Applications Ch. 2 Diodes and

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(1)

Ch. 2 Diodes and

Applications

(2)

Yun SeopYu

복습: PN 접합 (PN Junction)

PN 접합 형성

n 영역의 전자  p영역으로 확산 (밀도차)  PN 접합 부근 정공에 들어감  공핍층 형성

공핍층(depletion region)

공핍(depletion): 전자가 접합을 넘어 확산됨에 따라서 PN 접합 부근 영역의 전하반송자 (전자 or 전공)이 결핍되는 현상  접합을 넘어 계속 움직이는 전자들의 장벽으로 작용 장벽전위(barrier potential ): 이 공핍영역 양단의 장벽을 넘어 전자들이 움직이는데 요구되는 에너지 양 (전위차)  바이어스 (bias)

Si: 0.7 V, Ge: 0.3 V

(3)

Yun SeopYu

Question?

What process stops the migration of charge across the boundary?

A potential is built up (called the barrier potential) that prevents further charge migration.

Why do you think that the energy level in the n- region is lower than the p- region?

The n -region tends to have filled valence shells; conduction

electrons are shielded by these electrons, so they are further away

from the nucleus and have less energy.

(4)

Yun SeopYu

복습: 다이오드 (Diode)

PN 접합의 에너지 다이어그램과 공핍 영역

(5)

Yun SeopYu

2-1 다이오드 동작(Diode operation)

다이오드 구조: PN 접합

P 영역: 양극(Anode) N 영역: 음극(Cathode)

다이오드 기호

(6)

Yun SeopYu

2-1 다이오드 동작(Diode operation)

전형적인 다이오드 패키지(package)

Surface-mount diode package

KA

K K

A K

A A

K

A

K A

K A

K

A

K

K A

K K

A

(7)

Yun SeopYu

2-1. 다이오드 동작

순방향 바이어스 (forward bias)

V

BIAS

> 장벽전위

순방향 Bias의 조건

 VBIAS 의 (-)쪽은 다이오드 n영역에

 VBIAS의 (+)쪽은 다이오드 p영역에 연결

 VBIAS 는 장벽전위보다 커야 한다.

순방향 바이어스의 영향

 많은 전자들의 이동  (+)이온 

 많은 정공들의 이동  (-)이온 

 공핍층 영역 

(8)

Yun SeopYu

2-1. 다이오드 동작

순방향 바이어스 (forward bias)

다수의 반송자가 흐름

(9)

Yun SeopYu

2-1. 다이오드 동작

역 바이어스 (Reverse Bias)

소수전자

p형(-)단자 연결, n형 (+)단자 연결 (+) 쪽 전자이동, (-) 쪽 정공이동  공핍층 증가

역전류(reverse current): 매우 적은 전류  P영역 소수전자와 N영역 소수 정공

역방향 바이어스가 가해진 경우 전류가 거의 흐르지 않는다.

(10)

Yun SeopYu

역항복(reverse breakdown):

역전압 증가  에너지증가(소수전자)  애벌런치 (avalanche) 효과 발생

그림과 같은 전자의 증가를 애벌런치라고 함  avalanche breakdown

공핍영역 통과, 정공과 재결합 없이 N영역 통과  높은 역전류 발생 (PN 구조 손상)

2-1. 다이오드 동작

원자 원자 원자

소수전자

(11)

Yun SeopYu

2.2. 다이오드의 전압-전류특성

순방향 바이어스를 가한 경우의 I-V 특성

동저항(dynamic resistance)-동적또는 교류저항

 rd' = VF/IF

(12)

Yun SeopYu

2.2. 다이오드의 전압-전류특성

역방향 바이어스의 I-V 특성

항복전압

(Breakdown voltage)

(13)

