산업기술
산업 제조
제너 다이오드는 역항복 전압으로 인한 항복을 완전히 고장나지 않고 처리할 수 있는 특수한 유형의 정류 다이오드입니다. 여기에서는 다이오드를 사용하여 전압 강하를 조절하는 개념과 제너 다이오드가 역 바이어스 모드에서 작동하여 회로의 전압을 조절하는 방법에 대해 설명합니다.
다이오드와 저항을 DC 전압 소스와 직렬로 연결하여 다이오드가 순방향 바이어스되도록 하면 다이오드 양단의 전압 강하는 아래 그림(a)와 같이 넓은 범위의 전원 전압에서 상당히 일정하게 유지됩니다.
순방향 바이어스 PN 접합을 통한 전류는 e 에 비례합니다. 순방향 전압 강하의 거듭 제곱으로 올립니다. 이것은 지수 함수이기 때문에 전류는 전압 강하의 완만한 증가에 대해 매우 빠르게 상승합니다.
이것을 고려하는 또 다른 방법은 순방향 바이어스 다이오드에서 강하되는 전압이 다이오드 전류의 큰 변화에 대해 거의 변하지 않는다고 말하는 것입니다. 아래 그림 (a)에 표시된 회로에서 다이오드 전류는 전원 공급 장치의 전압, 직렬 저항 및 다이오드의 전압 강하에 의해 제한되며, 이는 우리가 알고 있듯이 0.7V에서 크게 변하지 않습니다.
순방향 바이어스 Si 기준:(a) 단일 다이오드, 0.7V, (b) 직렬 7.0V의 10개 다이오드
전원 전압을 높이면 저항의 전압 강하는 거의 같은 양으로 증가하고 다이오드의 전압은 약간만 떨어집니다. 반대로 전원 공급 장치 전압이 감소하면 저항 전압 강하가 거의 동일하게 감소하고 다이오드 전압 강하가 약간만 감소합니다.
한마디로 이 동작을 다이오드가 조절한다고 요약할 수 있습니다. 약 0.7볼트에서 전압 강하.
전압 조정은 유용한 다이오드 속성입니다. 전원 공급 장치 전압의 변화를 견딜 수 없지만 수명에 따라 전압이 변하는 화학 배터리로 전원을 공급해야 하는 일종의 회로를 구축한다고 가정합니다. 위와 같이 회로를 구성하고 다이오드 양단에 일정한 전압이 필요한 회로를 연결하면 0.7볼트가 변하지 않습니다.
이것은 확실히 작동하지만 모든 종류의 대부분의 실제 회로가 제대로 작동하려면 0.7볼트를 초과하는 전원 공급 장치 전압이 필요합니다. 전압 조정 지점을 높일 수 있는 한 가지 방법은 여러 다이오드를 직렬로 연결하여 각각의 순방향 전압 강하가 각각 0.7V씩 추가되어 더 큰 총계를 생성하도록 하는 것입니다.
예를 들어 위의 [그림(b)] 예에서 10개의 다이오드가 직렬로 연결된 경우 조정된 전압은 0.7의 10배 또는 7V가 됩니다.
배터리 전압이 7볼트 아래로 떨어지지 않는 한 항상 10개 다이오드 "스택"에서 약 7볼트가 떨어집니다.
더 큰 조정 전압이 필요한 경우 직렬로 더 많은 다이오드를 사용하거나(제 생각에는 세련된 옵션임) 근본적으로 다른 접근 방식을 시도할 수 있습니다.
다이오드 순방향 전압은 다양한 조건에서 상당히 일정한 수치이지만 역항복 전압도 마찬가지입니다. 항복 전압은 일반적으로 순방향 전압보다 훨씬 큽니다.
단일 다이오드 레귤레이터 회로에서 다이오드의 극성을 반대로 하고 다이오드가 "고장난" 지점까지 전원 공급 장치 전압을 높인 경우(즉, 다이오드에 가해진 역 바이어스 전압을 더 이상 견딜 수 없음), 다이오드는 그 항복점에서 전압을 유사하게 조절하여 더 이상 증가하지 않도록 합니다. 이는 아래 그림(a)에 나와 있습니다.
(a) 역 바이어스된 Si 소신호 다이오드는 약 100V에서 고장납니다. (b) 제너 다이오드의 기호입니다.
