다이오드 특성 실험
PN 접합 다이오드의 특성을 알아봅니다.
다이오드의 양극에 음극보다 높은 전압을 인가하면 다이오드는 순방향 바이어스 됩니다.
이때, 양단에 장벽전위(barrier potential)이라고 하는 전압 강하가 발생합니다.
게르마늄 다이오드의 경우 약 0.3V, 실리콘 다이오드의 경우 약 0.7V의 전압 강하가 발생합니다.
유용한 공식
다이오드의 순방향 저항 Rf = ∆Vd /∆Id
다이오드 장벽전위 실험
하기 그림과 같이 디지털 멀티미터의 (-)단자를 다이오드의 음극 단자에 연결한 상태에서 (+) 단자를 양극 단자에 연결한다. 내부 배터리에 의해 다이오드가 순방향 바이어스가 되는 데, 이때 디지털 멀티미터의 다이오드 검사 기능을 이용해 장벽 전위 값을 구합니다.
| 실험 순서 | 멀티미터의 단자 | 멀티미터의 단자 | 결과 (V) |
|---|---|---|---|
| 순방향 | 양극 | 음극 | 0.612 |
| 역방향 | 음극 | 양극 | OPEN |
1N4001 데이터 시트
다이오드 (1N4001)의 데이터 시트에 따르면 VF는 1.1V인 것을 알 수 있습니다.
하지만 실제 환경에서의 실험 조건이 다르기 때문에 측정할 필요가 있습니다.
다이오드(1N4001)를 디지털 멀티미터(DMM)의 다이오드 검사 기능으로 VF를 측정하였을 때의 결과는 다음과 같습니다.
순방향 : 0.612V / 역방향 : OPEN 따라서, 실험실 환경에서 1N4001의 장벽 전위는 0.612V인 것을 알 수 있습니다.
왜? 순방향 : 0.612V / 역방향 : OPEN 일까?
PN 접합 시 공핍층의 형성으로 인해 일정 전압 차이를 순방향으로 인가해 주어야 합니다.
따라서 순방향 : 0.612V가 되고 역방향으로 전류를 인가할 시 공핍층이 두꺼워져 OPEN이 되게 됩니다.
다이오드 특성 곡선 실험
하기 그림과 같이 회로를 구성합니다. 파워서플라이의 전압을 <표 1-2>와 같은 값이 되도록 조절 합니다. 이때 다이오드 양단의 전압강하(𝑉𝑑)를 측정하여 기록합니다. 그리고 다이오드의 순방향 전류를 측정합니다.
디지털 멀티미터(DMM)에서 측정한 VF값이 정확하게 동작하는지 확인을 하기 위해 다이오드 양단의 전압 강하(V)에 따른 다이오드의 순방향 전류(mA)를 확인합니다.
멀티미터 실험 결과
| Power Supply의 공급 전압 (V) | 다이오드 양단의 전압 강하 (V) | 다이오드의 순방향 바이어스 (mA) |
|---|---|---|
| 0.1 | 0.103 | 0 |
| 0.2 | 0.206 | 0 |
| 0.3 | 0.309 | 0 |
| 0.4 | 0.397 | 0.006 |
| 0.5 | 0.468 | 0.04 |
| 0.6 | 0.506 | 0.112 |
| 0.7 | 0.528 | 0.184 |
| 0.8 | 0.546 | 0.277 |
| 0.9 | 0.559 | 0.36 |
| 1 | 0.569 | 0.455 |
| 2 | 0.622 | 1.4 |
| 3 | 0.642 | 2.387 |
| 4 | 0.662 | 3.405 |
| 5 | 0.674 | 4.4 |
| 6 | 0.683 | 5.398 |
| 7 | 0.692 | 6.409 |
| 8 | 0.698 | 7.42 |
| 9 | 0.704 | 8.436 |
| 10 | 0.709 | 9.447 |
순방향 바이어스된 다이오드의 특성 곡선
상기의 실험에서 구한 VF = 0.612V 근처에서 전류 변화가 급격한 것을 확인할 수 있습니다. 즉, 포워드 전압을 넘어 순방향 바이어스가 걸리는 것을 확인할 수 있습니다.
다이오드 정류 실험
하기 그림과 같이 회로를 구성합니다. Oscilloscope의 조절단자를 다음과 같이 대략적으로 조절합니다.
[입력 신호: sine 5Vpp, 60Hz ]
Scope 셋팅: 수직(Y-axis) 입력 감도: 5mV/division 수평(X-axis) 입력 감도: 500mV/division
OrCAD 출력 파형
실제 실험에서 전압 강하가 0.660V 일어난 것을 확인 할 수 있습니다.
마찬가지로 OrCAD에서 전압 강하가 0.6V 일어난 것을 확인 할 수 있습니다.
이 실험 당시에 오실로스코프의 프로브가 이상이 있어 파형이 일그러져 출력이 되었지만 하기의 실험부터는 프로브를 바꾼 후 실험을 진행하였습니다.
추적점이 스크린의 중앙에 오도록 조절한 후(수직, 수평의 offset을 0으로 세팅), 스크린에 나타나는 다이오드 특성곡선을 나타낼 수 있습니다.