Yun SeopYu

• 다이오그에 인가된 전압과 전류 사이에 비선형적인 관계

• I s 값은 통상 10

-15

~10

-13

A을 갖음

• V T (=KT/q) 는 상 온 (300K) 에 서 26mV

• 순방향 바이어스 상태와 역방향 바 이 어 스 상 태 로 구 분 하 여 근사적으로 표현 가능

• V >> V T 이면 역방향 포화전류 I

S

를 무시

2.2. 다이오드의 전압-전류특성

전영역의 I-V 특성 곡선

𝐼 = 𝐼 𝑆 (𝑒 𝑉 𝑉𝑇 -1)

𝐼 = 𝐼 𝑆 𝑒 𝑉 𝑉 𝑇

(14)

Yun SeopYu

2.2. 다이오드의 전압-전류특성

온도 효과

온도  순방향: 전류 , 전압   역방향: 전류 

(15)

Yun SeopYu

다이오드의 구조와 기호

바이어스 연결

2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

(16)

Yun SeopYu

2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

이상적인 다이오드 모델

순방향: 스위치 ON

 VF = 0V, IF = VBIAS/RLIMIT 역방향: 스위치 OFF

 IR = 0A, VR = VBIAS

(17)

Yun SeopYu

2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

실용 다이오드 모형

장벽 전압(VF) 고려

 Si: 0.7 V, Ge: 0.3 V 순방향

 VF=0.7V

 IF = (VBIAS – VF)/RLIMIT 역방향 : IR = 0A, VR = VBIAS

(18)

Yun SeopYu

2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

완벽 다이오드 모델

순방향 동저항 (

r

d

'

), 내부 역저항 (

r

R

'

), 장벽전위 (VF) 모두 고려 순방향 일때

 VF = 0.7V + IF

r

d

'

 IF = (VBIAS – 0.7V)/(RLIMIT

+ r

d

'

)

(19)

Yun SeopYu

Example 2-1

r

d

' = 10 , V

BIAS

= 10V, R

LIMIT

= 1k, V

t

= 0.7V 일때 V

F

, I

F

, V

LIMIT

?

이상적인 모델:

 VF = 0V

 IF = VBIAS /RLIMIT = 10/1k=10 mA,

 VLIMIT = IF RLIMIT =(10m)(1k)=10 V

실질적인 모델:

 VF = 0.7V

 IF = (VBIAS – 0.7V)/RLIMIT = (10-0.7)/1k=9.3mA

 VLIMIT = (9.3m)(1k)=9.3V

복잡한 모델:

 IF = (VBIAS – 0.7V)/(RLIMIT

+ r

d

'

) = (10-0.7)/(1k+10)=9.21mA

 VF = 0.7 + IF

r

d

'

=0.7+(9.21m)(10)=792mV

 VLIMIT = (9.21m)(1k)=9.21V

10 V

(20)

Yun SeopYu

Example 2-1

I

R

=1A 일때 I

R

,V

R

, V

LIMIT

?

이상적인 모델, 실질적인 모델:

 IR = 0A,

 VR =VBIAS = 10V

 VLIMIT = 0V

복잡한 모델:

 IR=1A ,

 VLIMIT= IRRLIMIT=(1)(1k)=1mV,

 VR=VBIAS-VLIMIT= 10-1m = 9.999V

10 V

(21)

Yun SeopYu

21

DC power supply

2-4.반파정류기(Half-wave rectifier)

Transformer Rectifier

Filter

Regulator

Load

(22)

Yun SeopYu

22

반파 출력 전압 평균값

Ex2-2

그림의 반파정류된 전압의 평균값?

2-4.반파정류기(Half-wave rectifier)

π 1) V

2π (1 ] V

cosθ 2π [

V

dθ sinθ 2π V

dθ 1 sinθ T V

V 1

sinθ V

V

p π p

0 p

π 0 p π

avg 0 p p

15.9V π

50 π

V V

sinθ V

V

p avg

p

(23)

Yun SeopYu

23

장벽전위의 영향 : V

p(out)

=V

p(in)

-0.7V

최대 역전압 (peak inverse voltage: PIV)

역방향 bias시 diode에 걸리는 전압

2-4.반파정류기

PIV=V

p(in)

(24)

