제너 다이오드의 특성을 알아본다.
제너다이오드의 역방향 바이어스 특성을 확인한다.
제너다이오드를 이용한 정전압 발생 원리를 이해한다.
LED 특성을 확인한다
제너 다이오드 역방향 바이어스 측정 실험
(1) 다음과 같이 회로를 완성한다.
(2) 전원공급장치를 이용하여 VIN를 0V ~ 10V까지 가변하면서, Vout 측정한다.(no load)
(3) 표1을 작성하고, 그래프를 작성한다.
(4) 출력단에 RL이 있을 때, VIN를 0V ~ 10V까지 가변하면서, Vout 측정한다.
(5) 표1을 작성하고, 그래프를 작성한다. 6. (6) no load와의 차이를 비교하시오.
| 공급전압 | No load Vout | 100Ω load, Vout | 1kΩ load, Vout |
|---|---|---|---|
| 1V | 0.9945 | 0.5050 | 0.9172 |
| 2V | 2.0051 | 1.0073 | 1.8215 |
| 3V | 3.0107 | 1.5028 | 2.735 |
| 4V | 4.0109 | 2.0010 | 3.6444 |
| 5V | 4.9438 | 2.5024 | 4.5390 |
| 6V | 5.0957 | 3.0098 | 5.0711 |
| 7V | 5.1163 | 3.5023 | 5.1140 |
| 8V | 5.1379 | 4.0045 | 5.1324 |
| 9V | 5.1593 | 4.4993 | 5.1569 |
| 10V | 5.1790 | 4.9658 | 5.1775 |
부하별 정전압 특성 그래프
OrCAD 시뮬레이션
LED 순방향 AC 전류 특성
(1) 다음과 같이 회로를 완성한다.
(2) 펑션 제너레이터(파형발생기)를 이용하여 입력신호를 발생시킨다.
(3) 오실로스코프를 이용하여 입력과 출력을 동시에 측정한다.
(4) 이때, 입력 주파수를 가변하면서, LED 출력(밝기)를 관찰한다.
OrCAD 시뮬레이션
LED 순방향 DC 전류 특성 실험
(1) 다음과 같이 회로를 완성한다.
(2) 전원 공급장치를 이용하여 DC 5V를 인가하고, R값을 100Ω ~ 1㏀까지 가변하면서, LED 출력 밝기를 관찰하시오, (이때, 저항값에 대한 전류를 계산하시오)
LED 공급 전류량
OrCAD 시뮬레이션
출력단에 no load, load 유무에 따른 고찰
실험 1의 경우 부하 저항값에 따른 정전압 특성을 확인하기 위한 실험으로 Load가 없을 때의 상황과 Load의 저항값이 변하게 되어 과전류를 요구하는 상황에서 제너다이오드의 역할을 알아내기 위한 실험이다.
실험 1 결과 Load가 없을 때에는 5.1V에서 정확하게 정전압이 이루어지는 것을 볼 수 있습니다.
하지만 부하 저항이 100옴일 때 즉 많은 전류량을 요구하는 상황에서는 공급 전압이 충분하지 않아 항복 전압에 도달 하지 못해서 동작하지 않습니다.
이는 제너 다이오드의 내부 저항에 의한 현상이라고 생각됩니다.
제너 다이오드의 내부 저항이 약 10옴이라고 가정했을 때, 부하 저항이 100옴일 경우 요구하는 전류량과 1k옴일 경우 요구하는 전류량이 차이가 존재하기 때문에 더 많은 전류량을 요구하는 100옴의 경우 더 많은 공급 전압이 필요하게 됩니다.
따라서 다음과 같이 impedance를 isolation 시켜주면 50옴과 100옴의 경우 isolation 기능이 동작하지 않지만 부하 저항이 다를 때 출력 전압이 일정한 것을 볼 수 있습니다.
임피던스 isolation을 위한 OPAMP설계
OP-AMP를 어떻게 설계를 진행하여 임피던스를 분리했다는 것일까?
일단 OP-AMP의 5가지 특성입니다.
-
input impedance가 무한에 가까워 노이즈 영향이 적다.
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output impedance가 0에 가까워 출력이 원활하다.
-
전압이득이 무한에 가까워 증폭기로 사용한다.
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Band Width가 무한에 가까워 거의 모든 주파수의 신호를 사용할 수 있다.
-
Common Mode Rejection Ratio이 무한에 가까워 노이즈 제거에 탁월하다.
이러한 특성의 OP-AMP를 이용해 Negative Feedback을 이득률 Av = 1로 하여 임피던스를 분리해주는 Buffer를 설계 합니다.
