다이오드 클리핑 회로: 유형과 응용 분야에 대한 심층 가이드

다이오드 전압 클리퍼

출처: Wikimedia Commons

고전압 스파이크로부터 전자 프로젝트를 보호해야 하는 상황을 다루고 계신가요?

그렇다면 다이오드 클리핑 회로가 필요합니다. 이 회로는 파형을 제어할 수 있게 해주기 때문입니다.

하지만 대부분의 회로와 마찬가지로 그 작동 원리를 이해해야 합니다. 그래야 장치를 더 쉽게 다룰 수 있습니다. 또한 클리핑 회로에는 다양한 종류가 존재합니다.

좋은 소식은:

이 모든 내용을 이 기사에서 다루었습니다. 계속 읽어보세요.

다이오드 클리핑 회로란 무엇인가?

다이오드 파형 클리퍼

출처: Wikimedia Commons

다이오드 클리퍼는 파형 형성 회로입니다. 입력 파형을 받아 다이오드의 특성에 따라 상단 또는 하단 절반, 또는 양쪽 절반을 잘라냅니다. 이 장치를 다이오드 리미터라고도 부릅니다.

다이오드 클리퍼가 입력 신호를 자르거나 클리핑하면 출력 파형이 생성됩니다. 이 파형은 입력의 평평한 버전처럼 보입니다. 따라서 쇼트키 다이오드와 신호 다이오드를 사용하여 입력 파형을 재형성하는 다양한 응용 분야에 다이오드 클리핑 회로를 사용할 수 있습니다.

또는 제너 다이오드를 사용하여 과전압 보호를 제공합니다. 결과적으로 다이오드 클리퍼는 출력 전압이 특정 수준을 초과하지 않도록 회로를 고전압 스파이크로부터 보호합니다.

즉, 저항과 이상적인 다이오드가 클리핑 회로를 구성하는 필수 부품입니다. 하지만 DC 배터리를 추가하는 것이 중요합니다. 그러면 클리핑 레벨을 원하는 값으로 고정할 수 있습니다.

다이오드 클리핑 회로는 어떻게 작동하는가?

다이오드 클리핑 회로의 작동 원리는 다이오드와 유사합니다. 다이오드가 순방향 바이어스일 때 전류를 통과시키며 전압을 클램핑합니다.

역방향 바이어스일 때는 다이오드를 통해 전류가 흐르지 않습니다. 따라서 단자 양단의 전압은 변하지 않습니다.

클리퍼의 종류

일반적으로 클리퍼는 병렬과 직렬의 두 가지 주요 범주로 나뉩니다. 병렬 구성은 다이오드가 부하와 병렬로 연결된 경우이고, 직렬 구성은 다이오드와 기어가 직렬로 연결된 경우입니다.

양의 다이오드 클리퍼

양의 다이오드 클리퍼

출처: Tutorialspoint

양의 클리퍼를 사용하면 입력 전압의 양의 반주기가 제거됩니다.

다이오드가 부하와 직렬로 연결되어 있으면 입력 파형의 양의 반주기 동안 역방향 바이어스 상태가 됩니다. 결과적으로 다이오드 회로는 양의 반주기를 잘라내고 출력 전압은 0V를 유지합니다.

입력에 음의 주기가 오면 다이오드는 순방향 바이어스 상태가 됩니다. 따라서 출력에서 음의 반주기를 볼 수 있습니다.

다이오드가 부하와 병렬로 연결되어 있으면 반대 현상이 발생합니다. 즉, 양의 반주기 동안 다이오드는 순방향 바이어스 상태가 되고 닫힌 스위치처럼 동작합니다. 결과적으로 다이오드가 강하게 도통하여 부하 저항 또는 다이오드 양단의 전압 강하는 0이 됩니다.

따라서 양의 반주기 동안 출력 전압 값은 0입니다. 입력 신호에 음의 반주기가 오면 다이오드는 역방향 바이어스 상태가 되어 열린 스위치처럼 동작합니다. 그리고 전체 입력 전압이 부하 저항 또는 다이오드에 나타납니다(저항 부하가 저항보다 큰 경우).

따라서 이 회로는 전압 분배기 역할을 한다고 할 수 있습니다. 출력 전압은 [R_L/ R + R_L] V_MAX = -V_MAX (R < R_L일 때)입니다.

음의 다이오드 클리퍼

음의 다이오드 클리퍼

출처: Wikimedia Commons

음의 다이오드 클리핑 회로는 양의 클리핑의 역과 비슷합니다. 다이오드가 순방향 바이어스이고 정현파에 음의 주기가 오면 -0.7V로 클리핑합니다.

다이오드가 역방향 바이어스일 때는 양의 반주기가 영향을 받지 않고 흐르도록 허용합니다. 따라서 다이오드가 입력 전압의 음의 반주기를 제한할 때 음의 클리퍼 회로가 됩니다.

다이오드가 두 주기 모두를 클리핑할 수 있나요? 네, 가능합니다. 두 다이오드를 역병렬로 연결하면 됩니다. 첫 번째 다이오드(D1)는 정현파 입력 파형의 양의 반주기를 자르고, 두 번째 다이오드(D2)는 음의 반주기를 자릅니다.

따라서 다이오드 클리핑 회로를 사용하여 음의 반주기, 양의 반주기, 또는 둘 다를 클리핑할 수 있습니다. 이상적인 다이오드를 사용하면 출력 파형은 0이 됩니다. 하지만 순방향 바이어스일 때 다이오드 양단에 전압 강하가 발생하므로 클리핑 포인트는 +0.7V와 -0.7V에서 발생합니다.

