제2장 다이오드와 그 응용
2.1 다이오드의 동작
◉ 다이오드(Diode)
- 그림 2.1(a)와 같이 다이오드는 pn접합에 금속단자를 접촉하고 리드선을 연결
⇒ 그림 2.1(b)는 일반적인 다이오드의 도식적 기호를 표시
⇒ p영역은 양극(anode) 단자, n영역은 음극(cathode) 단자
⇒ 화살표는 순방향 전류의 방향을 표시
A (Anode)
K (Cathode)
(a) 기본 구조 (b) 기호
음극 공핍영역
금속 단자 양극
그림 2.1 다이오드의 구조와 기호
◉ 순방향 바이어스(Forward Bias)
- 그림 2.3과 같이 다이오드의 p영역에 (), n영역에 ()의 전압 를 인가
⇒ 바이어스 전압 는 장벽전위보다 크게 인가, 0.7V
⇒ 순방향 바이어스(forward bias)
- 그림 2.3에서 저항 는 과전류에 의한 pn접합의 파괴를 막기 위한 제한저항
p영역 n영역 금속단자와 배선
그림 2.3 순방향 바이어스 회로
- 그림 2.4는 순방향 바이어스를 인가한 경우 전자와 정공의 이동 상태를 표시
⇒ n영역의 전자들은 ()전압에 밀려 접합면을 넘어 p영역으로 이동
⇒ p영역으로 이동한 전자들은 에너지를 잃고 가전자대의 정공과 결합
⇒ 가전자대의 전자들은 ()전압에 끌려 p영역의 왼쪽 끝으로 이동
⇒ 전자의 이동과 반대로 정공들은 접합면을 향해 오른쪽으로 이동
⇒ 전원의 음의 단자를 통해 전자들은 n영역으로 계속해서 공급
⇒ 전자의 흐름은 전자전류, 정공의 흐름은 정공전류를 형성
공핍영역
p영역 n영역
그림 2.4 순방향 바이어스 시 다수캐리어의 이동
- 그림 2.5(b)와 같이 순방향 바이어스를 인가하면 공핍영역 내로 전자들이 공급
⇒ n영역의 양이온들은 전자와 재결합하여 도너원자로 환원
⇒ p영역의 음이온들은 전자를 잃고 억셉터원자로 환원
⇒ 접합부 근방의 이온층이 감소하여 공핍영역이 축소
공핍영역
(a) 바이어스가 없는 경우 (b) 순방향 바이어스를 인가한 경우
공핍영역
그림 2.5 순방향 바이어스를 인가할 경우의 공핍영역
- 순방향 바이어스를 인가하면 n영역의 전자들이 전위장벽을 넘어 p영역으로 이동
⇒ 전자가 공핍영역을 통과할 때 장벽전위와 같은 양의 에너지를 손실
⇒ pn접합에서 장벽전위(0.7V)와 같은 크기의 전압강하가 발생
- 반도체 내부의 동적저항(dynamic resistance)으로 인해 추가적인 전압강하 발생
2.1 다이오드의 동작 17
◉ 역방향 바이어스(Reverse Bias)
- 역방향 바이어스는 본질적으로 다이오드를 통해 흐르는 전류를 차단하는 조건
⇒ 그림 2.6과 같이 p영역에 (), n영역에 ()의 전압 를 인가
⇒ 역방향 바이어스(reverse bias)
p영역 n영역
그림 2.6 역방향 바이어스 회로
- 그림 2.7은 역방향 바이어스를 인가한 경우 전자와 정공의 이동 상태를 표시
⇒ ()전압에 끌려 접합면 부근의 전자들이 ()단자 쪽으로 이동
⇒ n영역의 도너원자들은 전자를 잃고 도너이온(양이온)으로 전이
⇒ 전압원의 ()단자로부터 전자들이 p영역의 가전자대로 유입
⇒ 가전자들은 정공에서 정공으로 접합부(공핍영역) 쪽으로 이동
⇒ 공핍영역 부근의 억셉터원자와 결합하여 억셉터이온(음이온)을 생성
⇒ 접합부를 중심으로 이온층이 증가하여 공핍영역이 확대
⇒ 가전자들의 흐름과 반대로 정공은 ()단자 쪽으로 이동
공핍영역
p영역 n영역
그림 2.7 역방향 바이어스 시 다수캐리어의 이동
- 그림 2.8과 같이 공핍영역이 확대되면서 캐리어인 전자와 정공의 이동이 감소
