[전기기능사 필기 8편] 비전공자도 단기합격! 2과목 전기기기 핵심 기출문제: 정류기와 전력용 반도체 완벽 정리

전기기능사 필기 정류기 핵심요약정리

 

안녕하세요. 티스토리 블로그를 통해 여러분의 전기기능사 합격을 돕고 있는 전기 달인입니다.

전기기능사 필기 단기 합격을 위한 17부작 시리즈의 여덟 번째 시간입니다. 오늘 다룰 주제는 2과목 전기기기 파트의 마지막을 장식하는 '정류기와 전력용 반도체'입니다.

발전소에서 만들어져 우리 집까지 들어오는 전기는 플러스와 마이너스가 계속 바뀌는 교류(AC)입니다. 하지만 우리가 사용하는 컴퓨터, 스마트폰, 그리고 전기자동차의 배터리 등 대부분의 전자기기는 직류(DC)를 필요로 합니다. 교류를 직류로 바꾸어 주는 기기를 '정류기(Rectifier)'라고 하며, 이 변환 과정의 핵심 부품이 바로 전력용 반도체 소자입니다.

시험에서는 다이오드와 SCR 같은 반도체 소자의 고유한 특성, 그리고 교류 전압을 입력했을 때 출력되는 직류 전압의 크기를 계산하는 문제가 반드시 출제됩니다. 오늘 엄선한 3개의 핵심 기출문제와 원리를 상세하게 파헤쳐 보면서, 정류기 파트에서 주어지는 점수를 확실하게 챙겨가시기 바랍니다.

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1. 실리콘 제어 정류기(SCR)와 전력용 반도체의 역할

가장 기본적인 반도체 소자인 '다이오드(Diode)'는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합하여 만듭니다. 다이오드는 한쪽 방향으로만 전류를 통과시키는 훌륭한 정류 특성이 있지만, 전류가 흐르는 시점을 사람의 마음대로 제어할 수는 없다는 단점이 있습니다. 이를 극복하기 위해 다이오드에 '문지기' 역할을 하는 단자를 하나 더 추가한 것이 바로 SCR(Silicon Controlled Rectifier)입니다.

• SCR의 구조: P-N-P-N 4층 구조로 이루어져 있으며, 애노드(Anode), 캐소드(Cathode), 게이트(Gate)라는 3개의 단자를 가집니다.
• SCR의 제어 특성: 게이트 단자에 전기적 신호(펄스)를 주어야만 비로소 애노드에서 캐소드로 전류가 흐르기 시작합니다. 단, 전류의 방향을 바꿀 수는 없는 **'단방향 제어 소자'**입니다. 역방향으로는 전류가 흐르지 못합니다.
• 전력 변환기의 명칭 구분:
  • 컨버터(Converter) 및 정류기: 교류(AC)를 직류(DC)로 변환
  • 인버터(Inverter): 직류(DC)를 교류(AC)로 변환
  • 초퍼(Chopper): 직류(DC)를 전압이 다른 직류(DC)로 변환
  • 사이클로컨버터(Cycloconverter): 교류(AC)를 주파수가 다른 교류(AC)로 변환

[엄선 기출문제 1] Q. 실리콘 제어 정류기(SCR)에 대한 설명으로 틀린 것은?

1. 정류 작용을 할 수 있다.
2. 정방향 및 역방향의 제어 특성이 있다.
3. P-N-P-N 구조로 되어 있다.
4. 인버터 회로에 이용될 수 있다.

정답: 2번 (정방향 및 역방향의 제어 특성이 있다.) 상세 해설: SCR은 전류가 한쪽 방향(애노드에서 캐소드 방향)으로만 흐를 수 있도록 제어하는 '단방향' 소자입니다. 역방향 전압이 인가되면 게이트에 신호를 주더라도 전류가 흐르지 않으므로, 역방향 제어 특성이 있다는 2번 보기는 명백히 틀린 설명입니다. 양방향 제어가 가능한 소자는 트라이액(TRIAC)이라고 부릅니다. 또한, SCR은 인버터와 같은 전력 변환 장치의 핵심 부품으로 널리 쓰이며, P-N-P-N 4층 구조라는 사실도 자주 출제되니 보기의 나머지 내용도 모두 암기해 두십시오.

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2. 정류 회로별 직류 전압 계산 공식 (상수 암기법)

교류 전압(E)을 정류기에 통과시키면 직류 전압(Ed)이 출력됩니다. 이때 교류 파형을 얼마나 버리지 않고 살려내느냐에 따라 출력되는 직류 전압의 크기가 달라집니다. 파형의 절반만 살리는 반파 정류와, 전체를 모두 살려내는 전파 정류의 전압 변환 상수(계수)를 암기하는 것이 이 파트 계산 문제의 핵심입니다.

• 단상 반파 정류: 교류 파형의 절반만 직류로 변환합니다. 변환 상수는 0.45입니다. (Ed = 0.45 × E)
• 단상 전파 정류: 브리지 다이오드 등을 사용하여 버려지는 밑부분 파형까지 위로 끌어올려 모두 직류로 변환합니다. 효율이 두 배로 늘어나 변환 상수는 0.90입니다. (Ed = 0.90 × E)
• 3상 정류 회로: 3개의 교류 상을 사용하므로 훨씬 높은 직류 전압을 얻을 수 있습니다.
  • 3상 반파 정류: Ed = 1.17 × E
  • 3상 전파 정류: Ed = 1.35 × E

[엄선 기출문제 2] Q. 단상 반파 정류회로의 전원 전압이 200[V], 부하 저항이 20[Ω]이면 부하 전류는 약 몇 [A]인가?

