강좌9 : 다이오우드
다이오우드(diode)는, 알다시피, 한쪽 방향으로만 전류를 흐르도록 하는 반도체 소자이다. 내부에 P형 반도체와 N형 반도체를 접합하여 P형 반도체쪽 전압이 N형 반도체쪽의 전압보다 높으면 전류가 잘 흐르게 된다. 반대로 전압을 걸어주면 거의 전류가 흐르지 않게 된다.
이와같이 다이오우드 양단에 전압을 어떻게 걸어주는냐에 따라 전류가 흐르기도 하고(ON 상태), 차단(OFF상태)되기도 하기 때문에, 다이오우드를 "다이오우드 스위치"라고도 부른다.
내부 구조나 기본적인 동작개념에 대해서는 학교에서 많이들 배웠을 것으로 본다. 다시 복습하고 싶으면, 왼쪽에 링크된 사이트들을 참고하기 바란다. 여기가, 기초강좌이긴 한데, 실무1년차를 위한 강좌이므로 좀 생략되는 내용이 있음을 이해해주기 바란다.
기억해 두어야 할 특성 - 순방향 전압강하
순방향은 다이오우드 스위치가 on 되어 전류가 흐르는 방향을 말하고, 역방향은 그 반대방향을 말한다. 그런데, '순방향'은 알겠는데 '전압강하'는 무슨 말인가?
만일 어떤 호스가 있는데, 그 사이에 한쪽 방향으로만 열리는 약간 무게가 있는 덮개가 있다고 해보자. 한쪽에서 물을 채우는 데, 별로 물을 미는 힘이 약한 상태로 두면 덮개는 완전히 열리지 않고 물을 졸졸졸 흘러보낼 뿐이겠지. 하지만, 물을 밀어넣는 힘이 어느정도만 되면, 그러니깐 덮개를 충분히 열어줄 정도만 되면 이제는 물이 아주 쉽게 흘러가게 될 것이다.
어쨌거나, 덮개를 완전히 열어젖히는데 5 라는 힘이 든다면, 물을 넣어주는 쪽에서 100 이라는 힘으로 밀어주면, 물이 흘러나오는 힘은 95 가 될 것이다.
이와 비슷한 일이 다이오우드에서도 일어난다. 순방향 전압을 걸어서 다이오우드 스위치를 완전히 on 시키는 데에 대략 0.2 V 에서 0.7 V의 전압이 낮아진다. 이것을 "순방향 전압강하"라고 한다. 순방향 전압강하는 다이오우드가 정해지면, 일정한 값을 가지게 된다. (데이터 시트를 보면 나온다)
우리는 순방향 전압강하가 0.5 V인 다이오우드를 쓴다고 해보자. 이경우 순방향으로 입력되는 +5 V 전압신호는 다이오우드를 지난 후에는 + 4.5 V 신호가 되는 것이다. 이해가 되는감?
앞으로는 다이오우드가 스위치 작동을 할 때, 그 댓가로 입력측의 전압 일부를 받아 챙긴다는 사실을 우리는 잊어서는 안되겠다. 이 '순방향 전압강하'는 나중에 바이폴라 트랜지스터의 중요한 특성이라 할 수 있는 '베이스-이미터 전압'이라는 이름으로 다시 등장할 예정이다.
다이오우드 연결방식과 역할
직렬 연결 - 정류
아래 그림과 같이 다이오우드를 입력과 출력 사이에 직렬로 연결한 경우는 많이들 보아서 잘 알고 있을 것이다. +E 에서 -E 까지 전압이 변화하는 입력신호가 들어오는 경우에 다이오우드의 연결 방향에 따라 출력은 (+)쪽의 신호만 통과시키게 된다.
여기서 유의할 점은, 입력신호와 출력신호의 모양은 같지만, 출력신호의 최고 전압이 +E 가 아니라 + (E-VF) 가 된다는 점이다. 눈치 빠른 독자는 이미 알아차렸겠지만, VF는 물론 앞 절에서 말한 "순방향 전압강하" 값이 된다.
즉, 입력전압이 +5 에서 -5V 까지 왔다갔다 하는 신호라면, 그 출력은 +4.5 V 에서 0 V (실제로는 0V 가 아니고, 역방향 전압이 걸릴때 약간의 누설전류가 흐르는데, 저항값에 따라 V=IR 식에 따라 약간 - 전압이 걸리지만...일단 생각지 말자.)