다이오드 정류 회로
세 가지 다른 형태의 다이오드 정류회로(반파정류기, 센터 탭 변압기를 이용한 전파정류기, 브릿지형 전파정류기)의 특성을 관찰
각각의 정류회로는 교류입력전압을 평균 또는 직류전압출력이 포함된 펄스모양의 파형으로 변환
유용한 공식
반파정류기
(1) 직류전압출력 = 𝑉𝑆(𝑝𝑒𝑎𝑘)−𝑉𝐵 𝜋 (정현파입력)
(2) 출력주파수 = 입력주파수
센터 탭 전파정류기
(3) 직류전압출력 = 2[𝑉𝑆(𝑝𝑒𝑎𝑘)−𝑉𝐵] 𝜋 (정현파입력)
(4) 출력주파수 = 2 x 입력주파수
브릿지형 전파정류기
(5) 직류전압출력 = 2[𝑉𝑆(𝑝𝑒𝑎𝑘)−2𝑉𝐵] 𝜋 (정현파입력)
(6) 출력주파수 = 2 x 입력주파수
우선 이번 실험에서 사용한 구형 오실로스코프의 한 칸의 단위가 10V로 mV 단위의 전압 차이는 보이지 않았습니다.
반파 정류기
반파 정류기 입출력 파형
Vo(peak)와 Vs(peak)의 값은 엄연히 다릅니다. 하지만, 상기 사진에서는 오실로스코프의 한 칸의 단위가 10V이므로 상기의 실험에서 구한 VB = 0.612V의 차이가 보이지 않아 유사해 보입니다.
전파(센터 탭) 정류기
전파(센터 탭) 정류기 입출력 파형
전파(센터 탭)의 경우 센터 탭에서 그라운드를 잡아 기준전압이 잡히기 때문에 22V를 2로 나눈 전압이 Vrms가 됩니다. 또한 양의 파형은 상단의 다이오드를 통해 흐르고 음의 파형은 하단의 다이오드 를 통해 흐르기 때문에 0.612V의 전압 강하의 전파 정류가 됩니다.
전파(브릿지) 정류기
전파(브릿지) 정류기 출력 파형 1,2
노란색 파형 : 입력 파형이 D1과 D3를 거쳐 양의 파형만 정류된 파형
분홍색 파형 : 음의 파형이 클램핑된 출력 파형
전파(브릿지)의 경우 각 다이오드를 D1, D2, D3, D4 라고 명명했을 때 양의 파형의 경우 D1과 D3를 거쳐 두 개의 다이오드 전압강하가 생기게 되며 음의 파형의 경우 D2와 D4를 거쳐 두 개의 다이오드 전 압강하가 생기게 되어 음의 파형이 클램핑 되어있는 것처럼 보이게 됩니다.
| 정류기 형태 | Vs(peak) | Vo(peak) | Vdc | Vdc 기대값 | % 오차율 |
|---|---|---|---|---|---|
| 반파 | 32V | 32V | 10.45V | 9.96V | 4.92% |
| 전파(센터 탭) | 16.4V | 16.4V | 9.541V | 10V | 4.59% |
| 전파(브릿지) | 32V | 32.8 | 18.82V | 19.49V | 3.44% |
실험 1. 반파 정류의 경우 Vrms가 22V가 되고 다이오드 하나를 거쳐 전압 강하가 일어나기 떄문에 다음과 같은 식이 나옵니다.
Vp = Vrms * √2 - VB = 22V * √2 – 0.612V= 30.501 Vo(peak)
실험 2. 전파(센터 탭) 정류의 경우 Vrms가 11V가 되고 다이오드 하나를 거쳐 전압 강하가 일어나기 때문에 다음과 같은 식이 나옵니다.
Vp = Vrms * √2 - VB = 11V * √2 – 0.612V = 14.944 Vo(peak)
실험 3. 전파(브릿지) 정류의 경우 Vrms가 22V가 되고 다이오드 두 개를 거쳐 전압 강하가 일어나기 때문에 다음과 같은 식이 나옵니다.
Vp = Vrms * √2 - 2VB = 22V * 2√2 – 1.224V= 29.889 Vo(peak)
실험1. 오차율 : ( 10.45V - 9.96V ) / 9.96V * 100 = 4.92%
실험2. 오차율 : ( 9.541V - 10V ) / 10V * 100 = 4.59%
실험3. 오차율 : ( 18.82V – 19.49V ) / 19.49V * 100 = 3.44%
반파 정류기보다 전파 정류기가 유리한 이유는 무엇일까?
반파 정류기의 경우 음의 파형이 클램핑 되지 않았기 때문에 평활을 했을 때 더 큰 전압 변동이 발생합니다.
따라서 주파수를 늘려주는 효과를 갖는 전파 정류기가 더 완만한 VDC를 형성할 수 있습니다.
그렇다면 전파(센터 탭) 정류기와 전파(브릿지) 정류기의 차이점은 무엇일까?
차이점은 브릿지 정류 방식은 두 개의 다이오드를 통과하므로 전압 강하가 두 번 일어나 다이오드 손실이 2 배가 생기게 됩니다. 하지만 내압의 증가로 고전압에 강하게 됩니다.