1N5404 - 3.0 A rectifier와 돌입전류 제한 방법

내가 직접 돈을 주고 구입한 정류용 다이오드는 1N4007이 전부이다. 1.0 A, 1000 V를 흘릴 수 있는 매우 평범한 부품이다. 키트나 완제품 보드를 사면서 다른 종류의 정류용 다이오드를 접한 적이 당연히 여러 차례가 있었다. 그러나 부품의 형번을 직접 기억하면서 구입을 했던 다이오드는 1N4007이 전부였다.

다음 그림은 며칠 전에 만든 배전압 정류 모듈이다. 말 그대로 hard-wiring 작품이다. 전원 트랜스포머의 13 V 출력을 높여서 히터에 25 V를 공급해야 하는 진공관(43 power pentode)을 작동시키기 위하여 만들었다. 배전압 회로를 거치면 히터를 연결해도 25 V를 훨씬 넘는 전압이 걸리므로 어떻게든 저항을 넣어서 전압을 낮추어야 한다.

빨강 삼각형 위치에 2 Ohm 저항을 넣으면 출력부에 저항을 추가하지 않고 23.5~23.9 V가 얻어진다. 저항 양단에 걸리는 전압은 2.59 V이므로 2.59 / 2 = 1.295 (A)가 흐른다. 저항에서 소모되는 전력은 3.35 W이다. 1 Ohm 저항을 삽입하면 히터에는 27.5 V가 걸린다(110%). 1.5 Ohm이면 딱 좋을텐데!

위에 보인 회로도에서 보통 빨강 삼각형 자리에 돌입전류(inrush current)를 제한하기 위한 저항을 넣게 된다. 그러나 이 위치에는 내가 보유한 아무리 작은 용량의 저항 - 4.1 Ohm까지 테스트 - 을 넣어도 전압이 너무 많이 떨어지는 것이었다. 그래서 정류회로의 출력단에 합성 저항을 연결하여 원하는 전압을 얻는 데에는 성공을 하였다.

1500 uF 캐패시터라면 적은 용량이 아니다. 저음 전기가 들어올 때 돌입 전류가 발생할 것은 당연하다. 그러면 1N4007에 무리가 가지 않을까? 이보다 더 높은 전류를 허용하는 정류 다이오드를 써야 하지 않을까? 그런 생각에 1N5404를 구입하게 된 것이다.

1N5404는 3.0 A, 400 V를 견디는 다이오드이다. 1N5407(800 V)를 사는 것이 더 낫지 않았을까 하는 아쉬움이 남는다. 이보다 정격이 더 높은 다이오드는 6A10이라는 것이 있다. 6 A, 1000 V를 견디는 막강한 다이오드인데 가격은 월등히 비싸다.

(엘레파츠 1개 가격) 1N4007: 20원, 1N5404: 70원, 6A10: 140원

1.0 A/3.0A/6.0 A는 I_F(forward current)를 의미한다. 다이오드가 견딜 수 있는 순간 전류에 해당하는 정격은 아니다. 이에 해당하는 것은 무엇일까? I_FSM(peak forward surge current)가 이에 해당할 것 같다. 이 파라미터는 파형의 종류와도 관계가 있다. 60 Hz(8.3 ms)의 사인파를 견디는 각 다이오드의 능력을 데이터시트에서 찾아보았다. Square wave에는 좀 더 높은 수치를 견딘다.

I_FSM 1N400X: 30 A, 1N540X: 200 A, 6A0X: 400 A

가녀린 다이오드라고 생각했는데 1N400X도 무려 30 A를 견딘다. 맨 위에서 소개한 회로도에서 30 A를 넘는 돌입 전류가 발생할 것 같지는 않다(근거가 있는 것은 아니다. 순전히 개인적인 생각!). 다시 생각을 해 보니, 돌입 전류는 정류 다이오드가 아닌 회로의 다른 곳에 트러블을 발생할 가능성이 더 크다. 이 경우에는 복잡한 논리회로가 아니라 진공관의 히터가 연결되는 것이 전부이다. 별로 문제가 발생할 여지는 없다.

돌입전류를 설정치 이하로 줄이기 위해 삽입할 저항의 크기는 다음의 사이트에서 계산할 수 있다. 저항이 전혀 없을 때 돌입 전류는 얼마나 흐를까? 이것은 내 지식으로는 계산하기가 너무 어렵다.

https://www.ametherm.com/inrush-current/calculators

돌입 전류를 10.6 A이하로 제한하려면 2 Ohm 저항을 넣으면 된다. 오늘 구입한 5 W 시멘트 저항 중 가장 작은 값의 것에 해당한다.

실험 결과 - 25 V 만들기

정류 후 전류를 목표치로 낮추기 위하여 저항을 삽입하는 경우라면 전원 트랜스포머와 배전압 정류회로 사이에 넣는 것이 돌입 전류의 제한 측면에서도 유리할 것이다. 실험을 해 본 결과 이 위치에 1.5~2 Ohm 정도의 저항을 넣으면 된다는 결론을 내렸다. 문제는 발열이다. 2 Ohm/5 W 저항 하나를 쓰는 경우 계산 상으로는 3.35 W를 소모하게 되는데, 손을 대기 어려울 정도로 뜨겁다. 시멘트 저항은 일종의 권선 저항으로서 사용온도 범위는 -40°C~ +155°C라고 한다(바로전자 웹사이트). 5 W 저항의 경우 120% 구동 조건에서는 최대 90°C까지 온도가 올라가는 것으로 되어있다. 따라서 큰 문제는 없다. 그러나 주변에 열에 민감한 부품이 배치되지 않도록 신경을 써야 할 것이다.

출처: 바로전자

발열에 신경이 쓰인다면 와트 수가 높은 저항을 택하면 된다. 또는 여러개의 저항을 연결하여 같은 저항값이 나오게 만들면 발열을 분산시키는 효과가 있다. 예를 들어 2 Ohm 저항을 두 개 병렬로 연결한 것을 두 개 만들어서 이를 직렬로 연결하면 합성 저항은 2 Ohm이 되고, 저항 하나의 발열량은 1/4이 된다. 실제로 이렇게 해 보았는데 모양새가 좀 우스웠다.