하지만 ±0.7V 임계값보다 높은 값을 얻을 수도 있습니다. 다이오드에 전압 바이어스를 추가하면 됩니다.

또는 여러 다이오드를 직렬로 연결하여 0.7V의 배수를 만들 수 있습니다.

조합 클리퍼

조합 다이오드 클리퍼

출처: Researchgate

입력 전압의 양의 및 음의 반주기 일부를 잘라내야 할 때 조합 클리퍼가 유용합니다. 입력 전압이 D1의 첫 번째 배터리 전압(+V1) 이상이면 강한 도통이 발생합니다.

하지만 D2는 역방향 바이어스 상태입니다.

따라서 출력에서 +V1 또는 출력 전압을 볼 수 있습니다.

음의 입력 전압 신호가 오면 다이오드(D1)는 역방향 바이어스 상태를 유지합니다. 그러면 +V1이 잠시 유지됩니다. 이후 입력 신호가 +V1을 초과합니다.

또한 두 번째 다이오드(D2)는 입력 전압이 배터리 전압 V2의 크기보다 클 때 강하게 도통합니다.

따라서 -V2가 입력 신호 전압보다 작은 한 음의 주기 동안 출력은 -V2로 유지됩니다.

바이어스 다이오드 클리핑 회로

바이어스 다이오드 클리핑 회로

출처: Tutorialspoint

바이어스 전압은 다양한 레벨에서 전압 파형을 클리핑하기 위한 다이오드 클리핑 회로를 생성하는 데 필수적입니다. 다이오드가 도통을 위해 순방향 바이어스되려면 V_BIAS + 0.7V가 직렬 조합의 전압보다 작아야 합니다.

예를 들어 V_BIAS 레벨을 5.5V로 설정하면 순방향 바이어스 전압이 5.5 + 0.7 = 6.2V보다 클 때만 순방향 바이어스가 발생합니다. 따라서 회로는 이 바이어스 포인트보다 높은 모든 전압 레벨을 클리핑합니다.

음의 바이어스 다이오드 클리핑

다이오드의 바이어스 전압을 변화시키면 다른 다이오드 제한 레벨 또는 다이오드 클리핑을 얻을 수 있습니다. 양의 및 음의 반주기를 모두 클리핑하려면 두 개의 바이어스 클리핑 다이오드를 사용할 수 있습니다.

양의 및 음의 다이오드 클리핑에 동일한 바이어스 전압이 필요하지 않다는 점에 유의하세요. 예를 들어 양의 바이어스 전압은 8V, 음의 바이어스 전압은 10V가 될 수 있습니다.

양의 바이어스 다이오드 클리핑

배터리 바이어스 전압과 다이오드를 반전시켜 시작할 수 있습니다. 결과적으로 다이오드가 출력 파형의 음의 주기에서 도통하면 V_BIAS가 특정 레벨로 유지됩니다.

다양한 바이어스 레벨의 다이오드 클리핑

다이오드(D1)는 양의 반주기 전압이 +4.7V에 도달하면 도통합니다. 그러면 파형을 +4.7V로 제한합니다.

D2가 도통하려면 전압이 -6.7V에 도달해야 합니다. 따라서 회로는 -6.7V 미만의 모든 음의 전압과 +4.7V 이상의 모든 양의 전압을 자동으로 클리핑합니다.

다이오드 클리핑 레벨을 너무 낮게 설정하거나 입력 파형이 너무 높지 않도록 주의하세요. 그렇지 않으면 회로가 두 파형 피크를 제거하여 사각파 형태의 파형이 됩니다.

제너 다이오드 클리핑 회로

바이어스 전압은 클리핑되는 전압 파형을 정밀하게 제어할 수 있게 해줍니다. 하지만 전압 바이어스 다이오드 클리핑 회로의 단점은 추가 기전력 배터리 소스가 필요하다는 것입니다. 따라서 제너 다이오드를 대신 사용할 수 있습니다.

제너 다이오드는 역방향 바이어스 항복 영역에서 특별히 작동합니다. 따라서 제너 다이오드 클리핑 또는 전압 조정 응용 분야에 이상적입니다.

제너 다이오드가 도통하면 순방향 영역에서 700mV(0.7V)의 순방향 전압 강하를 가진 일반 실리콘 다이오드처럼 동작합니다. 또한 역방향 바이어스에서는 전압이 차단됩니다. 이는 제너 다이오드의 항복 전압에 도달할 때까지 유지됩니다.

제너 다이오드 회로가 역방향 바이어스일 때 파형은 제너 전압에서 클리핑됩니다. 또한 음의 반주기 동안 회로는 접합 값 0.7V를 가진 일반 다이오드처럼 작동합니다.

다이오드 클리핑 회로의 응용 분야

다이오드 클리핑 회로는 다음 응용 분야에서 사용할 수 있습니다:

• 전원 공급 장치
• FM 송신기에서 특정 노이즈 레벨을 초과하는 신호의 과도한 리플 제거
• 기존 파형 조정 및 새로운 파형 생성
• 프리휠링 다이오드로 사용하여 트랜지스터를 과도 효과로부터 보호
• 장치의 입력 전압 제한

마무리

다이오드 클리핑 회로는 입력 신호 전압 또는 파형을 특정 레벨 위아래로 효과적으로 제한, 방지 또는 차단합니다. 달성하려는 목표에 따라 다양한 유형의 클리핑 회로가 있습니다.

이 주제에 대해 어떻게 생각하시나요?

프로젝트에 가장 적합한 다이오드 클리핑 회로를 찾는 데 도움이 필요하신가요?

언제든 자유롭게 연락 주세요.