⇒ 이온층의 전계는 공핍영역 양단의 전위가 와 같아질 때까지 증가 - p영역의 소수캐리어인 전자는 () 바이어스 전압에 밀려서 공핍영역으로 이동
⇒ 에너지 언덕을 내려와 가전자로서 n영역의 소수캐리어 정공과 결합
⇒ () 바이어스 단자 쪽으로 이동하면서 작은 정공전류를 생성
⇒ p영역과 n영역의 소수캐리어에 의한 약간의 역전류만 존재
공핍영역
p영역 n영역
그림 2.8 역방향 바이어스된 다이오드의 역전류
•역방향 항복(Reverse Breakdown)
- 역방향 바이어스가 한계전압 이상이 되면 원자의 공유결합이 연쇄적으로 파괴
⇒ 급격히 자유전자가 증가하여 과도한 전자전류를 생성
⇒ 전자사태항복(avalanche breakdown)
- 전자사태항복 현상이 발생하기 시작하는 시점의 역방향 바이어스 전압
⇒ 항복전압(breakdown voltage)
- 전자사태항복이 시작되면 급격한 자유전자의 증가로 역방향 단락 상태에 도달
⇒ 다이오드는 큰 역방향 전류로 인한 심한 열 손상 때문에 파손
2.2 다이오드의 전압-전류 특성 19
2.2 다이오드의 전압-전류 특성
◉ 순방향 바이어스 시 V-I 특성
- 그림 2.9와 같이 다이오드에 순방향 바이어스를 인가하면 순방향 전류가 발생
⇒ 회로의 저항은 전류의 크기를 제한하여 다이오드의 손상을 방지
⇒ 그림 2.9(a)와 같이 를 점차 증가시키면 와 도 증가
⇒ 그림 2.9(b)와 같이 (0.7V)가 되면 는 급격히 증가
⇒ 가 계속 증가해도 다이오드의 순방향 전압은 0.7V로 일정
(a) 순방향 전압 0.7V
(b) 순방향 전압 0.7V
0.7V
그림 2.9 순방향 바이어스를 인가한 경우의 측정 결과
- 그림 2.10은 순방향 바이어스를 인가했을 때의 전압-전류 특성 곡선을 표시
⇒ 가 곡선의 변곡점인 0.7V에 이르기까지 는 미소 증가
⇒ 0.7V가 되면 순방향 전류 는 급격히 증가
⇒ 동적저항에서의 전압강하로 인해 는 0.7V보다 약간 증가
- 그림 2.10(a)에서 점 A는 바이어스 전압 0V인 바이어스 조건을 표시
⇒ 점 B는 0.7V, 점 C는 ≥0.7V의 순방향 바이어스 상태 - 그림 2.10(b)는 동적저항을 설명하기 위한 그림 2.10(a)의 확대 그래프를 표시
⇒ 다이오드의 동적저항은 에 대한 의 변화의 비,
⇒ 동적저항은 변곡점 아래에서 극대, 변곡점 이상에서 극소
C
변곡점 0.7V
[mA]
0 0
A B
[mA]
(a) V-I 특성 곡선 (b) 그림 (a)의 곡선 부분 확대도 그림 2.10 순방향 바이어스된 다이오드의 전압-전류 관계
◉ 역방향 바이어스 시 V-I 특성
- 그림 2.11과 같이 역방향 바이어스를 증가시키면 역방향 전압 이 증가
⇒ 이 항복전압 에 이르기 전까지 역전류 은 미소
⇒ 이 되면 역방향 전류 이 급격히 증가
- 역방향 바이어스 전압 를 계속 증가시켜 이 보다 증가,
⇒ 큰 역방향 전류 이 발생하여 다이오드는 과열되어 파손
[A]
0
0
변곡점
그림 2.11 역바이어스 시의 V-I 특성곡선
- 다이오드의 항복전압 은 일반적인 정류 다이오드의 경우에 50V 이상
⇒ 제너 다이오드와 같은 특수 다이오드의 경우에는 5V 정도
2.2 다이오드의 전압-전류 특성 21
◉ 완전한 V-I 특성곡선
- 그림 2.12는 순방향 및 역방향 바이어스 시의 전압-전류 특성곡선을 표시
⇒ 순방향 전류 는 [mA], 역방향 전류 은 [A]
0.7V
[A]
0
변곡점
[mA]
장벽전위
바이어스순방향
바이어스역방향
그림 2.12 다이오드의 V-I 특성곡선
- 그림 2.13은 온도의 변화에 따른 다이오드의 V-I 특성 곡선의 변화를 표시
⇒ 청색 곡선은 상온 25°C, 적색 곡선은 25°C에서의 특성곡선
