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전자회로 다이오드 레포트

전 자 회 로 1 실 험 보 고 서 (Preliminary report)MajorStudent IDGradeGroupNameexperiment dateDue dateTitle2주차 실험(Diode 특성 파악)1. Theory다이오드는 전류를 한 방향으로 흐르게 하고, 역방향으로는 흐르지 못하게 하는 성질를 가진 반도체 소자 또는 2극 진공관을 뜻한다. 여기서 한 방향은 화살표의 방향과 일치하며 P(+)에서 N(-) 의 방향을 뜻한다. 보통 교류를 직류로 변환할 때 사용한다.1) 다이오드의 동작대부분 다이오드를 말할 때 정류 다이오드를 말한다. 앞서 설명했던 것과 같이 한 방향으로만 흐르게 하고 역방향으로는 흐르지 못하게 하는 성질이 있다. 다이오드의 동작을 쉽게 그림으로 표현하자면위와 같이 표현할 수 있다. anode에 (+), cathode에 (-) 가 연결이 되면 전류가 문제없이 흐르게 된다 반면에 anode에 (-), cathode에 (+)가 연결이 되면 문턱에 걸려 전류가 anode 방향으로 흐르지 못하게 된다.이를 응용하면, 아래와 같은 동작을 구현할 수 있다.모터가 연결된 회로이다. 만약 위의 회로에서 입력 전원(배터리)을 반대로 연결한다면 어떻게 될까?입력 전원을 반대로 연결하여도 다이오드의 동작에 의해 모터의 전원이 순방향으로 흐르고 있다. 실수로 입력 전원을 반대로 연결한다고 해도 정상적인 회로로 구현할 수 있다. 위와 같은 회로로 구성되어 있는 제품을 브릿지 다이오드라고 한다.2)다이오드를 사용하는 이유-역전압을 막기 위해역전압을 막아야 하는 이유와 다이오드를 사용해야 하는 이유는 아주 밀접한 관계에 있다. 저항도 넣고, 센서도 넣고, 모터도 넣고, 모듈도 넣고, 아두이노도 넣고, 트랜지스터도 넣은 회로도를 구성하셨다고 가정을 해보자. 그 회로에 전원을 반대로 넣었다고 생각해보면 센서는 죽고, 모터는 반대로 돌고, 모듈도 죽고, 아두이노도 타고, 트랜지스터는 열나고 등의 문제 뿐만 아니라 스파크나 감전, 화재 까지 이어질 수 있다. 따라서 안전을 위해서라도 사용해야 한다.-역기전력을 막기 위해흔히 코일이나 모터를 사용하는 회로에 다이오드가 들어간다. 모터로 예를 들자면, 모터가 회전하고 있는 동안에 코일에 에너지가 축적된다. 그러다가 갑자기 모터가 OFF가 된다면 전원은 끊기지만 코일에 에너지가 남아있는 상태가 되며 모터는 에너지를 방출하려고 하고, 이때 높은 전압을 가진 역방향의 기전력이 발생된다. 만약 아두이노와 같은 컨트롤 보드나 다른 센서, 트랜지스터를 사용하고 있다면 고장이나 파괴 될 수 있다. 그를 막기 위해 다이오드를 사용하여, 역방향으로 오는 기전력을 차단하여 다른 제품들을 안전하게 사용할 수 있다.제너 다이오드는 다이오드와 마찬가지로 PN접합 반도체로 일반 다이도의 PN접합 반도체보다 더 많은 불순물이 들어가 있다. PN반도체 안에 들어있는 불순물의 함량에 따라서 항복전압이 높아지고 낮아지게 된다. 이와 같은 방법으로 제너 다이오드는 불순물 조절을 통하여 설정된 항복전압만큼의 전류 양을 특별히 반대로 흐를수 있도록 해주는 역할을 한다. 이것이 제너 다이오드와 일반 다이오드의 큰 차이점이라 볼 수 있다. 일반 다이오드는 전류가 반대로 흐를 경우 이를 막는 역할을 하는 반면 제너 다이오드는 정방향에서는 일반 다이오드와 동일한 특성으로 동작을 하지만 역방향 전압에서는 일반 다이오드보다 낮은 전압(항복전압)에서 역방향 전류가 흐르도록 만들어진 소자이다.1) 제너 다이오드를 사용하는 이유다이오드도 반도체이지만 소자인지라 높은 전압을 가해주면 망가져서 망가진 쪽으로 누설전류가 흘러 들어가게 되고, 전압을 조금만 높여도 많은 전류가 흘러 들어가는 문제가 발생한다. 우리는 소자가 손상되는 시점의 전압을 항복전압이라 하고, 제너 다이오드는 그 항복전압을 역으로 이용하여 회로를 안정시켜주는 역할을 한다.2) 제너 다이오드의 동작위 그림과 같이 제너 다이오드 반대 방향으로 전류가 흐를 경우 전압에 따라 그래프는 왼쪽의 붉게 표시된 부분과 같이 제너 다이오드가 동작을 하게 되고 이러한 경우를 역방향 바이어스라 한다. 이 경우에도 처음에는 일반 다이오드의 역방향 특성과 유사하게 역방향 전압이 인가되어도 전류가 거의 흐르지 않다가 항복전압 이상의 역방향 전압이 인가되면 제너 다이오드는 항복영역에서 동작하게 되어 갑작스러운 역방향 전류가 흐르게 되며, 이 때 제너 다이오드 양단에는 항시 일정한 전압이 나타나게 된다.Experimental method ( LT-spice simulation, experiment procedure )그림 2-1 PN 접합 다이오드의 전류-전압 특성 회로그림 2-2 제너 다이오드의 전류-전압 특성 회로(1) 그림 2-1의 실험회로에서 Vsig 전압을 -10~10V 까지 1V간격으로 바꾸면서, 다이오드에 흐르는 전압 ID와 전압강하 VD를 측정한 후 다이오드의 동작영역도 표시. (R1=100옴으로 놓고 측정)Vsig 전압VD 전압ID 전류동작 