불행히도 일반 정류 다이오드가 "고장"되면 일반적으로 파괴적으로 발생합니다. 그러나 완전히 실패하지 않고 고장을 처리할 수 있는 특수한 유형의 다이오드를 구축하는 것은 가능합니다. 이러한 유형의 다이오드를 제너 다이오드라고 합니다. , 그 기호는 위의 그림(b)와 같습니다.
순방향 바이어스일 때 제너 다이오드는 표준 정류 다이오드와 거의 동일하게 동작합니다. "다이오드 방정식"을 따르는 순방향 전압 강하가 있고 약 0.7V입니다. 역 바이어스 모드에서는 적용된 전압이 소위 제너 전압에 도달하거나 초과할 때까지 전도되지 않습니다. , 이 지점에서 다이오드는 상당한 전류를 전도할 수 있으며 그렇게 함으로써 다이오드를 가로질러 떨어지는 전압을 해당 제너 전압 지점으로 제한하려고 합니다.
이 역전류에 의해 소비되는 전력이 다이오드의 열 제한을 초과하지 않는 한 다이오드는 손상되지 않습니다. 이러한 이유로 제너 다이오드를 "브레이크다운 다이오드"라고도 합니다.
제너 다이오드는 몇 볼트에서 수백 볼트에 이르는 제너 전압으로 제조됩니다. 이 제너 전압은 온도에 따라 약간 변하며 일반적인 탄소 조성 저항 값과 마찬가지로 제조업체 사양에서 오차가 5%에서 10% 사이일 수 있습니다. 그러나 이 안정성과 정확도는 일반적으로 아래 그림의 공통 전원 공급 회로에서 제너 다이오드를 전압 조정 장치로 사용하기에 충분합니다.
제너 다이오드 레귤레이터 회로, 제너 전압 =12.6V).
제너 다이오드 작동 위의 회로에서 제너 다이오드의 방향에 유의하십시오. 다이오드는 역 바이어스입니다. , 그리고 의도적으로 그렇게. 순방향 바이어스가 되도록 다이오드를 "정상" 방식으로 지향했다면 일반 정류 다이오드처럼 0.7볼트만 떨어뜨릴 것입니다. 이 다이오드의 역 항복 특성을 이용하려면 역 바이어스 모드에서 작동해야 합니다. 전원 공급 장치 전압이 제너 전압(이 예에서는 12.6볼트)보다 높게 유지되는 한 제너 다이오드에서 떨어지는 전압은 약 12.6볼트로 유지됩니다.
다른 반도체 장치와 마찬가지로 제너 다이오드는 온도에 민감합니다. 과도한 온도는 제너 다이오드를 파괴하고 전압을 낮추고 전류를 전도하기 때문에 줄의 법칙(P=IE)에 따라 자체 열을 생성합니다. 따라서 다이오드의 소비 전력을 초과하지 않도록 조정기 회로를 설계하는 데 주의해야 합니다. 흥미롭게도 제너 다이오드가 과도한 전력 손실로 인해 고장 나면 일반적으로 단락됩니다. 오픈보다. 이러한 방식으로 고장난 다이오드는 쉽게 감지됩니다. 와이어 조각처럼 어느 쪽으로든 바이어스되면 거의 0 전압이 떨어집니다.
모든 전압, 전류 및 전력 손실을 결정하는 제너 다이오드 조절 회로를 수학적으로 조사해 보겠습니다. 앞에서 설명한 것과 동일한 형태의 회로를 사용하여 제너 전압이 12.6V, 전원 공급 장치 전압이 45V, 직렬 저항 값이 1000Ω이라고 가정하여 계산을 수행합니다(제너 전압은 정확히 아래 그림(a)에서 모든 수치를 "근사치"로 한정하지 않도록 12.6볼트
제너 다이오드의 전압이 12.6볼트이고 전원 공급 장치의 전압이 45볼트이면 저항에서 32.4볼트가 떨어집니다(45볼트 - 12.6볼트 =32.4볼트). 1000Ω에서 32.4볼트가 떨어지면 회로에 32.4mA의 전류가 발생합니다. (아래 그림(b))
(a) 1000Ω 저항이 있는 제너 전압 조정기. (b) 전압 강하 및 전류 계산.