Yun SeopYu

24

2-4.반파정류기

변압기를 가진 반파 정류기

전원전압 조정 가능

교류전원을 정류기 회로로부터 전기적으로 분리

 충격에 의한 손상 감소

pri pri

sec sec

V

N V N  

 

 

(25)

Yun SeopYu

25

2-4.반파정류기

Ex. 2-4

84.3V 0.7V

V V

V 85 0.5V

V

V 170 V

V

p(sec) p(out)

p(pri) p(sec)

p(in) p(pri)

170 V

(26)

Yun SeopYu

26

2-5. 전파 정류기(Full-wave Rectifiers)

전파정류기 (full-wave rectifier)

입력의 전주기 (2p) 동안 부하의 한 방향으로 전류가 흐른다.

정현파 전압의 평균값은 반파의 두 배 (대략 Vp의 63.7%)

π

V avg  2V p

(27)

Yun SeopYu

27

2-5. 전파 정류기

중간 탭 전파 정류기 (Center-tapped Full-wave Rectifier)

ON

OFF

OFF

ON

(28)

Yun SeopYu

28

2-5. 전파 정류기

중간 탭 전파 정류기

전파출력전압에서 권선비의 영향

1:1 인 경우

1:2 인 경우

(29)

Yun SeopYu

29

2-5. 전파 정류기

중간 탭 전파 정류기

최대 역전압 (PIV)

D1-ON, D2-OFF 일때 D2에 걸리는 전압

0.7V 2V

PIV

1.4V 2V

V

0.7 /2

V V

0.7V 2 V

0.7 V 2

PIV V

P(out) P(out) P(sec)

P(sec) P(out)

P(sec) P(sec)

P(sec)

 

 

 

 

 

 

(30)

Yun SeopYu

30

2-5. 전파 정류기

전파 브리지 정류기 (Bridge rectifier)

(31)

Yun SeopYu

31

2-5. 전파 정류기

브리지 정류기의 출력전압

(32)

Yun SeopYu

32

2-5. 전파 정류기

전파 브리지 정류기 (Bridge rectifier)

최대 역전압

이상적인 다이오드 실제 다이오드

PIV= Vp(sec)= Vp(out) PIV= Vp(out) - (-0.7 V)

= (Vp(sec) - 1.4 V) - (- 0.7V ) = Vp(sec) - 0.7 V

(33)

Yun SeopYu

33

2-6. 전원공급 장치 필터 및 정전압 조정기 (Power supply filters and Regulators)

전원 공급장치 필터 (power supply filter)

(34)

Yun SeopYu

34

2-6. 전원공급 장치 필터 및 정전압 조정기

Capacitor filter- 일정 레벨의 직류전압 생성

리플 (ripple): 필터 출력의 적은 양의 변화

V

c

에 충전

R

L

에 의한 방전

시정수 (R

L

C)  방전시간

>> 입력 전압 주기

(35)

Yun SeopYu

35

2-6. 전원 장치의 필터

리플 전압 (ripple voltage): 충전과 방전으로 인한 출력 전압의 변동  리플이 적으면 적을 수록 출력전압의 변동이 작다

반파

전파

 전파정류: 적은 양의 방전과 빠른 충전으로 리플이 적어진다.

T

hw

T

fw

Hz ms 60

7 . 16

1

1  

hw

hw

T

f

Hz 120 2

1 ) ( 1 2

2

hw hw

fw fw

hw fw

T f f T

T T

(36)

Yun SeopYu

36

2-6. 전원 장치의 필터

리플계수 (ripple factor)

Vr(pp) : 리플전압 실효값, VDC : 필터의 직류전압 평균값 Vp(rect) : 필터되지않은 첨두 정류전압

리플계수 r이 작을 수록 좋은 필터

조건: VDC가 정류된 입력전압의 첨두값의 10%내에 있는 경우

r = V

r(pp)

/V

DC

C ) 2fR (1 1

V V

C fR V 1

V

p(rect) L DC

p(rect) L r(pp)

 

 

 

(37)

