정류기(rectifier)는 주기적으로 방향이 바뀌는 교류(AC)를 한 방향으로만 흐르는 직류(DC)로 변환하는 전기·전자 장치이다. 이 변환 과정을 정류(rectification)라고 하며, 역으로 직류를 교류로 변환하는 장치는 인버터(inverter)라고 한다.
어원 '정류기'는 '바르게[正] 흐르는[流] 기계[器]'라는 의미의 한자어이며, 영어 'rectifier'는 라틴어 'rectus'(바른, 곧은)와 'facere'(만들다)에서 유래하여 '바르게 만드는 장치'를 뜻한다.
기본 원리 정류기는 다이오드(diode)의 단방향 전류 특성을 이용하여 교류 파형의 양(+)의 반주기 또는 음(-)의 반주기 중 하나만 통과시키거나, 또는 양쪽 반주기를 모두 같은 방향으로 변환하여 맥동하는 직류를 생성한다. 생성된 맥동 직류는 커패시터, 초크(인덕터), 저항 등으로 구성된 평활화 필터를 통해 보다 일정한 직류로 변환되며, 필요에 따라 전압 조정기(voltage regulator)가 추가된다.
종류
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반파 정류기(half-wave rectifier): 교류 파형의 절반(양의 반주기 또는 음의 반주기)만 통과시키고 나머지 절반은 차단한다. 단순하지만 효율이 낮고 리플(ripple)이 크다.
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전파 정류기(full-wave rectifier): 교류 파형의 양쪽 반주기를 모두 같은 방향으로 변환한다. 중간 탭 변압기와 두 개의 다이오드를 사용하는 방식, 또는 4개의 다이오드를 브리지 형태로 구성하는 브리지 정류기(bridge rectifier) 방식이 대표적이다. 반파 정류기에 비해 효율이 높고 리플이 작다.
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3상 정류기(three-phase rectifier): 산업용 및 고전력 응용 분야에서 사용된다. 반파, 전파(중간 탭 방식), 브리지 방식이 있으며, 3상 브리지 정류기는 6펄스 또는 12펄스 출력을 생성한다.
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전압 배율 정류기(voltage multiplier rectifier): 콕크로프트-월튼(Cockcroft-Walton) 회로 등이 대표적이며, 낮은 교류 전압을 높은 직류 전압으로 승압한다.
정류 소자의 역사적 발전
- 전자기계식 정류기(20세기 초): 회전 정류자, 진동 정류기, 전동-발전기 세트 등이 사용되었다.
- 전해식 정류기(1910~1920년대): 알루미늄 전극과 전해액을 이용한 방식으로, 낮은 전압에서만 사용 가능했다.
- 수은 아크 정류기(1909~1970년대): 수은 증기 속에서의 아크 방전을 이용한 고전력 정류기로, 초고압 직류 송전(HVDC)에 사용되었다.
- 진공관 정류기(1904년~): 플레밍 밸브(Fleming valve)로 시작된 열전자 다이오드는 라디오, 텔레비전 등 초기 전자기기의 전원 공급에 널리 사용되었다.
- 금속 정류기(1920~1970년대): 산화구리 정류기, 셀레늄 정류기 등이 사용되었다.
- 반도체 정류기(현대): 실리콘 PN 접합 다이오드, 쇼트키 다이오드, 사이리스터(SCR), IGBT, GTO 등이 널리 사용된다.
활용 분야 정류기는 거의 모든 전자 장비의 전원 공급 장치(AC-DC 컨버터)에 사용된다. 주요 응용 분야로는 가전제품 및 컴퓨터 전원 공급 장치, 배터리 충전기, 고전압 직류 송전(HVDC) 시스템, 용접기, 철도 차량의 견인 전동기 제어, 라디오 신호의 복조(검파), 화염 감지(화염 정류) 등이 있다.
성능 지표 정류기의 성능은 변환율(정류 효율, η), 변압기 이용률(TUF), 리플 계수, 파형 계수, 피크 계수 등으로 정량화된다. 이상적인 반파 정류기의 최대 변환율은 약 40.5%, 전파 정류기는 약 81.0%이며, 3상 전파 정류기는 이보다 더 높은 효율을 가진다.