물론, 다이오우드를 방향을 바꾸어 연결하면 아래와 같이 (-) 신호만 통과시킬 수도 있다. 물론 이때에도 출력전압의 최대값은 - (E-VF) 가 된다
[참고] 두 개를 서로 반대방향으로 묶어서 함께 연결한 다음의 그림을 보면 참 재미있다. 다이오우드는 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 것인데, 이렇게 양쪽으로 다 흐르게 한다면 무슨 의미가 있을까 의심스럽겠지만...이렇게 하므로써 바닥에 깔린 작은 잡음들이 제거된다.
병렬 연결 - 전압 재단
자, 다이오우드는 정류소자다. 하지만, 직렬로 연결할 때 그렇게 부른다. 이 다이오우드는 그 외에도 아래와 같이 병렬로 연결해서도 많이 사용된다. 먼저 아래 그림을 보자.
본 적 있는 회로인가?
이 회로는 맨 앞에서 말한 다이오우드의 특성만 잘 이해하면 출력신호의 형태를 알아낼 수 있다. (-)신호가 들어올 때는 GND(그라운드)쪽에서 다이오우드가 on 상태가 되어서 전류가 흘러들어간다. 이때, 0 V 쪽은 고정되어 있고(우리가 전압의 기준으로 삼으니깐), 순방향 전압강하가 있으므로 출력신호 측에는 -VF 만큼의 전압이 나타나게 된다.
반대로 (+)신호가 들어올때는 다이오우드는 off 된다. 그럼 다이오우드 쪽은 생각하지말고, 저항만 연결된 것과 같은 상태가 된다. 당연히 저항 후단에서는 저항에 걸리는 전압만큼을 뺀 나머지 전압값이 출력단에 나타나게 되는 것이다.
그럼, 다이오우드를 반대로 연결하면? 아래 그림을 참고하라.
좀더 재미있게, 이제는 병렬로 두 개를 서로 반대방향으로 연결하면 어떻게 될것인가? (+) 신호가 들어올 때는 D1이 on, D2는 off, (-) 신호가 들어올 때는 D1은 off, D2가 on 이 된다.
여기서, 출력신호는 어떻게 될까? 두 경우 모두 다이오우드 하나 만큼의 전압강하가 일어나게 된다. 그래서, +VF와 -VF를 왔다갔다하는 출력이 나타나는 것이다. 만일 이 값은 순방향 전압강하가 0.5V 짜리라면, +0.5 V와 -0.5 V를 왔다갔다 하는 신호가 나온다는 말이다. 이해가 되나?
아마도, 당신이 실무 1년차라면, 이 부분이 좀 어렵게 느껴질 것이다. '순방향 전압강하'가 있다는 것은 그렇다고 받아들이겠는데, 그렇다고 왜 출력전압이 저렇게 되나?
다이오우드 전후의 전압변화 계산
다이오우드는 분명히 순방향으로 전압이 걸릴 때 전류가 흐른다. 어느 쪽으로? 전압이 높은 쪽에서 낮은쪽으로. 그런데, 그 차이가 +VF로 정해진다고 했다. 그러면, 순방향 전류가 흐르는 동안(다이오우드가 on상태일 때)은 한쪽의 전압값을 알면 다른쪽을 알 수 있게 된다.
위 병렬연결 회로도에서, 한쪽을 GND(= 0 V = 기준전압)에 꽉 물려두었으니깐, 당연히 여기를 기준으로 그 반대편의 전압값을 알 수 있게 되는 것이다. 물론, on 상태일 때만 그렇다. 만일, 다이오우드가 off 상태라면, 다이오우드 위치에서 회로가 끊어진 것과 마찬가지 상태라고 생각하면 되겠다.
이상적인 다이오우드라면 순방향 전압강하가 0 이 되어야 할 것이다. 하지만, 실제 사용하는 반도체의 특성때문에 약간의 전압강하가 있게 된다. 따라서, 다이오우드를 사용할 때에는 항상 데이터시트를 보고, 그 값이 얼마나 되는지 확인하는 습관을 길러야 실수를 줄일 수 있다.
이번 강좌는 일반적으로 사용하는 정류용 다이오우드의 특성과 기본적인 사용법에 대한 이야기였다. 다음에는 특수한 용도로 사용하는 다이오우드이지만, 널리 쓰이고 있기 때문에 알아두러야 할 "제너 다이오우드"에 대해서 알아보도록 하겠다.
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