DIAC 완벽 해설: 구조, 동작 원리 및 핵심 응용 분야

DIAC은 범용 모터 속도 제어, AC 램프 디머 등의 응용 분야에서 흔히 볼 수 있습니다. 이는 반도체가 전류를 제어하여 장치의 홀딩 전류 레벨 이하로 감소할 때까지 돕기 때문입니다.

따라서 DIAC은 낮은 전류 레벨로 진입하지 않습니다. 오히려 전도에 진입하면 전류 증가에 따라 전압이 감소합니다. 의심할 여지 없이 이 반도체는 사이리스터(thyristor) 패밀리에 속하지만, 양방향 광범위 트리거 장치에 더 가깝습니다.

DIAC에 대해 더 알고 싶으신가요? 그럼 계속 읽어보세요. 층 구조, 작동 원리 등 기초부터 안내해 드리겠습니다.

시작해 볼까요!

DIAC이란 무엇인가?

DIAC은 '교류용 다이오드(Diode for Alternating Current)'의 약자입니다. 이 고체 소자는 두 개의 접합 반도체와 세 개의 층을 특징으로 합니다.

처음 보면 DIAC의 구조를 트랜지스터로 착각할 수 있습니다. 하지만 차이점은 전자가 베이스 층에 단자가 없다는 것입니다. 따라서 두 단자 장치(A1 & A2)입니다.

DIAC은 증폭을 제공하지 않으며, 대신 양방향 스위칭 다이오드처럼 동작합니다. 또한 DIAC 직류는 적절한 AC 전압 공급의 양극성 중 하나에서 나옵니다.

또한 DIAC은 표면 실장 패키지, 섀시와 결합된 대형 패키지, 소형 리드 패키지 등 다양한 패키지로 제공됩니다.

DIAC의 기호는 무엇인가?

DIAC은 병렬로 연결된 두 개의 다이오드로 표현할 수 있습니다. 하지만 다이오드는 서로 반대 방향이어야 합니다. 또한 장치는 두 개의 단자(애노드 1과 애노드 2)를 가집니다.

DIAC 기호

출처: Wikimedia Commons

또한 메인 단자를 MT로 표시할 수도 있습니다. 단자는 커패시터처럼 양방향이므로 가역적입니다. 또한 DIAC에는 게이트 단자가 없습니다.

DIAC 구조

앞서 언급했듯이 DIAC 구조는 트랜지스터와 유사합니다. 하지만 베이스 단자가 없다는 점에서 두드러집니다. 또한 DIAC의 세 층은 동일한 양의 도핑을 가집니다. 또한 인가 전압의 극성에서 대칭적인 스위칭 특성을 제공합니다.

DIAC NPN 구조

출처: Wikimedia Commons

단자에 가까운 반도체 층은 음성 및 양성 층이 결합되어 있습니다. 따라서 장치의 단자에 전압을 가하면 전압의 특정 극성에 해당하는 층이 활성화됩니다. 그리고 두 극성의 융합이 DIAC의 양방향 동작을 돕습니다.

DIAC 동작

A1 또는 MT1 단자가 양성이면 MT1 근처의 P1 층이 활성화됩니다. 따라서 전도는 특정 순서로 발생합니다: P1-N2-P2-N3.

전류가 MT1에서 MT2로 이동하는 순간, P2-N3 사이의 접합은 역바이어스됩니다. 또한 P1-N2 사이의 두 번째 접합은 순방향 바이어스됩니다.

마찬가지로 양성 MT2 단자가 있으면 두 번째 단자(MT2) 근처의 P2 층이 활성화됩니다. 따라서 전도는 이 순서로 발생합니다: P2-N2-P1-N1.

따라서 전류가 MT2에서 MT1로 이동할 때, N2-P1 사이의 접합은 역바이어스됩니다. 하지만 P1-N1과 P2-N2 사이의 연결은 순방향으로 제한됩니다. 따라서 양방향으로 전도가 발생합니다.

DIAC의 V-I 특성은 무엇인가?

DIAC이 양극성과 음극성 모두에서 전압을 전도하므로, 곡선은 두 사분면(제1, 제3)에 위치합니다. 따라서 V-I 특성 곡선은 Z 모양을 형성합니다.

제1 사분면은 전류가 MT1에서 MT2로 이동하는 양의 반주기를 나타냅니다. 반면 제3 사분면은 반대인 음의 반주기를 보여주며, 여기서 전류는 MT2에서 MT1로 이동합니다.

처음에는 층 사이의 역바이어스 접합으로 인해 DIAC의 저항이 높은 경향이 있습니다. 결과적으로 작은 누설 전류가 DIAC을 통해 흐릅니다. 이 영역을 곡선에서 차단 상태라고 부를 수 있습니다.

또한 인가 전압이 파괴 전압(breakdown voltage)에 도달하면 DIAC의 저항이 급격히 감소합니다. 이때 전도가 시작되어 전압이 순간적으로 감소하면서 전류가 상승합니다(전도 상태).

DIAC 그래프

출처: Wikimedia Commons

또한 대부분의 DIAC이 약 30V의 파괴 전압을 경험하는 것이 일반적입니다. 하지만 구체적인 파괴 전압은 사용하는 장치 유형에 따라 다릅니다.