다이오드와 제너 다이오드의 차이는 무엇일까?
다이오드는 P형 반도체와 N형 반도체의 PN접합으로 정공과 전자를 이용해 공핍층을 생성합니다.
공핍층은 일정한 전압과 한 쪽 방향으로만 전류가 흐르게 하는 기능을 하게 해줍니다.
여기서 일정한 전압은 포워드 전압으로 VF라고도 불립니다.
제너 다이오드는 다이오드의 순방향 특성과 같으나 역방향 특성을 추가한 다이오드입니다.
제너 다이오드의 역방향 특성의 원리는 도핑 농도를 일반 다이오드보다 높게 만들어 장벽 전위를 낮춰줍니다.
따라서 공급 전압이 흔들려도 일정하게 공급을 해주지만 공급 전압 제너 전압 이하로 떨어질 경우에는 제너 다이오드가 차단되게 됩니다.
이러한 원리는 ADC (Analog Digital Convertor)에서 주로 사용되며 Vref가 흔들리는 것을 방지하기 위해 TL431등의 소자를 사용하게 됩니다.
순방향 전류구동소자 : 정격전류에 대한 고찰
사진 출처: https://blog.daum.net/jbkist/2780 http://pchero21.com/wp-content/uploads/1/XGC7SaSz9I.pdf
실험 2의 경우 10Vpp, 1~10Hz의 교류 전원을 공급하면서 발광다이오드의 밝기를 확인하는 실험입니다. 우선 FPS에 대해서 설명하겠습니다.
FPS는 Frames Per Second로 초당 프레임은 화면 재생 빈도라고 할 수 있습니다.
우리 인간의 시각은 60Hz 이상 넘으면 그 차이를 감지할 수 없기 때문에 이번 실험의 경우 감지를 할 수 있게 1~10Hz의 교류 전원을 공급합니다.
오실로스코프로 출력 파형과 입력 파형을 확인해 보았을 때 출력파형의 양 전압이 깎여서 출력되는 것으로 보여졌습니다.
여기서 다이오드와 LED의 차이에 대해서 확인을 해 볼 필요가 있을 것 같습니다.
다이오드의 경우 순방향 바이어스가 걸리면 전류가 흐르고 역방향 바이어스가 걸릴 경우 전류가 차단되는 것을 볼 수 있습니다.
따라서 교류 전압을 인가하면 음의 파형이 깎이는 것을 볼 수 있습니다.
하지만 LED의 경우 역방향 바이어스가 걸리면 전류가 차단되는 것은 마찬가지이지만 순방향 바이어스의 경우 빛의 발산에 의해 출력 파형이 깎이는 것을 볼 수 있습니다.
LED의 기본적인 발광원리는 광기전력 효과의 역현상을 이용한 것입니다.
PN접합 다이오드에 순방향으로 전압을 걸면 P형 반도체의 정공은 N형 반도체 쪽으로 움직이고, N형 반도체의 전자는 P형 반도체 쪽으로 움직입니다.
이렇게 되면 내부전위장벽(built-in potential)이 낮아져 공핍영역(depletion layer)에서 전자와 정공이 재결합하게 되는데, 이때 에너지갭에 해당하는 빛이 나오게 됩니다.
이 빛은 전자가 가지고 있던 에너지가 빛으로 변환되는 것이므로 LED의 빛은 전도대와 가전도대 사이의 에너지 차이에 해당하는 좁은 파장 영역의 빛만 나오게 됩니다.
LED는 전류 구동 소자로 전류량에 따라 빛의 세기가 달라지게 됩니다.
또한 최대 정격 전류가 있어 최대 정격 전류를 넘게 되면 부품이 고장나게 됩니다.
따라서 LED를 사용할 때에는 정격 전압과 최대 정격 전류를 숙지하고 PWM의 방식으로 전류를 공급하여 지속적으로 소모되는 전류량을 낮추고 가변적으로 밝기와 주파수를 바꿀 수 있게 소프트웨어적 설계를 진행합니다.
실험 3의 경우 LED에 공급되는 전류량을 가변하여 LED의 빛의 밝기가 어떻게 변하는지 확인하기 위한 실험입니다.
따라서 이번 실험에서는 전류량이 중요하다고 생각 되어 멀티미터기로 전류량을 같이 측정 진행하였습니다.
실험 결과에서 보이는 바와 같이 330옴의 경우 8.7mA의 전류가 흐르지만, 100옴의 경우 24.47mA로 더 많은 양의 전류가 공급되는 것을 볼 수 있습니다.