영역-10V-9.9999V-2.5599416nAreverse-9V-8.9999V-2.5589688nAreverse-8V-7.9999V-2.5579749nAreverse-7V-6.9999V-2.55696nAreverse-6V-5.9999V-2.5559872nAreverse-5V-4.9999V-2.5549933nAreverse-4V-3.9999V-2.5539781nAreverse-3V-2.9999V-2.5529843nAreverse-2V-1.9999V-2.5520008nAreverse-1V-0.9999V-2.5509965nAreverse000600mV550.84562mV491.55176µAforward650mV571.8464mV781.54227µAforward700mV588.1045mV1.1189573mAforward750mV601.15474mV1.4893676mAforward800mV611.75136mV1.8830429mAforward850mV620.66713mV2.2935963mAforward900mV628.33735mV2.716776mAforward1V640.98299mV3.5902278mAforward2V699.62788mV13.003722mAforward3V725.34728mV22.746526mAforward4V742.02275mV32.579772mAforward5V754.42219mV42.455781mAforward6V764.3261mV52.356742mAforward7V772.59398mV62.274061mAforward8V779.70695mV72.202928mAforward9V785.96115mV82.140386mAforward10V791.55159mV92.084482mAforward표 2-1 PN 접합 다이오드의 전류-전압 특성(2) (1)에서 측정된 결과를 바탕으로 PN 접합 다이오드의 전류/전압 특성 곡선을 그리고 곡선의 기울기를 바탕으로 rD값을 구간별로 도출.rD는 전압을 전류로 나눈 값으로 구할 수 있다. 따라서 -10~0.7V에서는 rD의 값이 크고 그 외의 지점에서는 rD의 값이 작다는 것을 위의 그래프를 통해서 알 수 있다.(3) 그림 2-2의 실험회로에서 Vsig 전압을 -10~10V 까지 1V간격으로 바꾸면서, 다이오드에 흐르는 전압 IZ와 전압강하 VZ를 측정한 후, IZ, VZ 값을 바탕으로 다이오드의 동작영역도 표시. (R1=100옴으로 놓고 측정)표 2-2 제너다이오드의 전류-전압 특성Vsig 전압VZ 전압IZ 전류동작 영역-10V-5.1000919V-48.999093mAbreakdown-9V-5.0848277V-39.151724mAbreakdown-8V-5.0681167V-29.318832mAbreakdown-7V-5.0486258V-19.513743mAbreakdown-6V-5.02154V-9.7846007mAbreakdown-5V-4.8709164V-1.2910054mAbreakdown-4V-3.9991268V-8.7323469µAreverse-3V-2.9999967V-32.865671nAreverse-2V-1.9999996V-4.1968873nAreverse-1V-999.99965mV-3.5034331nAreverse000600mV586.2341mV137.65924µAforward650mV622.52813mV274.7195µAforward700mV651.09148mV489.09505µAforward750mV672.4003mV776.01662µAforward800mV688.20217mV1.1179902mAforward850mV700.22753mV1.4977289mAforward900mV709.79561mV1.9029174mAforward1V723.94753mV2.7607665mAforward2V780.49076mV12.195094mAforward3V807.69277mV21.923073mAforward4V828.56584mV31.714343mAforward5V846.61674mV41.533832mAforward6V863.06572mV51.369343mAforward7V878.48186mV61.215181mAforward8V893.17703mV71.068227mAforward9V907.34005mV80.926597mAforward10V921.09489mV90.78905mAforward(4) (3) 바탕으로 제너 다이오드의 전류/전압 특성 선을 그리시오. 그리고 그래프의 기울기를 바탕으로 rZ 값을 도출 할 것rZ는 전압을 전류로 나눈 값으로 구할 수 있다. 따라서 -4.9~0.7V에서는 rZ의 값이 크고 그 외의 지점에서는 rZ의 값이 작다는 것을 위의 그래프를 통해서 알 수 있다.Prediction experiment result다이오드와 제너 다이오드 둘다 Vsig 전압이 -4V~0.7V에서는 전류가 거의 흐르지 않는다. 그리고 VD.on보다 큰 전압을 인가하였을 경우에는 전류가 많이 흐르기 시작하는 것을 관찰할 수 있다.또한 -5V전압이하의 전압을 걸어 주었을 때 일반적인 다이오드의 경우에는 reverse 상태이기 때문에 전류가 거의 흐르지 않지만, 제너다이오드인 경우는 breakdown이 일어나기 때문에 매우 큰 전류가 흐르는 것을 관찰할 수 있다.

공학/기술| 2020.06.28| 7페이지| 1,000원| 조회(160)

다이오드, 전자회로, 예비보고서

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