1. 4
2. 4.5
3. 6
4. 6.5

정답: 2번 (4.5) 상세 해설: 이 문제는 정류 전압을 구하는 공식과 옴의 법칙을 결합한 훌륭한 복합 문제입니다. 첫째, 입력된 교류 전압 200[V]를 '단상 반파 정류' 했을 때 나오는 직류 출력 전압(Ed)을 구해야 합니다. 단상 반파의 상수는 0.45이므로, Ed = 0.45 × 200 = 90[V]가 됩니다. 둘째, 구한 직류 전압 90[V]가 20[Ω]의 저항에 인가되었을 때 흐르는 전류(I)를 구하기 위해 옴의 법칙 I = V / R 을 적용합니다. 90 / 20 을 계산하면 4.5[A]가 도출됩니다. 만약 문제에서 '단상 전파 정류'라고 주어졌다면 상수가 0.9가 되어 전압은 180[V]가 되고 전류는 9[A]가 정답이 되었을 것입니다. 어떤 정류 방식인지를 가장 먼저 확인하는 습관을 들이십시오.

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3. 맥동 주파수와 리플 (직류에 섞여 있는 교류의 찌꺼기)

정류기를 거쳐 나온 직류는 완벽한 일직선의 순수한 직류가 아닙니다. 파도처럼 꿀렁거리는 찌꺼기가 남아있는데, 이를 맥동(Ripple)이라고 부릅니다. 시험에서는 입력되는 교류의 주파수가 f[Hz]일 때, 정류된 출력파형이 1초에 몇 번 꿀렁거리는지를 나타내는 '맥동 주파수'를 묻는 문제가 빈출됩니다.

• 단상 반파 정류: 1주기에 1번 꿀렁거립니다. 맥동 주파수 = f (입력 주파수와 동일)
• 단상 전파 정류: 1주기에 2번 꿀렁거립니다. 맥동 주파수 = 2f (입력 주파수의 2배)
• 3상 반파 정류: 3개의 상이 교차하며 3번 꿀렁거립니다. 맥동 주파수 = 3f
• 3상 전파 정류: 가장 촘촘하게 6번 꿀렁거립니다. 맥동 주파수 = 6f

이처럼 상이 많아지고 전파 정류를 사용할수록 꿀렁거리는 간격이 촘촘해지며 평탄한 고품질의 직류에 가까워지게 됩니다.

[엄선 기출문제 3] Q. 60[Hz] 3상 반파 정류회로의 맥동 주파수 [Hz]는?

1. 60
2. 120
3. 180
4. 360

정답: 3번 (180) 상세 해설: 맥동 주파수의 공식을 그대로 대입하여 1초 만에 풀 수 있는 기출문제입니다. 문제에서 주어진 조건은 '3상'이고 '반파 정류'입니다. 앞서 정리한 공식에 따르면 3상 반파 정류의 맥동 주파수는 입력 주파수의 3배인 3f가 됩니다. 입력 주파수 f가 60[Hz]이므로, 60 × 3 = 180[Hz]가 정답입니다. 만약 3상 전파 정류였다면 6f를 적용하여 60 × 6 = 360[Hz]가 정답이 됩니다. 각 정류 방식이 가지는 배수(1배, 2배, 3배, 6배)를 반드시 메모장에 적어두고 완벽하게 숙지하시기 바랍니다.

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1분 마무리 요약 노트

1. 전력 반도체 소자: SCR은 PNPN 4층 3단자 구조로 이루어진 단방향 제어 정류 소자입니다. 직류를 교류로 바꾸는 장치는 인버터, 교류를 직류로 바꾸는 장치는 컨버터입니다.
2. 직류 전압 변환 상수: 입력 교류 전압에 상수를 곱해 직류 전압을 구합니다. 단상 반파(0.45), 단상 전파(0.90), 3상 반파(1.17), 3상 전파(1.35)를 기계적으로 암기하십시오.
3. 맥동 주파수 배율: 정류 후 출력되는 파형의 꿀렁거림 횟수입니다. 단상 반파(1배), 단상 전파(2배), 3상 반파(3배), 3상 전파(6배)로 갈수록 고품질의 직류가 됩니다.

오늘 다룬 정류기와 반도체 소자를 끝으로, 2과목 전기기기의 모든 굵직한 핵심 테마들을 마스터하셨습니다. 전기기기 과목은 처음 접할 때 용어가 낯설어 진입 장벽이 높지만, 원리와 수식을 분리해서 정리해 두면 가장 안정적으로 점수를 획득할 수 있는 효자 과목이기도 합니다.

이론을 학습하시다가 혼동되는 수식이나 잘 안 풀리는 기출문제가 있다면 언제든지 아래 댓글을 통해 질문을 남겨주십시오. 전기 달인이 가장 명쾌하고 논리적인 해설을 제공해 드리겠습니다. 언제나 여러분의 단기 합격을 진심으로 응원합니다.