이 글은 커패시터 입력형 정류기, 150W LED 커패시터와 첨두 전류 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 150W LED 조명 구동을 위한 커패시터 입력형 정류기의 기본 구성, 직류 출력 전압과 평활 커패시터 용량 계산을 다룹니다.
150W LED 조명 구동을 위한 커패시터 입력형 정류기의 기본 구성
LED 조명 구동 장치는 안정적인 광출력과 플리커 현상 방지를 위해 일정한 직류 전압과 전류를 공급받아야 합니다. 상용 교류 전원으로부터 직류 전력을 얻기 위한 가장 단순하고 널리 쓰이는 전력 변환 회로는 단상 다이오드 브리지 정류기와 대용량 평활 커패시터로 구성되는 커패시터 입력형 정류기입니다. 한국의 표준 상용 교류 전원 전압 실효값은 220V이고 주파수는 60Hz입니다. 이 교류 전압이 단상 다이오드 브리지 정류기에 인가되면 정현파의 음의 반주기가 양의 맥동 전압으로 반전합니다. 입력 교류 전압의 실효값으로부터 피크 전압을 구하는 관계식은 식 (1)과 같습니다.
식 (1)에서 전원 실효 전압 220V를 대입하면 입력 피크 전압은 약 311.13V로 산출합니다. 정류 회로에 포함된 4개의 정류 다이오드 중 전류가 흐를 때마다 항상 2개의 다이오드가 직렬로 도통합니다. 일반적인 실리콘 정류 다이오드의 순방향 전압 강하를 각 0.7V로 설정하면 직렬 도통 시 총 1.4V의 전압 강하가 발생합니다. 다이오드 순방향 전압 강하를 반영하여 평활 커패시터 양단에 충전되는 직류 피크 전압은 식 (2)와 같이 정의합니다.
식 (2)에 따라 다이오드 전압 강하 1.4V를 차감하면 평활 커패시터 양단의 직류 피크 전압은 309.73V입니다. 150W급 LED 조명 부하는 정류기 후단에서 직류 전력을 지속적으로 소비하므로 정류기 출력단은 연속적인 부하 전류를 공급해야 합니다. 커패시터 입력형 정류기는 커패시터가 충전된 이후 다이오드가 역바이어스되어 차단되므로 부하 전류의 공급 메커니즘을 정밀하게 해석해야 합니다.
직류 출력 전압과 평활 커패시터 용량 계산
커패시터 입력형 정류기에서 직류 출력 전압은 피크 전압으로 급속 충전된 후 다이오드가 차단되는 구간 동안 부하 저항을 통해 방전하며 전압 강하를 겪습니다. LED 구동 회로의 정격 소비 전력이 150W이고 직류 출력 평균 전압을 300V 수준으로 유지할 때 요구되는 직류 부하 전류는 식 (3)으로 산정합니다.
식 (3)에서 정격 전력 150W와 평균 전압 300V를 대입하면 직류 부하 전류는 0.50A로 계산합니다. 전파 정류 회로에서 입력 교류 주파수가 60Hz일 때 정류 맥동 주파수는 2배인 120Hz가 되며 이에 따른 반주기 방전 시간은 약 8.33ms입니다. 허용 리플 전압을 직류 피크 전압의 약 6.45% 수준인 20V 이내로 제한하기 위한 평활 커패시터의 최소 정전용량 계산식은 식 (4)와 같습니다.
식 (4)에서 부하 전류 0.50A, 주파수 60Hz, 허용 리플 전압 20V를 대입하여 계산하면 최소 요구 커패시터 용량은 약 208.33μF입니다. 실무 회로 설계에서는 부품의 표준 공칭 정격과 정전용량 공차, 경년 변화에 따른 용량 감소를 고려하여 220μF 이상의 알루미늄 전해 커패시터를 선정합니다. 공칭 용량 220μF을 적용할 경우 실제 직류 출력단의 리플 전압은 약 18.94V로 억제되어 설계 기준을 충분히 만족합니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.