따라서 DIAC은 전류가 특정 값(홀딩 전류)에 도달할 때까지 음의 반주기(전도 상태)에 머뭅니다. 홀딩 전류는 장치가 ON 상태를 유지하는 데 필요한 최소 전류를 의미합니다.

DIAC은 어떻게 사용하는가?

대부분의 경우 DIAC을 TRIAC 회로와 함께 사용할 수 있습니다. 이는 TRIAC의 단점 때문입니다. 즉, TRIAC은 장치의 두 반쪽 사이에 약간의 차이가 있습니다. 따라서 회로를 대칭적으로 발화시키지 않습니다.

TRIAC의 비대칭 발화로 인해 파형은 원치 않는 고조파를 가진 출력을 생성합니다.

파형이 더 비대칭적일수록 고조파는 더 높아집니다. 따라서 DIAC을 TRIAC의 게이트와 직렬로 연결하는 것이 양쪽 주기에서 대칭적인 파형을 얻는 최선의 방법입니다.

또한 DIAC은 인가 전압이 어느 방향이든 특정 레벨에 도달할 때까지 게이트 전류 흐름을 방지합니다. 이로써 TRIAC의 발화 지점이 양방향에서 더 균일해집니다.

DIAC 응용 분야

DIAC은 주로 트리거 장치이므로 다음과 같은 응용 분야에서 찾을 수 있습니다:

• 열 제어
• 조명 디머
• 모터 속도 제어의 제어 회로

이 회로에서 어떻게 작동하는지 보겠습니다:

DIAC 회로도

출처: Wikimedia Commons

조명 디머 회로

먼저 TRIAC의 게이트 단자에서 RC 배치를 만들어 가변 게이트 전압을 얻을 수 있습니다. 그런 다음 장치가 꺼지면 전압 상승이 TRIAC 양단의 직렬 네트워크(R4-C1)에 의해 제한됩니다.

회로에 입력 전압을 가하면 저항 R2가 C1과 C2의 충전 속도를 결정합니다. 또한 C3 양단의 전압이 DIAC의 브레이크오버 전압을 넘어가면 DIAC이 트리거되고 전도합니다.

또한 커패시터 C3가 전도하는 DIAC을 통해 TRIAC의 게이트로 방전되기 시작합니다. 따라서 TRIAC이 켜지면 램프에 전류를 전달합니다. 커패시터의 충전 속도는 저항 R2를 변경하여 다양하게 조절할 수 있습니다.

결과적으로 TRIAC의 트리거 전압은 제어된 입력의 양음성 주기 모두에서 작동합니다. 전반적으로 DIAC은 램프에 공급되는 전력을 조절하는 데 도움을 줍니다.

히터 제어 회로

여기에 DIAC이 있으면 히터의 열을 부드럽게 제어할 수 있습니다. 먼저 TRIAC 양단에 LC를 연결하여 TRIAC이 꺼질 때 전압 상승률을 감소시킵니다.

그런 다음 저항 R2를 수정하여 히터 입력 전압의 반주기(양음성)를 조절할 수 있습니다. 따라서 R4를 DIAC에 대각선으로 배치하여 다양한 R2 위치에서 부드러운 제어를 얻을 수 있습니다.

DIAC과 TRIAC의 차이점

DIAC	TRIAC
1. 두 단자(MT1, MT2) 보유	세 단자(MT1, MT2, 게이트) 보유
2. 전압이 브레이크오버 전압에 도달하면 양방향으로 전류 흐름 허용	게이트를 트리거하면 양방향으로 전류 흐름 허용
3. 전력 처리 용량이 낮음	TRIAC은 더 높은 전력 처리 용량 보유
4. 역병렬로 연결된 두 다이오드 조합으로 보임	반면 TRIAC은 두 SCR을 역병렬로 연결하고, 각 SCR의 게이트 단자가 TRIAC의 게이트를 형성
5. 음의 저항 특성 보임	TRIAC은 음의 저항 특성을 보이지 않음 - 그래서 많은 AC 회로 응용에 사용
6. 두 단자 양단에 브레이크오버 전압 이상 전압 인가 시 트리거	게이트 단자에 양성 또는 음성 전압 추가로 트리거

DIAC의 장단점

장점

• TRIAC 및 기타 사이리스터와 함께 부드러운 전력 제어 제공
• 대칭적 스위칭 특성 보유
• 인가 전압을 감소시키거나 줄여 쉽게 스위칭 가능
• 시스템에서 원치 않는 고조파 감소 도움
• 낮은 온 상태 전압 강하 특징

단점

• DIAC은 고전압 차단 불가
• 장치는 30V 이상의 전압에서만 전도 가능
• DIAC은 낮은 전력

마무리

DIAC은 대칭적 스위칭 특성 덕분에 몇 가지 응용 분야에서 전압을 트리거하고 전도하는 강력한 장치입니다. 하지만 최상의 결과를 위해 TRIAC과 함께 작동합니다.

다음 프로젝트에 DIAC을 사용할 계획이신가요? 아니면 장치를 효과적으로 사용하는 방법에 대한 질문이 있으신가요? 언제든 편하게 연락 주세요.