전력은 전류에 전압(P=IE)을 곱하여 계산하므로 저항과 제너 다이오드 모두에 대한 전력 손실을 아주 쉽게 계산할 수 있습니다.
정격 전력이 0.5와트인 제너 다이오드와 1.5와트 또는 2와트의 소산을 나타내는 저항기가 적합합니다.
과도한 전력 손실이 해롭다면 가능한 한 최소한의 손실을 위해 회로를 설계하지 않는 이유는 무엇입니까? 매우 높은 값의 저항에 대해 저항의 크기를 조정하여 전류를 심각하게 제한하고 전력 손실 수치를 매우 낮게 유지하지 않는 이유는 무엇입니까? 예를 들어 1kΩ 저항 대신 100kΩ 저항을 사용하여 이 회로를 사용합니다. 아래 그림에서 전원 공급 장치 전압과 다이오드의 제너 전압은 모두 마지막 예와 동일합니다.
100kΩ 저항이 있는 제너 레귤레이터.
우리가 이전에 가지고 있던 전류의 1/100(32.4mA 대신 324μA)으로 두 전력 손실 수치는 100배 더 작아야 합니다.
이상적이지 않나요? 전력 손실이 적다는 것은 다이오드와 저항기 모두의 작동 온도가 낮아지고 시스템에서 낭비되는 에너지가 적다는 것을 의미합니다. 맞습니까? 저항값이 높을수록 회로의 전력 손실 수준을 줄이지 만 불행히도 또 다른 문제가 발생합니다. 조정기 회로의 목적은 다른 회로에 안정적인 전압을 제공하는 것입니다. . 다시 말해서, 우리는 결국 12.6볼트로 전원을 공급할 것이고, 이것은 자체적으로 전류를 소모하게 될 것입니다.
이번에는 500Ω 부하가 아래 그림의 제너 다이오드와 병렬로 연결된 첫 번째 조정기 회로를 고려하십시오.
1000Ω 직렬 저항 및 500Ω 부하가 있는 제너 레귤레이터.
500Ω 부하에서 12.6볼트가 유지되면 부하가 25.2mA의 전류를 소비합니다. 1kΩ 시리즈 "강하" 저항기가 32.4볼트를 떨어뜨리려면(45볼트의 전원 공급 장치 전압을 제너에서 12.6으로 감소), 여전히 32.4mA의 전류를 전도해야 합니다. 이렇게 하면 제너 다이오드를 통해 7.2mA의 전류가 남습니다.
더 높은 가치 강하 저항 고려 사항
이제 동일한 500Ω 부하에 전력을 공급하는 100kΩ 강하 저항이 있는 "절전" 조정기 회로를 고려하십시오. 마지막 회로와 마찬가지로 부하에서 12.6볼트를 유지해야 합니다. 그러나 앞으로 보게 되겠지만 할 수 없습니다. 이 작업을 수행합니다. (아래 그림)
500Ω 부하의 100KΩ 직렬 저항이 있는 제너 비조절기>
강하 저항의 값이 더 크면 500Ω 부하에 걸쳐 약 224mV의 전압만 발생하며, 이는 예상 값인 12.6V보다 훨씬 낮습니다! 왜 이런거야? 실제로 부하에 12.6볼트가 있는 경우 이전과 같이 25.2mA의 전류가 소모됩니다. 이 부하 전류는 이전과 같이 직렬 강하 저항기를 통과해야 하지만 새로운(훨씬 더 큼!) 강하 저항기가 제자리에 있으면 25.2mA의 전류가 흐르는 저항기에서 떨어지는 전압은 2,520볼트가 됩니다! 분명히 배터리에서 공급하는 전압이 그렇게 많지 않기 때문에 이런 일이 발생할 수 없습니다.
제너 다이오드 없이 더 높은 낙하 저항 분석
회로에서 일시적으로 제너 다이오드를 제거하고 아래 그림에서 2개의 저항만으로 동작을 분석하면 상황을 더 쉽게 이해할 수 있습니다.
제너가 제거된 비규제자.
100kΩ 드롭 저항과 500Ω 부하 저항은 모두 직렬로 연결되어 총 회로 저항은 100.5kΩ입니다. 총 전압이 45볼트이고 총 저항이 100.5kΩ인 경우 옴의 법칙(I=E/R)에 따르면 전류는 447.76μA가 됩니다. 두 저항(E=IR)의 전압 강하를 계산하면 각각 44.776볼트와 224mV에 도달합니다.
