이상적인 다이오드 회로의 이해(회로기초, 측정을 통해 이해해보자)

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좀 더 자세한 내용들을 보기 위해 아래와 같이 녹화된 영상을 볼 수 있습니다.

 

https://contents.premium.naver.com/informationgs/takeinformationgs/contents/231018154234020au

[전자회로 1] 이상적인 다이오드(1)

https://contents.premium.naver.com/informationgs/takeinformationgs/contents/231018154416848os

[전자회로 1] 이상적인 다이오드(2)

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다이오드의 회로해석은 3가지방법이 존재합니다.

 

회로 해석의 방법	이상적인 모델	지수모델	일정 전압 모델
어떻게 해석하나?	스위치로 동작	다이오드의 전류 식을 통한 해석	하나의 전압원으로 해석

이번 포스팅에서는 이상적인 모델을 통해서 회로가 어떻게 해석이 되는지 알아본다.

 

BJT를 이해하기에 앞서 다이오드의 심볼은 아래와 같습니다. 

 

다이오드의 심볼

 

다이오드의 원리는 PN접합에서 알 수 있듯이 애노드는 PN 접합에서 P 타입으로 도핑된 실리콘이며 애노드이다 애노드의 표현은 화살표같은 삼각형으로 볼 수 있는데 이는 전류의 방향이 애노드에서 캐소드로 간다는 것을 의미합니다.

 

N타입으로 도핑된 실리콘은 캐소드라고 불리는데 전류를 막는 막대기로 표현이 되었다.

 

왜그러는지는 PN접합에서 전류를 원활하게 흐르게 하려면 문턱전압 이상의 전압이 순방향으로 인가되어야 전류가 흐름을 알 수 있었는데 이를 막대기로 표현한 것이다.

 

다이오드의 전원을 키려면 전압이 애노드에는 (+) 전압, 캐소드에는 (-) 전압이 인가 되어야 켜질 수 있다.

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이상적인 다이오드회로 해석

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이상적인 다이오드 해석은 저항이 0, 무한대에 의미에서 전압과 전류가 어떻게 되는지에 대해 설명하고 있습니다.

아래의 내용이 잘 이해가 가지 않는다면 아래의 링크를 참조하여 앞부분을 이해하시기 바랍니다.

 

2021.08.18 - [회로 해석 기초 지식/Basic] - 전원 변환에 대해 알아보자

전원 변환에 대해 알아보자

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이상적인 다이오드는 하나의 스위치로 볼 수 있다!!

 

이상적인(ideal) 다이오드는 하나의 스위치로 볼 수 있는데, 애노드의 전압이 캐소드의 전압보다 높아야 다이오드가 전류를 흘려주게 하는 매개체로 생각할 수 있다.

 

순방향의 바이어스인가

 

사진 1. 순방향 바이어스의 다이오드

 

사진 1과 같이 순방향이 인가되면 다이오드는 스위치가 닫혀 단락회로(Short Circuit)가 된다 이상적인 다이오드해석에선  스위치가 닫혀 단락회로가 되니 전류는 흐르지만 저항성분은 0이다. 저항성분이 0이 되려면 전압은 0, 전류는 존재함을 의미한다.

 

역방향 바이어스인가

 

사진 2. 역방향 바이어스의 다이오드

 

역방향 바이어스는 애노드에 (-)의 전압 캐소드의 (+) 전압이 인가되는 것을 의미한다. 이 전압의 차이(Vca, a는 anode, c는 cathode)는 양의 값이 나올 것이다 예를 들어 Vca=5V를 인가하면 5V가 나오는 것을 의미한다.

 

반대로 애노드와 캐소드의 전압차이는 Vac(a는 anode, c는 cathode) -5V가 된다. 따라서 PN접합에서의 공핍 영역이 증가하여 전류는 흐르지 않게 됨을 의미하고, 음의 전압만 존재한다 이는 순방향에서의 다이오드의 저항성분은 0이였지만 역방향에서는 무한대가 된다.

 

따라서 이상적인 다이오드의 I/V 커브의 결과는 아래 사진 3처럼 나오게 된다.

 

사진 3. I/V 커브 (VD=Vac 라고 생각하면 편하다)

 

순방향과 역방향을 정리하게 되면 역방향에서는 전압은 존재하지만 전류가 흐르지않아 0의 전류를 가져 무한대의 저항을 가지고, 다이오드 양단에 걸린 전압(VD)가 0이 되면 전류는 존재하지만 전압이0이 되어 무한대의 전류를 가진게 된다.

 

다이오드와 저항의 조합을 통한 해석

 

1) 역평행(antipararllel) 다이오드 회로

 

사진 4. 주어진 회로

하나의 다이오드에서 순방향이 주어지면 다이오드의 전압이 0일때 다이오드 전류가 흐름을 알 수 있습니다.