⇒ 온도가 증가하면 장벽전위가 감소하여 순방향 전압은 감소
⇒ 온도가 증가하면 순방향 전류 및 역방향 전류는 증가
0.7V
[A]
0
[mA]
25°C
25°C
1A 1mA
0.7
그림 2.13 V-I 특성곡선의 온도 효과
2.3 다이오드의 등가모델
◉ 다이오드의 바이어스
- 그림 2.14(a)와 같이 전압원이 연결되었을 때 다이오드는 순방향 바이어스 상태
⇒ 전압원의 ()단자를 양극(A)에 연결, ()단자를 음극(K)에 연결
⇒ 다이오드의 양극(A)에서 음극(K)으로 순방향 전류 가 형성
⇒ 다이오드에 장벽전위로 인한 순방향 전압강하 가 발생
(a) 순방향 바이어스
0
(b) 역방향 바이어스 그림 2.14 다이오드의 순방향 및 역방향 바이어스
- 그림 2.14(b)와 같이 전압원이 연결되었을 때 다이오드는 역방향 바이어스 상태
⇒ 전압원의 ()단자를 음극(K)에 연결, ()단자를 양극(A)에 연결
⇒ 역방향 전류는 ≃0으로 매우 작기 때문에 무시 가능
⇒ ≃이므로 다이오드의 역방향 전압강하는 ≃
2.3 다이오드의 등가모델 23
◉ 다이오드의 근사해석
•이상 다이오드 모델
- 다이오드를 이상적인 전자스위치로 간주하고 회로의 동작이나 원리를 해석
⇒ 그림 2.15(a)와 같이 순방향 바이어스시 단락스위치(ON)로 동작
⇒ 그림 2.15(b)와 같이 역방향 바이어스시 개방스위치(OFF)로 동작
⇒ 장벽전위(0.7V), 순방향 동적저항(내부저항), 역전류는 무시 - 그림 2.15(c)는 이상적인 다이오드 모델의 전압-전류(V-I) 특성곡선을 표시
⇒ 장벽전위 0.7V와 순방향 동적저항 는 무시, 0A
⇒ 다이오드의 순방향 전압강하는 0V
ON OFF
A K
(a) 순방향 바이어스
(b) 역방향 바이어스 (c) 이상적인 V-I 특성곡선
0
0
A K
그림 2.15 이상적인 다이오드 모델
- 순방향 전류 는 제한저항 와 바이어스전압 에 의해 식 (2.1)로 결정
⇒ 역방향 전류는 무시, ≃0A
(2.1)
- 다이오드의 역방향 전압강하는 바이어스 전압과 동일, ≃
•실용 다이오드 모델
- 이상 다이오드 모델에서 장벽전위에 대응하는 전압강하(0.7V)를 고려한 모델
⇒ 순방향 바이어스시 단락스위치와 장벽전위의 직렬접속으로 표시
⇒ 역방향 바이어스시 이상적인 모델과 같이 개방스위치로 취급 - 그림 2.16(c)는 실용 다이오드 모델에 대한 전압-전류(V-I) 특성곡선을 표시
⇒ 장벽전위 0.7V는 포함되고 순방향 내부저항 는 무시
⇒ 다이오드의 순방향 전압강하는 0.7V
(a) 순방향 바이어스 (b) 역방향 바이어스 (c) V-I 특성곡선
A
K
0
A K
ON OFF
0.7V
그림 2.16 실용 다이오드 모델
- 그림 2.16(a)에서 순방향 전류 는 KVL을 적용하여 식 (2.2)에 의해 결정
⇒ 이상적인 모델과 같이 역방향 전류는 무시, ≃0A
,
(2.2)
- 다이오드의 역방향 전압강하는 바이어스 전압과 동일, ≃
2.3 다이오드의 등가모델 25
•완전 다이오드 모델
- 그림 2.17과 같이 순방향 동적저항 , 역방향 동적저항 , 장벽전위로 구성
⇒ 순방향 바이어스시 장벽전위, 동적저항 , 단락스위치의 직렬접속
⇒ 역방향 바이어스시 동적저항 과 개방스위치의 병렬접속
⇒ 순방향 동적저항 는 극소, 역방향 동적저항 은 극대
- 그림 2.17(c)는 완전 다이오드 모델에 대한 전압-전류(V-I) 특성곡선을 표시
(a) 순방향 바이어스 (b) 역방향 바이어스
A
0.7V K
(c) V-I 특성곡선
A K
[A]
[mA]
0.7V
그림 2.17 완전 다이오드 모델