이 시점에서 제너 다이오드를 다시 설치하면 부하 저항과 병렬인 224mV도 "볼" 것입니다. 이것은 다이오드의 제너 항복 전압보다 훨씬 낮으므로 "분해"되지 않고 전류를 전도합니다. 그 문제에 대해, 이 낮은 전압에서 다이오드는 순방향 바이어스된 경우에도 전도되지 않습니다! 따라서 다이오드는 전압 조절을 중단합니다. "활성화"하려면 최소 12.6볼트를 떨어뜨려야 합니다.
회로에서 제너 다이오드를 제거하고 전도하기에 충분한 전압이 존재하는지 확인하는 분석 기술은 건전한 것입니다. 제너 다이오드가 회로에 연결되어 있다고 해서 전체 제너 전압이 항상 회로에 걸쳐 떨어지는 것은 아닙니다! 제너 다이오드는 제한함으로써 작동한다는 것을 기억하십시오. 어떤 최대 레벨까지의 전압; 그들은 화해할 수 없습니다. 전압이 부족하기 때문입니다.
요약하면, 모든 제너 다이오드 조절 회로는 부하의 저항이 최소값 이상인 한 작동합니다. 부하 저항이 너무 낮으면 너무 많은 전류를 끌어 직렬 강하 저항기 전체에 너무 많은 전압을 떨어뜨리고 제너 다이오드 양단에 전압이 부족하여 전도되도록 합니다. 제너 다이오드가 전류 전도를 중단하면 더 이상 전압을 조절할 수 없으며 부하 전압이 조절 지점 아래로 떨어집니다.
그러나 100kΩ 강하 저항이 있는 조정기 회로는 부하 저항 값에 적합해야 합니다. 이 허용 가능한 부하 저항 값을 찾기 위해 표를 사용하여 2 저항 직렬 회로(다이오드 없음)의 저항을 계산하고 알려진 총 전압 및 저항 저항 값을 삽입하고 12.6볼트의 예상 부하 전압을 계산할 수 있습니다. :
총 전압이 45볼트이고 부하에서 12.6볼트가 걸리면 R강하에서 32.4볼트가 되어야 합니다. :
강하 저항에 32.4볼트가 있고 100kΩ에 해당하는 저항이 있는 경우 이를 통과하는 전류는 324μA가 됩니다.
직렬 회로이기 때문에 전류는 주어진 시간에 모든 구성 요소를 통해 동일합니다.
부하 저항 계산은 이제 옴의 법칙(R =E/I)의 간단한 문제이며 38.889kΩ을 제공합니다.
따라서 부하 저항이 정확히 38.889kΩ이면 다이오드에 12.6V가 흐르거나 다이오드가 없습니다. 38.889kΩ보다 작은 부하 저항은 12.6V 미만의 부하 전압, 다이오드 또는 다이오드 없음이 됩니다. 다이오드가 제자리에 있으면 부하 저항이 더 크면 부하 전압이 최대 12.6V로 조정됩니다. 38.889kΩ 이상.
강하 저항에 대한 원래 값이 1kΩ인 경우 우리의 레귤레이터 회로는 500Ω의 낮은 부하 저항에도 전압을 적절하게 조절할 수 있었습니다. 우리가 보는 것은 전력 손실과 허용 가능한 부하 저항 간의 균형입니다. 더 높은 값의 드롭 저항은 허용 가능한 최소 부하 저항 값을 높이는 대신 전력 손실을 줄였습니다. 낮은 값의 부하 저항에 대해 전압을 조절하려면 더 높은 전력 손실을 처리할 수 있도록 회로를 준비해야 합니다.
제너 다이오드는 상보적 부하로 작동하여 전압을 조절하고 부하에서 일정한 전압 강하를 보장하기 위해 필요에 따라 더 많거나 더 적은 전류를 끌어옵니다. 이것은 스로틀 위치를 변경하는 대신 제동을 통해 자동차의 속도를 조절하는 것과 유사합니다. 이는 낭비일 뿐만 아니라 주행 조건에서 요구하지 않을 때 모든 엔진 출력을 처리할 수 있도록 브레이크를 제작해야 합니다.
