정류 회로에서 가장 주의해야 하는 것은 평활 커패시터의 선택이다. 여기에는 크기당 용량을 가장 크게 할 수 있는 알루미늄 전해 커패시터를 주로 사용한다. 전해 커패시터는 간단한 구조의 부품이지만, 제대로 사용하지 않으면 직류 전원의 특성이 나오지 않거나, 커패시터가 파손 될 수 있기 때문에 주의 해야 한다.
또 급격하게 파손되지는 않아도 짧은 시간에 정전용량이 감소되어 수명이 짧아지는 경우도 있다. 전원 장치의 신뢰성은 전해 콘덴서에 의해 결정된다고 해도 과언이 아니므로, 사용방법을 충분히 숙지해 두어야 한다.
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커패시터의 전압 정격
커패시터의 내압은 정류, 평활 후 리플 전압의 피크값 이상이어야 하기 때문에, 트랜스의 권선 전압을 \( \sqrt{2} \)로 한 전압을 선정한다. 물론 이때는 입력 전압의 변동값을 고려해야 해야 한다.
| Maximum VA rating | Regulation(%) |
| 10 | 35 |
| 15 | 25 |
| 30 | 17 |
| 50 | 15 |
| 70 | 12 |
| 100 | 9.5 |
| 200 | 7 |
| 300 | 6 |
| 500 | 3.8 |
| 1000 | 2.5 |
또한 트랜스에 표시되어있는 단자 전압은 정격 전류를 흐르게 했을 때의 것으로, 전류가 감소하면 전압값이 상승하기 때문에 주의가 필요하다. 이것은 트랜스 권선의 저항에 따른 전압 강하가 있기 때문이며, 그 비율을 변동률이라 하고 \( \varepsilon\)로 표시하고 있다.
트랜스의 정격 전압을 \( \varepsilon\), 입력 전압의 변동을 \(\pm \alpha %\)로 하면 커패시터의 내압 \(V_{C}\)는 \(V_{C}\geq \varepsilon \times \frac{100+\alpha }{100}\times \sqrt{2}\varepsilon\)이어야 한다. 전해 커패시터에 연속하여 인가되는 내압을 Working Volt(WV)라고하며, WV의 약 1.3배를 서지 전압에 대한 상한값으로 고려하여 선정한다.
커패시터는 인가 전압에 따라 수명이 줄어든다. 이것은 커패시터 자체의 누설 전류에 의해 자체 발열이 됮기 때문인데, 인가 전압이 커패시터의 내압 정격을 넘지 않더라도 정격 저감(derating)하여 신뢰성 수명을 고려하여 선정한다. 최근의 전해 커패시터는 누설전류가 무시할 수 있을 정도로 작은 것이 많이 사용되고 있으므로, 누설전류가 작은 제품을 선정하는 것도 방법이다.
커패시터의 정전 용량
가능한 소형의 커패시터를 사용하는 것이 비용 측면에서 좋지만, 너무 작은 용량의 커패시터는 정류 출력의 리플전압이 증가하게 된다. 평활 커패시터의 용량을 구하는 가장 일반적인 방법은 O.H. Schade의 그래프를 이용하는 것이다.
먼저 정류 후의 등가 부하 저항 \(R_{L}\)을 구한다. 이때의 정류 전압 \(V_{O}\)는 전압 파형의 왜곡, 정류 다이오드의 순방향 전압 강하, 리플 전압을 고려하여 그 평균값을 구하기 위한 계수를 0.9로 하여 곱한다.
즉 \(V_{O}=\tilde{e}\times \sqrt{2}\times 0.9\)가 된다.
직류 전류 \(I_{O}\)는 일반적인 레귤레이터에서는 출력 전류 \(I_{O}\)이기 때문에 \( R_{L}=\frac{V_{O}}{I_{O}} \)가 된다.
다음에 \(\frac{R_{S}}{R_{L}}\)을 구한다. \(R_{S}\)는 정류 회로의 라인 임피던스로, 대부분이 트랜스의 권선저항 정도이다. 트랜스는 변동률 (\\varepsilon\)이 정격으로부터 대략적으로 알려져 있기 때문에 무부하시의 정류 전압 \({V_{O}}’ \)는 \(V_{O}’=\left [ 1+\frac{\varepsilon }{100} \right ]\times V_{O}\)로 구할 수 있다.
따라서 트랜스의 권선 저항 \(R_{S}\)에 따른 전압 강하는 \({V_{O}}’ – V_{O}=I_{O}R_{S}\)가 되기 때문에 \(R_{S}=\frac{\varepsilon}{100}\frac{V_{O}}{I_{O}}\)로 구할 수 있다
예를 들어 O.H. Schade의 표에서 세로축 전압변동률이 90(-10%)일 때, 가로축 \(\omega CR_{L}=10\)이상이다. 전원주파수 60Hz, 출력전압 \(V_{O}=15V\), 출력전류 \(I_{C}=3A\)일 경우 커패시터의 용량 \(C=\frac{10}{2\pi\times 60 \times 5}=5,300uF\)이상이 되어야한다.
전해 커패시터의 허용 리플 전류
전해 커패시터의 리플 전류 값 \(I_{r}\)의 허용값은 커패시터의 순저항에 의해 발생하는 손실로, 온도가 10℃상승 할 때 마다 수명이 반감된다.
전해 커패시터는 일반적으로 85℃, 고온용 105℃를 사용온도 한계로 가지며, 통상 최대 2000시간 정도의 동작 밖에 보증되어 있지 않다. 따라서 85℃의 것을 55℃로 사용하면 수명 \(T=2000\times 2^{(85-55)/10}=16000\)시간으로, 연속하여 사용하면 2년 정도 밖에 사용할 수 없다. 따라서 커패시터의 신뢰성 수명이 중요한 경우에는 가능한 리플 전류 허용치가 높은 고온의 제품을 사용하며, 자체 발열 및 주위의 열로부터 방열 할 수 있도록 하는 것이 중요하다.
허용 리플 전류는 온도 및 주파수에 의해서도 변화한다. 일반적으로 datasheet에는 최고 온도 및 전파 정류의 120Hz에서의 값이 표시되어 있고, 아래와 같은 경감 계수를 적용 할 수 있다.
| Temp | 85 | 70 | 60 | 40 |
| Constant | 1.0 | 1.7 | 1.9 | 2.8 |
| Freq | 60 | 120 | 1000 | 10000 |
| Constant | 0.8 | 1.0 | 1.3 | 1.5 |
예를들어 Samwha의 450WV, 220uF, 35㎜ ,수명 3000시간의 HC 커패시터를 60℃, 120Hz에서 사용 할 경우,리플 전류 값 \(I_{r}=1.14\times 1.9 \times 1.0=2.1A\) 까지 흐르는 것이 가능 하다.
전원 장치에 사용하는 전해 커패시터는 이 허용 리플 전류의 조건에 따라 부품을 선정해야 하는 것이 중요하다.