- 그림 2.17(a)에서 다이오드의 순방향 전압강하 는 다음 식에 의해 결정
- 순방향 전류 는 키르히호프의 전압법칙(KVL)을 이용하여 다음 식으로 유도
- 그림 2.17(c)에서 역방향 전류 은 수 A정도의 매우 작은 크기, ≃0A
⇒ 역방향 전압강하 은 이 주어지면 다음 식에 의해서 계산
,
【예제 2.1】(a) 각 다이오드의 모델에 대해 그림 2.18(a)의 다이오드에 대한 순방향 전압 과 전류를 구하고, 각 경우에 대해 제한저항 양단의 전압을 구하라. 단, 순방 향 내부저항 는 순방향 전류에서 10Ω으로 가정한다.
(a)
10V 1kΩ
(b)
10V 1kΩ
그림 2.18 예제 2.1의 회로
- 이상 다이오드 모델, 0V
V
× A mA
- 실용 다이오드 모델, 0.7V
V
× A mA
- 완전 다이오드 모델,
× A mA
× × V
V
2.3 다이오드의 등가모델 27
(b) 다이오드의 각 모델에 대해 그림 2.18(b)의 다이오드에 흐르는 역방향 전류와 전 압을 구하고, 각 경우에 대해 제한저항 양단의 전압을 구하라. 1A.
- 이상 다이오드 모델
A, V, V
- 실용 다이오드 모델
A, V, V
- 완전 다이오드 모델
A A
× V mV
V
■
2.4 반파 정류기
◉ 직류 전원공급장치
- 220[V], 60[Hz]의 교류전압을 직류전압으로 변환하여 전력을 공급하는 장치
⇒ 직류전원공급장치(DC power supply)
- 그림 2.19는 정류기, 필터, 레귤레이터를 포함하는 직류전원공급장치의 블록도
정류기
0 0
교류전압 정류된 파형 필터링된 파형 직류전압
직류전원공급장치
부 하
필터 레귤레이터
그림 2.19 정류기와 부하를 가진 직류 전원공급장치의 블록도
- 교류전압을 반파 또는 전파 정류된 맥류(脈流)의 직류전압으로 변환하는 장치
⇒ 정류기(rectifier)
- 정류된 전압에서 파동을 줄여 비교적 평탄한 직류전압으로 변환하는 장치
⇒ 필터(filter)
- 필터링된 전압을 평탄한 정전압, 즉 일정한 직류전압으로 변환하는 장치
⇒ 입력전압이나 부하의 변화에 대해서 전압을 일정하게 유지
⇒ 레귤레이터(regulator)
◉ 반파 정류기(Half-Wave Rectifier)
- 그림 2.2는 다이오드를 이용하여 사인파 전압이 반파 정류되는 과정을 표시
⇒ 다이오드는 교류전원과 부하저항을 연결하여 반파 정류기를 구성
⇒ 이상적인 다이오드 모델을 사용하여 출력전압에 대해 고찰
2.4 반파 정류기 29
(a) 반파 정류회로의 양()의 반주기 동안의 동작
(b) 반파 정류회로의 음()의 반주기 동안의 동작
(c) 입력의 3주기 동안의 반파 출력전압
0
A K
0 0
0
A K
0 0
그림 2.20 이상적인 다이오드 반파 정류기 회로의 동작
- 그림 2.20(a)와 같이 입력전압의 양의 반주기동안 다이오드는 순방향 바이어스
⇒ 순방향 바이어스 상태에서 다이오드의 순방향 전압 0
⇒ 부하저항 양단의 출력전압은 입력전압과 동일,
- 그림 2.20(b)와 같이 입력전압의 음의 반주기동안 다이오드는 역방향 바이어스
⇒ 0이므로 다이오드 양단의 역방향 전압
⇒ 부하저항 양단의 출력전압은 0
- 그림 2.20(c)와 같이 입력전압의 3주기 동안 출력전압은 맥동하는 직류전압
- 그림 2.21과 같이 반파 정류된 전압의 평균값은 파형의 면적을 주기로 나눈 값
⇒ 첨두값 에 대해 평균값 는 식 (2.3)으로 표시
0 2
면적
그림 2.21 반파 정류된 신호의 평균값
sin
cos
cos cos
⋅
(2.3)
【예제 2.2】그림 2.22와 같이 반파 정류된 파형의 평균값은 얼마인가?