Yun SeopYu

참고: 리플 계수 유도

C ) R (1 T

V e

V v

T, C

R and

T t

if

e V

v

L p(in)

C R

T p(in)

c(min) dis L

C R

t p(in)

c

L L



C ) 2fR (1 1

V 2 V

V 1 V

C fR

V C

R V T

V V

V

L p(in)

r(pp) p(in)

DC

L p(in) L

p(in) c(min)

p(in) r(pp)

T

f = 1/T

(38)

Yun SeopYu

38

2-6. 전원 장치의 필터

Ex. 2-8

리플계수를 구하라

15.6V 1.4V

V V

17V 0.1(170)

nV V

170V V

(1.414)120 (1.414)V

V

p(sec) p(rect)

p(pri) p(sec)

rms p(pri)

0.039 15.3V

0.591V V

r V

15.3V F)

(1000μ )

0Ω (240Hz)(22 - 1

1 15.6V C )

2fR (1 1

V V

0.591V F)

(100μ )

0Ω (120Hz)(22 15.6V 1

C fR V 1

V

DC r(pp)

p(rect) L DC

L p(rect) r(pp)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

120 Vrms 60Hz

1000 F 220

(39)

Yun SeopYu

39

2-6. 전원 장치의 필터

급증전류 (surge current)

스위치가 닫히는 순간:

capacitor  short

 다이오드를 통해 Isurge 발생

Vp(in)에서 Isurge(max) 발생

다이오드 파괴

해결책: Rsurge (급증 제한 저항)

IFSM : 다이오드가 순간 급증전류에 견딜 수있는 순방향 전격전류

FSM p(sec)

surge

I

1.4V

R V 

(40)

Yun SeopYu

40

2-6.Diode 리미팅 회로와 클램핑 회로

다이오드 리미터

양 리미터

음 리미터

(41)

Yun SeopYu

41

바이어스된 다이오드 limiter

2-7.Diode Limiters and Clampers

(42)

Yun SeopYu

42

바이어스된 다이오드 limiter

2-7.Diode Limiters and Clampers

(43)

Yun SeopYu

43

예제2-11

2-7.Diode Limiters and Clampers

(44)

Yun SeopYu

44

전압분배 바이어스

예제2-12

8.25V

220 12V 100

220 R V R

V R

SUPPLY

3 2

BIAS 3

 

 

 

 

 

 

2-7.Diode Limiters and Clampers

(45)

Yun SeopYu

45

다이오드 클램퍼 (Clamper)

Clamper: 교류전압에 직류레벨을 더한다  직류 복원기

, 적은 양 방전 (CRL) RC 시정수 >> 10fin

2-7.Diode Limiters and Clampers

(46)

Yun SeopYu

46

Diode Clamper

2-7.Diode Limiters and Clampers

(47)

Yun SeopYu

47

2-5. 전압 곱셈기(Voltage Multipliers)

2배 전압기 (Voltage doubler)

반파 배전압기 (Half-wave voltage doubler)

 이상적 다이오드 가정

(48)

Yun SeopYu

48

2-5. 전압 곱셈기

전파 배전압기 (Full-wave voltage doubler)

(49)

Yun SeopYu

2-5. 전압 곱셈기

3배 전압기

4배전압기

C

1

V

p

V

in

C

3

D

2

D

1

C

2

D

3

2V

p

2V

p

3V

p

C1 Vp

Vin C3

D2 D1

C2

D3

2Vp

2Vp

4Vp

D4

C4 2Vp

(50)

Yun SeopYu

1N4001 datasheet

(51)

Yun SeopYu

1N4001 datasheet

(52)

Yun SeopYu

52

Homework (P. 98-106) - All Examples

- Selected Problems: 5, 6,

8, 9, 10, 14, 15(d), 16,

21, 25, 27, 28, 34, 36,

38, 39, 40, 41

(53)

Yun SeopYu

(54)

Yun SeopYu

(55)

Yun SeopYu

(56)

Yun SeopYu

(57)

Yun SeopYu

(58)

Yun SeopYu

수치

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참조

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