본문내용
1. 실험 목적
이 실험에서는 다이오드의 특성과 다양한 다이오드 응용 회로의 동작 원리를 이해하는 것이 목적이다. 먼저 다이오드의 전압-전류 특성을 측정하고 이상계수를 계산한다. 또한 제너 다이오드의 특성을 파악한다. 이를 바탕으로 다이오드를 이용한 반파 정류기, 전압 레귤레이터 회로를 구성하고 입출력 전압, 평균 전압, 리플 전압, 라인 레귤레이션, 로드 레귤레이션 등을 측정하여 이론값과 비교한다. 이를 통해 다이오드 응용 회로의 동작 원리를 깊이 있게 이해할 수 있다.
다이오드는 비선형 두 단자 반도체 소자로, 순방향 전압이 인가되면 전류가 흐르고 역방향 전압이 인가되면 전류가 흐르지 않는 특성을 갖는다. 다이오드의 전압-전류 특성은 로그 함수로 표현되며, 순방향 전압이 0.6~0.8V일 때 전류가 흐르기 시작한다. 제너 다이오드는 역방향 전압이 일정 수준에 도달하면 항복 현상이 일어나 역방향 전류가 급격히 증가하는 특성을 보인다. 오실로스코프는 다이오드의 전압-전류 특성을 측정하는 데 사용된다.
이 실험에는 다이오드 1N4001, 1N4739A, LED, 저항, 오실로스코프 등이 사용된다.
먼저 PSpice 시뮬레이션을 통해 다이오드의 전압-전류 특성을 예측한다. 그래프에서 약 0.73V에서 전류가 증가하기 시작하는 것을 확인할 수 있다. 이론적으로 0.6~0.8V 정도의 순방향 전압이 필요하므로 실험값이 이론 범위 내에 있다. 이는 순방향 바이어스 시 다수 캐리어가 전위장벽을 넘어가기 위해 필요한 에너지 때문이다.
다음으로 제너 다이오드의 역전압 동작 영역을 실험한다. 제너 다이오드는 역방향 전압이 항복 전압에 도달하면 전류가 급격히 증가하는 특성을 보인다. 실험 결과에서도 약 5V의 역전압에서 이러한 현상이 관찰되었다.
(1) 반파 정류기 회로에 10V, 60Hz의 사인파를 인가하면 입력 전압(Vin)과 출력 전압(Vout)의 파형이 관찰된다. Vout은 양의 반주기 동안만 전압이 발생하는 반파 정류 특성을 보인다.
(2) Vout의 평균 전압은 (7.28V + 6.60V) / 2 = 6.94V이고, 리플 전압은 680mV이다.
(3) 부하 저항 R1을 100Ω에서 10kΩ으로 변경하면 Vout의 평균 전압은 2.9V에서 8.92V로 증가하고, 리플 전압은 2.6V에서 240mV로 감소한다. 저항이 클수록 평균 전압은 높아지고 리플 전압은 작아진다.
(1) 제너 다이오드의 전류-전압 특성을 측정한 결과, 제너 항복 전압(VZ0)은 -2.246V, 제너 다이오드의 동적 저항(rZ)은 506.49Ω으로 계산된다.
(2) 제너 분류 조절기 회로에 -10V~10V 사인파를 인가하면 Vout이 거의 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
(3) 라인 레귤레이션은 (5V - 4.3153V) / (10V - 9V) = 0.6847로 측정되었다.
(4) 부하 저항 RL을 700Ω에서 600Ω으로 변경하면 출력 전류 IL이 6.8080mA에서 8.1335mA로 증가하고 Vout이 5.4398V에서 4.8358V로 감소한다. 로드 레귤레이션은 (5439.8mV - 4835.8mV) / (6.8080mA - 8.1335mA) = -455.68로 계산된다.
(5) 이론값과 측정값을 비교하면 Vout의 오차율이 약 22.86%로 가장 크고, 라인 레귤레이션과 로드 레귤레이션의 오차율은 1.793%, 10.032%로 상대적으로 작다. Vout 계산 시 VZ0 값 선택에 따른 오차가 큰 것으로 판단된다.
이번 실험을 통해 다이오드의 전압-전류 특성과 제너 다이오드의 항복 현상을 이해할 수 있었다. 또한 다이오드를 이용한 반파 정류기, 전압 레귤레이터 회로의 동작 원리를 실험적으로 확인하고 이론값과 비교하여 분석할 수 있었다. 특히 전압 레귤레이터의 라인 레귤레이션과 로드 레귤레이션 측정 및 계산 방법을 익힐 수 있었다. 일부 오차가 발생하였지만 전반적으로 이론과 실험 결과가 잘 부합하였다. 이번 실험을 통해 다이오드 및 다이오드 응용 회로에 대한 이해도를 크게 높일 수 있었다.
2. 이론
2.1. 다이오드
다이오드는 비선형, 두 단자 반도체 소자이다. 소자의 두 단자 사이의 전압이 양이면 순방향 전압으로 정의된다. 이상적인 다이오드의 경우 순방향 전압이 인가되면 양의 전류가 흐르고, 역 전압이 인가되면 전류가 거의 흐르지 않는다.
다이오드의 전류-전압 특성 식은 I=I_s(e^(V/nV_T)-1)로 표현된다. 여기서 I는 순방향 전류, V는 순방향 전압, I_s는 포화전류, n은 이상계수(1~2), V_T는 열전압(약 25mV)이다. 이 식에서 전류 I를 로그함수로, 전압 V를 선형함수로 그린 반로그 그래프의 기울기는 이상계수 n의 역수이다.
또한 역 전압이 인가되면 다이오드의 전류는 거의 0에 가까워진다. 하지만 일정 수준 이상의 역 전압(항복전압)이 가해지면 다이오드에서 항복현상이 발생하여 급격한 역전류가 흐르게 된다. 이러한 특성을 이용하는 소자가 제너 다이오드이다.
2.2. 다이오드 특성
다이오드는 비선형, 두 단자 반도체 소자이다. 소자의 두 단자 사이의 전압이 양이면 순방향 전압으로 정의된다. 이상적인 다이오드의 경우 순방향 전압이 인가되면 양의 전류가 흐르고, 역 전압이 인가되면 양 단자 사이 전류가 0이 된다.
다이오드의 전류-전압 특성은 I=Is(e^(V/nVT)-1)로 표현된다. 여기서 I는 순방향 전류, V는 순방향 전압, Is는 포화 전류(약 10^-15A), n은 이상 계수(1~2), VT는 열전압(약 25mV)이다. 이 식을 로그 함수로 표현하면 ln(I)=V/(nVT)+ln(Is)가 된다. 전류 I를 로그함수로, 전압 V를 선형 함수로 그려 반로그 그래프를 그리면 기울기가 1/n이 된다.
따라서 기울기를 이용하여 이상...
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