Microelectronics - Diode.

제너 다이오드

일반적은 다이오드는 역방향 전압을 걸어주게 되면 Breakdown 전까지 미세전류만 흐를 뿐 실질적으로 다이오드 내부의 전자흐름을 차단한다. 하지만 제너 다이오드는 Reverse Breakdown region에서도 동작하도록 설계되었다. 

 

 

 

제너 다이오드의 Reverse Breakdown에는 두 가지가 있는데, 아발란치(Avalanche) 항복과 제너(Zener) 항복이 있다. 높은 역방향 전압을 걸어주게 되면 아발란치 항복(low doping)이 발생하여 일반적인 다이오드와 마찬가지로 손상을 입게 된다.

 

Zener Breakdown

PN접합의 도핑 농도를 높이게 되면 에너지 대역은 낮은 전압에서 서로 엇갈리게 된다. 역방향의 낮은 전압을 걸어도 P region 가전자대역의 전자들이 N region 전도대역으로 이동하며 전류를 생성할만큼 강한 전계를 만들 수 있게 된다. 이는 Reverse Breakdown region에서도 동작하며, 양단의 전압을 거의 일정하게 유지시킬 수 있는 정전압 특성을 말한다.  

 

 

다이오드를 이용한 정류회로

 

D1N4002의 VR이 100V이므로 인가된 역전압이 100V가 넘는 311V로 211V의 역전압이 ON되는 상황이다. Diode의 특성을 이용하여 정류된 맥류는 커패시터(전압 충전 작용)와 결합하여 직류로 변환하게 된다. 

 

 

평활회로

 

 

커패시터의 용량을 키우고 전류가 방전되는 경로에 위치하는 R2의 크기를 키우면 리플이 작아진다. R2는 회로나 시스템의 부하에 해당한다. (부하 전류가 커지면 리플이 커진다.)

 

 

전파정류회로

 

입력 전원이 +이든 -이든 출력에는 항상 +전위가 걸리게 된다. 또한, 전파정류는 입력 전원이 -일 때도 맥류를 형성하기 때문에 리플 주파수가 반파 정류방식 보다 2배 높다. 

 

 

Sunbber 회로

스위치가 1m 후, ON에서 OFF 상태로 변해도 인덕터의 잔여 전류는 앞으로 계속 흐르려는 특성이 있고, Open 상태 스위치의 등가 저항은 거의 무한대가 되므로 매우 큰 펄스성 노이즈 전압이 발생한다. (V = IR)

 

 

이러한 펄스성 노이즈 전압은 스위칭 소자를 파괴하므로 Diode나 CR, Varistor를 이용하여 펄스성 노이즈 전압을 제거해야 한다. 이러한 보호 회로를 Sunbber 회로 또는 Clamping 회로라 한다. 

 

 

 

펄스성 노이즈 전압은 다이오드가 연결된 방향으로 흐르게 되고, 전원 측 GND로 흐른다. 이 때의 전압은 다이오드의 순방향 전압과 합해지며 대략 13V의 크기를 가진다. 

 

또한 다이오드 D4는 저주파(VCC 측 DC 전압)를 차단하고 고주파(펄스성 노이즈 전압)를 통과시키는 커패시터와 동일한 역할을 한다. 

 

 

이 때, 커패시터의 용량 산정이 중요하다. 커패시터 값이 작으면 리액턴스 값이 커지므로 주파수를 통과시키기 어려워진다. 반대로 커패시터 값이 크면 리액턴스 값이 작아져 눕는 파형이 그려진다.  

10nF

100uF

1uF

 

커패시터 용량 1uF일 때, 오버 슈트가 발생하긴 했지만 시스템 상 문제가 되진 않을 정도다. 하지만 시간이 지날수록 Aging Effect로 인해 심한 오버 슈트가 발생할 수도 있다. 따라서 저항을 추가하여 오버 슈트 문제를 해결하고, 이러한 보호 회로를 RC Snubber라 한다.