이러한 근본적인 설계 비효율에도 불구하고 제너 다이오드 레귤레이터 회로는 단순한 단순성으로 인해 널리 사용됩니다. 비효율성을 수용할 수 없는 고전력 애플리케이션에서는 다른 전압 조정 기술이 적용됩니다. 그러나 그때에도 작은 제너 기반 회로는 종종 주 전원을 제어하는 보다 효율적인 증폭기 회로를 구동하기 위해 "기준" 전압을 제공하는 데 사용됩니다.
제너 다이오드는 아래 표에 나열된 표준 전압 정격으로 제조됩니다. "공통 제너 다이오드 전압" 표에는 0.3W 및 1.3W 부품에 대한 공통 전압이 나열되어 있습니다. 와트는 다이 및 패키지 크기에 해당하며 다이오드가 손상 없이 소산될 수 있는 전력입니다.
공통 제너 다이오드 전압
0.5W 2.7V3.0V3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V24V27V30V 1.3W 4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V22V24V27V30V33V36V39V43V47V51V56V62V68V75V100V200V제너 다이오드 클리퍼: 대략 다이오드의 제너 전압에서 파형의 피크를 클리핑하는 클리핑 회로. 아래 그림의 회로에는 거의 제너 전압에서 파형을 대칭적으로 자르기 위해 반대되는 직렬로 연결된 두 개의 제너가 있습니다. 저항기는 제너에 의해 소비되는 전류를 안전한 값으로 제한합니다.
*SPICE 03445.eps D1 4 0 다이오드 D2 4 2 다이오드 R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 20 1k) .model 다이오드 d bv=10 .tran 0.001m 2m .end
제너 다이오드 클리퍼:
다이오드의 제너 항복 전압은 위 그림의 스파이스 네트 목록에서 다이오드 모델 매개변수 "bv=10"에 의해 10V로 설정됩니다. 이로 인해 제너는 약 10V에서 클립됩니다. 백투백 다이오드는 두 피크를 모두 클립합니다. 양의 반주기의 경우 상단 제너는 역 바이어스되어 10V의 제너 전압에서 분해됩니다. 하단 제너는 순방향 바이어스되기 때문에 약 0.7V가 떨어집니다. 따라서 더 정확한 클리핑 레벨은 10+0.7=10.7V입니다. 유사한 음의 반주기 클리핑이 -10.7V에서 발생합니다. (아래 그림)은 ±10V를 약간 넘는 클리핑 레벨을 보여줍니다.
제너 다이오드 클리퍼:v(1) 입력이 파형 v(2)에서 잘립니다.
검토:
<울>관련 워크시트:
<울>산업기술
가장 간단한 전자 용어로 전압 증폭기는 원래 증폭기를 통해 공급되는 입력 전압보다 높은 전압 출력을 생성하는 증폭기입니다. 이것은 증폭기에 공급되는 원래 신호 강도보다 더 강력한 출력을 생성하는 전력 증폭기와 다릅니다. 전압증폭기는 더 긴 전선이나 더 넓은 면적을 통해 더 높은 전압의 전송이 필요할 때 사용되며, 전압 출력을 높일 수 있다는 점에서 변압기와 유사합니다. 전압 증폭기는 호스 노즐과 같이 생각할 수 있습니다. 호스에 흐르는 물의 양은 노즐에서 나오는 강도로 증폭됩니다. 전압 증폭기는 전원을 공급하지 않고 원하는 결과를
실리콘 다이오드는 양극과 음극이 있는 반도체로 전류는 한 방향으로 흐르게 하고 다른 방향으로는 제한할 수 있습니다. 실리콘 요소 , 순수한 형태로 전기 절연체 역할을 합니다. 도핑이라고 하는 과정에서 전기를 전도할 수 있도록 다른 요소의 미량 - 거기에 추가됩니다. 이를 통해 실리콘 다이오드를 구축하는 데 사용되는 충전된 반도체 재료가 만들어지며, 이 다이오드는 라디오, 컴퓨터, 교류-직류(AC/DC) 전원 공급 장치, 그리고 다른 애플리케이션 중에서도 온도 및 복사 센서로 자주 사용됩니다. 실리콘 다이오드가 만들어지면 양극과 음