강좌10 : 다이오우드 특성과 제너다이오우드
다이오우드의 특성에 대해서는 그냥 넘어가려고 했는데, 제너다이오우드(Zener Diode)를 이야기하려고 보니깐 다시 기본적인 특성부터 간단히 짚고 넘어가는 것이 나을 것 같다.
다이오우드의 기본특성
아래 그림이 일반적인 다이오우드의 특성곡선이다. 가로축이 다이오우드 양단에 인가하는 전압이고 세로축이 허용전류이다. 허용전류라는 것은 실제로 그러한 전류를 무조건 흘려준다는 뜻이 아니고...음...일단 아래그림을 보고 나서 이야기하자.
순방향 특성
(+)방향은 순방향전압이고, (-)방향은 역방향전압이다. 순방향으로는 약간의 전압만 걸면 금방 허용전류가 급격하게 커진다. 즉, 다이오우드 스위치가 on 상태가 된다.
일단 on 상태가 되면, 양단에 인가하는 전압을 더 올려도 실제로 다이오우드 양단에 걸리는 전압은 큰 차이가 없게 된다. 그래서 실제로 더이상 올라가지 않는다. 대신 직렬로 연결된 다른 소자에 걸리는 전압이 올라간다.
다시말하면 '순방향 전압강하' VF 값이 거의 일정해진다. 이 값은 다이오우드에 따라 보통 0.2에서 0.7V 정도인데, 각 제조사에서 내놓는 데이터시트에 나와있다. 저항이나 콘덴서와는 달리, 반도체 다이오우드부터는 데이터시트를 직접 봐야하는데, 다음 강좌에서는 다이오우드의 데이터시트를 간단하게 살펴보겠다.
허용전류라는 것은, 양단에 그 전압을 걸면 다이오우드에 무조건 그 전류가 흐른다는 것이 아니고, 그 정도의 전류까지 '흐를 수 있다'는 것이다. 실제 회로에서는 허용전류 값까지 흐르게 만드는 경우는 없다.
전류가 많이 흐르면, 반도체 다이오우드는 내부저항 때문에 열이 난다. 열이 많이나면? 타버린다. 특히 반도체 소자들은 열에 약하다. 회로를 설계할 때 특히 주의해야한다. 잘 돌아가다가 문제가 발생한 회로에서 제일 먼저 해보는 것이, 반도체 소자들 중에 뜨거운 것이 없는가 살펴보는 이유도 열에 약하기 때문이다.
때문에, 다이오우드를 이용하는 회로에서는 반드시 어느 정도로 전류를 제한할 것인가를 결정하고, 그에 따라 전류제한용 저항을 넣어주어야 한다. 그 계산의 기준이 되는 값이 데이터시트에 나와 있는데, 이것도 다음강좌에서 살펴보자.
역방향 특성
다이오우드의 역방향 특성이란, 얼마나 전류를 잘 차단해주는가 하는 것이 되겠다. 역방향에서도 누설되어 흐르는 전류가 아주 약간은 있기 때문이다. 하지만, 여기선 그정도 세밀한 것에 대해서는 그냥 지나치자.
중요한 것은, 역방향으로 다이오우드 양단의 전압을 자꾸 높여보면, 언젠가 한계에 이르게 된다는 것이다. 즉, 전류를 더이상 차단하지 못하고 막아둔 둑이 터지듯이 역방향 전류가 급격하게 증가하게 되는 것이다. 이러한 현상을 제너현상(Zener breakdown)이라고 하는데, 이 때의 전압을 제너전압 또는 항복전압(breakdown voltage)이라고 한다. 주로, VZ 로 쓴다.
이 항복전압 VZ 값이 큰 다이오우드를 쓰는 것이 실수로 높은 역방향 전압이 걸리는 경우를 대비하는 방법이 될 수 있겠다. +5V 전원으로 작동하는 회로라면 당연히 항복전압이 최소한 5V 보다는 커야되겠지? 소전류용 전자회로(보통의 전자회로를 말한다)에서 보통 사용하는 다이오우드는 항복전압이 수 십 V 는 되는 것들이므로, 크게 걱정할 필요는 없겠다. 이 값도 데이터시트에 물론 적혀있다.
제너다이오우드
그런데 재미있는 것은, 순방향 전압 VF값의 변동보다 역방향 항복전압 VZ의 변동이 훨씬 적다는 것이다. 다시말하면, VZ값은 거의 일정하게 유지된다는 거다.
회로를 만들다보면, 일정한 직류전압이 필요한 경우가 많다. 특히나, 주변 회로나 소자의 전류나 전압상태와 무관하게 항상 일정한 기준전압이 있어야 할 경우...
사람들은, 다이오우드의 제너현상을 좀 더 낮은 전압에서 일어나게 하면 좋은 정전압 공급소자로 쓸 수 있겠다는 생각을 하게 되었고...그래서 만들어진 것이 바로 '제너다이오우드'이다.
보통 제너항복이 역방향 수십 V 이상에서 일어나지만, 제너다이오우드의 경우, 훨씬 낮은 역전압에서 항복현상이 일어난다. (물론, 사람들이 그렇게 만든 거다.) 즉, +5V 전원으로 동작하는 회로에서는 +1.2V나 +2.4V 등 훨씬 낮은 전압에서 항복이 일어나는 제너다이오우드를 쓰게 된다.
역전압을 걸었을 때 나타나는 제너현상을 이용하기 때문에, 이 소자는 항상 역방향으로 연결해서 사용한다. 아래 그림을 참고. 요즘은 기술이 발달해서, 매우 안정된 정전압을 공급해주는 제너다이오우드가 많이 나와있다. 전자회로를 만지는 사람이면, 언제고 한 번 써 볼 일이 반드시 생길 것이다.
이번 열번째 강좌에서는 다이오우드의 일반적인 특성과 제너다이오우드에 대하여 살펴보았다.
다음 강좌에서는 데이터시트를 보는 법에 대해서 간단히 살펴보도록 하겠다. 그리고, 그 다음강좌에서는 지금까지 살펴본 소자들만 이용해서 간단한 회로를 꾸며보고, 각 단에서의 전류, 전압 값이 어떻게 되는지를 함께 계산해 보면서 전체적으로 복습하는 시간을 갖겠다.
* 새해 복 많이들 받으세요~~
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