다. 적절한 변환 방법이나 스위칭 소자, 제어 회로를 통해 원하는 전압과 주파수 출력값을 얻는다.
(주파수 범위: 50Hz / 60Hz | 전압 범위: 100Vac, 110Vac, 115Vac, 120Vac, 200Vac, 220Vac, 230Vac, 240Vac)

자동차에 들어간 직류 12V를 교류 115V로 변환하는 인버터 장치. 1.2A의 교류 전원을 공급할 수 있는 장치이다.

인버터는 특정 전원 소스(전압원, 전류원, 주파수, 크기, 방향)를 다른 성분의 전원으로 사용하기 위해 사용하는 전력 변환기 중 출력이 AC Source 형식의 변환기를 총칭하는 단어이다. 주요 인버터의 종류는 다음과 같이 참고할 수 있다.

전력용 인버터

일반적으로 사용하는 DC-AC 전력 변환의 인버터. 주파수 및 전압이 고정되어 있거나 변경할 수 있다. 운전 중 조작이 불가능한 것이 특징이다. 출력 파형과 드라이브 방식에 따라 4가지 종류로 나뉜다.

전동기 제어 인버터

Tobu 열차에 사용되는 VVVF형 주동력 인버터. IGBT를 쓴다

전동기 제어에 사용되는 인버터와 동기전동기와 유도전동기에서 사용하는 인버터 방식은 확연히 다르다. 입력전압은 대체로 사용하는 영역에 따라 다르다. RC에서 사용하는 인버터(전자 변속기 라고도 부른다)는 3.7~48V 사이의 저압에서 작동한다. KTX-산천과 같은 농형 유도전동기용 인버터의 경우 1200Vrms 의 전원을 정류하여 사용한다. 사용되는 소자에 따라 다르지만 대부분이 VVVF 동작을 한다. 드라이브 주파수는 규모가 커질수록 작아지는 경향이 큰데, 이는 FET나 IGBT의 게이트 제어 시 대형 기기일수록 게이트 충전 전하량이 커져 고주파 스위칭을 할 수 없기 때문이다. Castle 사 RC용 인버터의 케리어가 8~16Khz 인 반면 현대로템의 인버터의 케리어가 4Khz 로 동작하는 것이 이러한 이유이다.

조명용 인버터

CCFL, EEFL, EL, HFL 등 여러 조명 장비에 고전압 고주파수의 교류전원을 인가하는 인버터들이 있다. 특히 FL(형광램프) 형식의 조명에 많이 사용된다. 최근의 무전극 램프도 마그네트론을 구동하기 위한 MHz 급 인버터가 쓰인다.

반도체

상온에서 전기 전도율이 구리 같은 도체(전도체)하고 애자, 유리 같은 부도체(절연체)의 중간 정도인 물질이다.

반도체의 구성

일반적으로는 규소 결정에 불순물을 넣어서 만든다. 주로 증폭 장치, 계산 장치 등을 구성하는 집적회로를 만드는 데에 쓰인다. 가해진 전압이나 열, 빛의 파장 등에 의해 전도도가 바뀐다.

반도체와 부도체, 도체와의 공통점
반도체는 매우 낮은 온도에서는 부도체처럼 동작하고 실온에서는 도체처럼 동작한다. 다만 반도체는 부도체처럼 동작할 때와 도체처럼 동작할 때 각각 부도체나 도체와 다른 점이 있다. 

반도체와 부도체, 도체와의 차이점
부도체하고의 차이점으로는 띠 틈이 커 전자가 전도띠로 잘 올라가지 못하는 부도체와 달리 에너지 띠간격이 매우 작아 실온에서 전자가 쉽게 전도띠로 올라갈 수 있다는 점이 있다. 도체와의 차이점으로는 절대 영도에서 가장 윗부분의 전자띠가 도체처럼 일부만 차 있는 것이 아니라 가득 차 있다는 점이 있다.