50V
0V
그림 2.22 반파 정류된 파형
≒ V
■
◉ 반파 정류기의 출력에서 장벽전위의 영향
- 그림 2.5에서 실용 다이오드 모델을 적용할 경우, 즉 장벽전위 0.7V를 고려
⇒ 입력전압이 0.7V이상일 때 다이오드는 순방향 바이어스 상태
⇒ 출력전압의 첨두값은 입력전압의 첨두값보다 0.7V 작은 값
⇒ 출력전압의 첨두값은 식 (2.4)로 표시
0.7V (2.4)
0.7V
0
0.7V
0
2.4 반파 정류기 31
【예제 2.3】그림 2.24에 주어진 입력전압에 대해서 각 실리콘 정류기 회로의 출력전압의 파형을 그려라.
0 +5V
-5V
1N4001 1kΩ
(a)
0 +100V
-100V
1N4003
1kΩ
(b) 그림 2.24 예제 2.3의 회로
V V
V V
0 4.3V
(a)
0 99.3V
(b) 그림 2.25 그림 2.6의 회로에 대한 출력전압
■
◉ 최대 역전압(PIV)
- 그림 2.26에서 다이오드가 역방향 바이어스되었을 때 인가전압의 음의 첨두값
⇒ 최대 역전압(peak inverse voltage; PIV)
PIV (2.5)
-
0
에서 PIV
0
그림 2.26 다이오드가 역방향 바이어스되었을 때 PIV
◉ 변압기를 사용한 반파 정류기
- 그림 2.27와 같이 변압기는 전원전압을 필요에 따라 승압 또는 강압하는 장치
⇒ 변압기는 교류전원을 정류기 회로와 전기적으로 분리
F
그림 2.27 변압기를 사용한 반파 정류기
- 변압기의 2차측 전압은 1차측 전압과 권선비의 곱으로 계산 가능,
⇒ 1차측 권선수 , 2차측 권선수 , 권선비 일 경우
⇒ 이므로 식 (2.4)와 (2.5)에서 을 로 대체
0.7V(순방향), PIV(역방향)
【예제 2.4】그림 2.28에서 권선비가 0.5일 때 출력전압의 첨두값을 구하라.
1kΩ 2:1
0 156V
1N4002
F
그림 2.28 예제 2.4의 회로
V,
× V
V V
2.5 전파 정류기 33
2.5 전파 정류기
- 그림 2.29와 같이 전파 정류기는 입력의 반주기마다 맥동하는 직류전압이 출력
⇒ 양의 출력전압이 반파 정류에 비해 2배이므로 평균값도 2배
⇒ 전파 정류의 평균값 는 첨두값 의 63.7%(2/)
sin
cos
cos cos
⋅
(2.6)
0 전 파
정류기 0
그림 2.29 전파 정류 작용
【예제 2.5】그림 2.30에서 전파 정류된 전압의 평균값을 구하라.