 

사진 5. 순방향의 전압이 인가될 때

 

즉 0이상일 때는 양의 전류가 흐름을 알 수 있습니다.

 

그러면 역방향으로 인가 될 때는 전압원의 위치를 반대로 돌려놓을 수 있습니다 왜냐면 전압차이가 음의 부호를 가지기 시작하니까요

 

사진 6. 역방향 바이어스 전압이 인가될 때

 

순방향과 비슷한 원리지만 위에 내용과는 다르게 역방향의 바이어스는 기존에 다이오드 걸린 전압 즉 0이하에서 0의 전류를 가졌지만 역방향에 맞게 다이오드를 반대로 위치시키면 음의 전압에서도 역방향으로 연결된 다이오드가 음의 전류를 가집니다 여기서 음의 전류를 가지는 이유는 사진 4에서의 전류의 방향이 반대로 가게되고 이 전류가 D2의 애노드로 가기 때문입니다.

 

2) 저항과 다이오드 조합 회로

 

사진 7. 저항과 다이오드회로

 

이상적인 회로 해석에는 다이오드가 동작(ON)일 때 전류가 흐르고 저항성분은 0, OFF일 때 전류가 흐르지 않아 저항성분은 무한대임을 반복해서 배웠다.

 

다이오드가 순방향에서 동작하면 전압원을 통해 흐르는 전류는 전압원의 전압을 저항성분만큼 나눠주게 되면 해당 전류가 나옴을 알 수 있다(옴의 법칙)

 

사진 8. (좌) 다이오드가 순방향 바이어스가 인가될때 (우) 전제 회로

 

다이오드가 역방향에서 동작하면 전압원을 통해 흐르는 전류는 다이오드가 동작하지 않아 개방회로로 동작하게 되며 전류는 0이 된다.

 

사진 9. 역방향 바이어스

 

따라서 이에대한 결과로 I/V 커브는 아래와 같이 표현이 된다.

 

사진 10. 다이오드 저항조합 회로의 I/V커브

 

입력과 출력 특성

(Vout/Vin 커브를 통한 다이오드 회로 해석)

 

자 출력전압과 입력전압을 이해하기에 앞서 왜 우리는 입력 전압에 따른 전류(I/V 커브)를 왜 해석했을까에 대한 의문을 품어야 한다.

 

1) I/V 커브(입력에 따른 전류)

 

위에서 언급한 I/V 커브는 입력 전압을 "원인"이고, 전류를 "결과"로 생각하게 됩니다. 다이오드는 전압 변화에 따라 전류가 달라지기 때문이죠 이는 뒤에 언급될 bjt, mosfet의 I/V 커브와 동일하게 생각합니다.

따라서 회로를 조금 더 직관적으로 해석할 수 있음을 의미합니다.

 

2) Vout/Vin

 

1)과 동일하게 입력 전압이 원인이고, 출력 전압이 결과가 되게 됩니다. 이러한 결과는 다이오드 회로 해석의 마지막 부분인 클램퍼와 같은 제한하는 소자같은 것으로 사용하게 됩니다.

 

이제 본론으로 가게되면 사진 11은 사진 10과 동일한 회로지만 다이오드의 출력 전압을 알기 위해 다이오드 양단에 걸리는 출력 전압을 구하게 된다.

 

사진 11. 저항 다이오드 회로(사진 10과 동일)

출력전압 Vout의 의미는 병렬 회로에서의 전압은 동일하기 때문에 Vout에는 대게 부하저항(Load Resistor)가 Vout 양단에 위치하게 되어 해당 전압을 측정할 수 있습니다.

 

이 부분은 흔히 우리가 디지털멀티미터기로 전압을 측정하는 방법과 동일함을 의미합니다.

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2021.09.01 - [실험 관련/회로이론, 전자회로 실험 가이드라인] - 디지털 멀티미터 사용법

디지털 멀티미터 사용법

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역방향 바이어스 부터 해석을 해봅시다.

 

역방향 바이어스에서는 다이오드가 off 상태이기 때문에 개방 회로로 동작합니다. 이는 Vin과 Vout의 전압이 같음을 의미하죠, 예를 들어 -1V를 Vin에 인가하면 출력전압도 동일하게 -1 V이 측정되게 됩니다.

 

즉 Vout/Vin=1인 기울기를 가지게 됩니다.

 

그러면 순방향 바이어스는 어떻게 될까요?

 

다이오드는 단락회로로 동작하게 되고, 전류를 흘려보낼 수 있죠 하지만 이상적인 다이오드에서 다이오드가 on일 때 저항이 0이죠.

 

저항 0의 의미는 전류는 흐르지만 전압은 0임을 다시 상기시켜야됩니다.

따라서 다이오드에 걸리는 측정된 전압은 0이게 됩니다.

 

결과적으로 사진 11의 회로는 사진 12와 같은 결과를 가지게 됩니다.

 

사진 12. 사진 11의 입출력 특성

 

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