0 15V
그림 2.30 예제 2.4의 파형
× V
■
◉ 중간탭 전파 정류기(Center-taped Rectifier)
- 그림 2.31과 같이 변압기의 2차 측에 중간탭을 달고 2개의 다이오드를 연결
⇒ 입력신호는 변압기를 통해 중간탭의 2차 측에 결합
⇒ 2차 전압의 반이 중간탭과 2차 권선의 양끝에 표시
CT
D1
D2
그림 2.31 중간탭 전파 정류기
D1
D2
0 0
F
(a) 양의 반주기 동안 D1은 순방향 바이어스, D2는 역방향 바이어스
(b) 음의 반주기 동안 D1은 역방향 바이어스, D2는 순방향 바이어스 D1
F
D2
0 0
그림 2.32 중간탭 전파 정류기의 기본 동작
2.5 전파 정류기 35
- 그림 2.32(a)에서 입력의 양의 반주기 동안 D1은 순방향, D2는 역방향 바이어스
⇒ 전류는 부하저항 을 통해 위쪽에서 아래쪽 방향으로 형성
- 그림 2.32(b)에서 입력의 음의 반주기 동안 D1은 역방향, D2는 순방향 바이어스
⇒ 전류는 부하저항 을 통해 위쪽에서 아래쪽 방향으로 형성
- 그림 2.33과 같이 변압기의 권선비가 1일 경우의 정류된 출력전압의 첨두값
⇒ 1차 전압의 첨두값의 반에서 다이오드의 전압강하를 뺀 전압
1:1
-
CT D1
D2
-
-
0 0
F
그림 2.33 변압기의 권선비가 1인 중간탭 전파 정류기
- 그림 2.34와 같이 권선비가 2인 변압기를 사용하면 출력전압은 입력전압과 동일
⇒ 2차 전압 가 1차 전압 의 2배이므로 중간탭에 의해 양분
⇒ 출력전압은 전체 2차 전압의 1/2에서 0.7V를 뺀 값
⇒ 중간탭 전파 정류기의 출력전압은 식 (2.7)로 표시
(2.7)
1:2
-
CT D1
D2
-
0 0
F
-
그림 2.34 변압기의 권선비가 2인 중간탭 전파 정류기
- 그림 2.35와 같이 다이오드 D1은 순방향, D2는 역방향 바이어스된 경우
⇒ D1의 최대 양극전압은
, D2의 경우는
⇒ D1의 음극전압은
이 되어 출력전압을 형성
⇒ D1의 양단에 걸리는 최대 역전압은 D2 양단의 전위차
D1
D2
F
-
그림 2.35 다이오드의 역전압
, ,
PIV
PIV (2.8)
2.5 전파 정류기 37
【예제 2.6】(a) 그림 2.36과 같이 첨두값이 100V인 사인파가 1차 권선에 인가되었을 때, 2차 권선의 1/2 양단과 양단에 나타나는 전압 파형을 그려라.
2:1
F
10kΩ
+100V 0 -100V
D1
1N4001
D2
1N4001 그림 2.36 예제 2.6의 회로
,
× V
V
0 +25V
-25V
0 +24.3V
그림 2.37 그림 2.36의 회로에 대한 출력전압
(b) 20%의 오차를 감안할 때, 다이오드의 최소 PIV는 얼마인가?
PIV × V
- 20% 이상의 오차를 고려한 다이오드의 PIV 정격은 49.3×1.2≒60V
■
◉ 전파 브리지 정류기(Full-Wave Bridge Rectifier)
- 그림 2.38(a)와 같이 입력전압의 양의 반주기 동안 D1, D2는 순방향 바이어스
⇒ 입력전압의 양의 반주기 동안 D3, D4는 역방향 바이어스 상태
⇒ D2→D1→로 구성된 회로를 통해 전류가 형성
- 그림 2.38(b)와 같이 입력전압의 음의 반주기 동안 D3, D4는 순방향 바이어스
⇒ 입력전압의 양의 반주기 동안 D1, D2는 역방향 바이어스 상태
⇒ D3→D4→로 구성된 회로를 통해 전류가 형성
⇒ 전파 정류된 전압이 양단에 출력
(a) 입력전압의 양의 반주기 동안의 동작
(b) 입력전압의 음의 반주기 동안의 동작
D1
D2 D4
0 F
D3
D1
D2
D4
D3
0 F
그림 2.38 전파 브리지 정류기의 동작
- 그림 2.39(a)와 같이 2차 전압의 양의 반주기 동안 D1, D2는 순방향 바이어스
⇒ 다이오드의 전압강하를 무시하면 출력전압의 첨두값은
⇒ 2차 전압의 음의 반주기 동안에도 동일한 특성 표시
- 그림 2.39(b)와 같이 다이오드의 전압강하를 고려하면 은 식 (2.9)로 표시
(2.9)
2.5 전파 정류기 39
D1
D2 D4
D3
0
F
(b) 실용 다이오드 모델 (a) 이상적인 다이오드 모델
0.7V 0
F
0.7V
그림 2.39 1차측 및 2차 전압의 양의 반주기 동안의 출력전압
(a) 이상적인 다이오드 모델
(b) 실용 다이오드 모델 D1
D2 D4
D3
F
0V
0V PIV
PIV
0V
0.7V F
0.7V PIV
PIV -0.7V
0V
그림 2.40 2차측 전압의 양의 반주기 동안의 PIV
- 그림 2.40(a)와 같이 D1, D2는 순방향, D3, D4는 역방향 바이어스인 경우
⇒ D1과 D2는 단락 상태, D3와 D4에는 최대 역전압(PIV)이 인가
⇒ 다이오드의 PIV는 2차 전압(출력전압)의 첨두값과 동일
⇒ PIV
- 그림 2.40(b)와 같이 다이오드의 전압강하를 고려한 경우의 다이오드의 PIV
⇒ 중간탭 정류기의 최대 역전압 PIV 보다 小
⇒ 중간탭 정류기의 PIV 정격의 1/2의 다이오드가 사용
PIV (2.10)
【예제 2.7】그림 2.41에서 브리지 정류기에 대한 출력전압을 구하라. 실용 다이오드 모 델의 실리콘 다이오드에서 요구되는 PIV 정격은 얼마인가? 변압기는 1차 전 압의 실효값은 120V이고, 2차 전압의 실효값은 12V이다.
120V
D1
D2 D4
D3
F
10kΩ
그림 2.41 예제 2.7의 회로
≒ V
V ⋯ (2.9) PIV V ⋯ (2.10)
■
2.6 전원공급장치의 필터와 레귤레이터 41
2.6 전원공급장치의 필터와 레귤레이터
- 그림 2.42는 정류된 전압의 변동을 줄이기 위한 필터회로의 블록도를 표시
⇒ 리플(ripple)은 필터 출력의 적은 양의 변화 성분을 표시
0 전 파
정류기 필 터 0
그림 2.42 전원공급장치의 필터
◉ 커패시터 필터(Capacitor Filter)
- 그림 2.43은 커패시터 필터와 부하저항을 가진 반파 정류회로의 동작을 표시
(b) 커패시터의 방전 구간 (다이오드는 역방향 바이어스) (a) 커패시터의 초기 충전 구간 (다이오드는 순방향 바이어스)
0
0
(c) 커패시터의 재충전 구간 (다이오드는 순방향 바이어스)
0
0
0
0
그림 2.43 커패시터 필터를 가진 반파 정류기의 동작 (이상적인 다이오드)
- 그림 2.43(a)와 같이 입력전압의 1/4주기 동안 다이오드는 순방향 바이어스
⇒ 다이오드는 ON 상태, 커패시터는 입력전압의 첨두값까지 충전
⇒ 에서 , ≤ 에서
- 그림 2.43(b)와 같이 , 일 때 다이오드는 역방향 바이어스
⇒ 다이오드는 OFF 상태, 커패시터는 부하저항 을 통해 방전
⇒ 에서 출력전압은 커패시터 전압과 동일, - 그림 2.43(c)와 같이 이 다시 상승하기 시작하여 일 때
⇒ ≤ 에서 이 되면 다이오드는 순방향 바이어스
⇒ 다이오드는 ON 상태, 커패시터는 다시 충전 시작
⇒ ≤ 에서 출력전압은
- 그림 2.44과 같이 회로의 시정수가 클수록 커패시터의 방전시간이 長
⇒ 필터링된 전압의 리플은 작아지고, 필터의 효율은 증가
(a) 리플이 크면 필터 효과가 작은 것을 의미 0
(b) 리플이 작으면 필터 효과가 큰 것을 의미 0
그림 2.44 반파 리플전압
- 그림 2.45와 같이 전파 정류파의 주파수가 반파 정류파의 주파수의 2배
⇒ 전파 정류기의 필터링 효과가 반파 정류기보다 大
(a) 반파 정류된 파형 0
(b) 전파 정류된 파형 0
그림 2.45 전파 및 반파 정류된 전압의 주파수
2.6 전원공급장치의 필터와 레귤레이터 43
- 그림 2.46과 같이 동일한 부하저항과 동일한 커패시터로 필터링할 경우
⇒ 출력 펄스 사이의 간격이 전파 정류파가 반파 정류파보다 短
⇒ 커패시터의 방전시간은 전파 정류기가 반파 정류기보다 短
⇒ 전파 정류기의 리플전압이 반파 정류기의 리플전압보다 小
(a) 반파 정류된 파형
동일 기울기
0
리플(ripple)
(b) 전파 정류된 파형 0
리플(ripple)
그림 2.46 반파 및 전파의 리플 전압 비교
- 리플계수(ripple factor; )는 필터의 효율을 나타내며, 식 (2.11)과 같이 정의
⇒ 는 첨두간(peak to peak)값, 는 필터링된 직류전압의 평균값
⇒ 리플계수는 부하 저항값이나 커패시턴스를 크게 하면 감소
⇒ 리플계수가 작으면 작을수록 필터의 효율이 양호
(2.11)
0
그림 2.47 리플계수의 결정
- 충분히 큰 커패시터를 가진 전파 정류기의 와 는 식 (2.12)과 식 (2.13)
≅
(2.12)≅
(2.13)【예제 2.8】그림 2.48에 표시된 필터를 가진 브리지 정류기의 리플계수를 구하라.
1000F
F
D2 D4
D3
10:1
120Vrms
60Hz
D1
220Ω
그림 2.48 예제 2.8의 회로
- 1차 및 2차 전압의 첨두값 과 , 전파 정류된 전압의 첨두값
× ≒ V
× V
V ⋯ (2.9)
- 출력전압의 주파수 120Hz, , , 은 식 (2.11)～(2.12)에 의해 계산
≅
× × × × V
≅
× ≒ V
,
■
2.6 전원공급장치의 필터와 레귤레이터 45
◉ 정전압조정기(Voltage Regulator)
- 필터에 연결되어 입력이나 부하 등의 변화에 관계없이 일정한 출력을 유지
⇒ 그림 2.50은 고정된 출력전압을 얻기 위한 3단자 정전압조정기
접지
정전압 조정기
입력 출력
그림 2.50 입력 및 출력 커패시터를 가진 정전압조정기
◉ 전압변동율(Voltage Regulation)
- 무부하에서 최대 부하까지 출력전압의 변화가 어느 정도 발생하는지를 표시
⇒ 식 (2.15)에서 은 무부하 출력전압, 는 최대부하 출력전압
전압변동률
× (2.15)
12.6Vac F
T 120Vac
6800F D2 D4
D3 D1
0.1A
정전압 조정기
1F
+5V
그림 2.51 기본적인 +5V 정전압조정 전원공급장치
【예제 2.9】특정 5V 조정기가 5.18V의 무부하 출력전압, 5.15V의 최대부하 출력전압을 가지고 있다. 퍼센트로 표현된 부하전압 변동률은 얼마인가?
전압변동률
×
×
■
2.7 다이오드 리미터와 클램퍼
◉ 다이오드 리미터(Limiter)
- 그림 2.52(a)에서 입력전압이 ≥ 0.7V일 때 다이오드는 순방향 바이어스
⇒ 입력전압이 ≥ 0.7V일 때 출력전압은 0.7V로 제한
⇒ 입력전압이 -≤ 0.7일 때 다이오드는 역방향 바이어스
⇒ -≤ 0.7일 때 출력전압은 ≃≫
≃
, ≫(a) 양()의 주기 제한
A
0
-
0
- +0.7V
(b) 음( )의 주기 제한
A
0
-
0
-0.7V
그림 2.52 다이오드 리미터(클리퍼)의 예
- 그림 2.52(b)에서 입력전압이 ≤-0.7V일 때 다이오드는 순방향 바이어스
⇒ 입력전압이 ≤-0.7V일 때 출력전압은 -0.7V
⇒ 입력전압이 -0.7≤일 때 다이오드는 역방향 바이어스
⇒ -0.7≤일 때 출력전압은 ≃≫
