기본 소자 #4: Diodes (다이오드) + 정류기

📕 유데미 강의, "The Complete Electronics Course: Analog Hardware Design" 를 보고 정리한 글입니다. (강력 추천). 실습으로는 falstad 라는 간단한 시뮬레이터를 사용합니다.

Diode 소개

다이오드의 핵심 기능은 전류의 방향을 제어하는 거에요. 그걸 Forward 방향이라고 해요. 모든 다이오드는 두 단자가 있어요. 양극과 음극. Anode와 Cathode 라고 합니다.

이상적인 다이오드라면, 다이오드 전압이 음성만 아니면 전류가 흐릅니다. 0에서 넘어가는 순간 전류가 흐르겠죠.

불행히도 이상적인 다이오드는 없어요. 실제 다이오드 반응은 이상적이지 않아요. 다이오드의 전압 곡선은 비선형적이에요.

💻 이미지 출처. SparkFun Electronics > Diodes

• Forward bias: 다이오드 양단의 전압이 양수일 때 다이오드는 "on" 상태가 되고 전류가 흐를 수 있다. 전류가 의미 있는 수준이 되려면 전압이 순방향 전압(VF)보다 커야 한다.
• Reverse bias: 이것은 다이오드의 "off" 모드로, 전압이 VF보다 작지만 -VBR보다는 큰 상태이다. 이 모드에서는 전류 흐름이 (대부분) 차단되고, 다이오드는 off 상태이다. 아주 적은 양의 역 포화 전류라고 불리는 전류(nA 단위)가 다이오드를 통해 흐를 수 있다.
• Breakdown: 다이오드에 인가되는 전압이 매우 크고 음수일 때, 많은 전류가 역방향으로, 즉 캐소드에서 애노드로 흐를 수 있게 된다.

다이오드 작동 영역

일반적으로 실리콘 다이오드는 전방 전압이 0.6 정도고, 게르마늄 다이오드는 0.3 정도로 낮아요. 다이오드의 종류는 전압 강하를 판단하는 데 중요합니다.

예를 들어, 쇼트키 다이오드(Schottky Diode) 는 금속과 반도체 접합으로 만든 특수한 다이오드입니다. 순방향 전압이 약 0.2~0.4V로 일반 다이오드보다 낮은 순방향 전압 강하를 가지고 있습니다. 별로 차이가 없는거 아닌가 싶겠지만 공급 전압이 작은 환경(ex. 3.3V, 5V)에서 이 차이는 생각보다 클 수 있습니다. (밑에서 좀 더 자세히 살펴볼거에요)

falstad로 간단하게 시뮬레이션을 해보세요. 전압을 0mv부터 늘려서 어느 순간이 되면 전류가 잘 흐르기 시작할 거에요.

Diode 데이터시트

다이오드 데이터 시트를 한번 볼까요? 그 중에서 1N4148 데이터 시트를 보시죠.

💻 데이터 시트 참고: https://www.vishay.com/docs/81857/1n4148.pdf

"Small Signal Fast Switching Diodes" 라고 적혀있습니다. 신호가 작다는 건 상대적으로 낮은 볼트로 작동한다는 뜻입니다. 전력 소모가 적다는 뜻이죠. 빠른 스위칭 속도를 가집니다. 고주파 응용에 적합하죠.

여기서 중요한 건 일반적으로 사용되는 다이오드보다 더 빨리 전원을 켜고 끌 수 있다는 겁니다. 고주파 애플리케이션에 적합하죠. 다만 작은 신호기를 위해 설계되었기 때문에 처리 능력이 낮습니다. 여기서는 최대 전류량이 300mA 라는 걸 알 수 있네요.

다음은 전압입니다. 전압과 전압 곡선을 표시하는 그래프가 명시돼 있습니다. 0.4V 이하라면 전류가 흐르지 않는다는 걸 알 수 있어요. 0.5V 부터는 불이 켜지기 시작합니다. 이후로는 전압이 조금만 변해도 전류가 크게 증가하죠.

다음 중요한 건 Breakdown voltage 입니다. -100V 이하로 통과하면 다이오드가 파괴돼면서 반대 방향으로 전도되기 시작하죠. 그런 일이 발생하면 안됩니다.

여기 역전류와 역전압 그래프가 있어요. 전압을 반대로 가하면, 특히 100V 부터는 미친듯이 흐르죠.

Diode 종류

다양한 다이오드에 대해 알아보겠습니다.

Small Signal Diode

먼저, Small Signal Diode 입니다. 작은 전류나 고주파가 사용되는 곳이죠. 훨씬 낮은 전력 및 전류 정격을 가지며, 전력 다이오드와 비교해 최대 약 150mA, 500mW 정도 입니다. 이들은 고주파 응용이나 짧은 지속시간의 펄스 파형을 다루는 클리핑 및 스위칭 응용에서 더 나은 기능을 할 수 있습니다.

일반적으로 Small Signal Diode는 보호를 위해 유리에 캡슐화합니다. 1N4148이 가장 흔합니다.

게르마늄 다이오드(0.2-0.3V)는 실리콘 다이오드(0.6-0.7V)보다 전압이 낮아요. 두 종류의 다이오드 모두 장단점이 있습니다. 요즘에는 게르마늄 다이오드보다 실리콘 다이오드가 선호됩니다. 좀 더 장점이 많기 때문이죠.

실리콘 다이오드의 장점으로는 누설 전류가 적고(μA 수준), 고온/고전압을 견디고, 저렴하며 높은 안정성을 가집니다. 거의 모든 용도에서 사용됩니다.

게르마늄 다이오드는 실리콘 다이오드에 비해 모든 면에서 밀리지만 유일한 장점으로는 낮은 순방향 전압 강하 (0.2-0.3V)가 있습니다. 따라서 매우 낮은 전압에서 0.4V 차이가 중요한 특수한 경우에 사용됩니다.

Power Diode

다음은, Power Diode 입니다. 일반 다이오드보다 크고 견고하며, 방열을 위한 히트 싱크가 부착된 경우가 많습니다. 외형적으로는 두 개의 전극(양극과 음극)을 가진 원통형이나 직사각형 모양의 패키지로 이루어져 있으며, 고전력, 고전압, 고전류를 다루기 때문에 더 큰 단면적을 가집니다.

💻 이미지 출처. Electrical 4U > Power Diodes

고압에서도 고압의 전류를 통과할 수 있기 때문에 Rectifier(정류기)에 많이 쓰입니다.

💻 이미지 출처. tutorialspoint > Electronic Circuits - Power Supplies

Power Diode는 Small Signal Diode 와 비교해 훨씬 더 큰 PN 접합 면적을 가지고 있어, 수백 암페어(KA)까지의 높은 순방향 전류 능력과 수천 볼트(KV)까지의 역방향 차단 전압을 가집니다.

💻 이미지 출처. Electrical 4U > Power Diodes

전력 다이오드는 큰 PN 접합을 가지고 있기 때문에 1MHz 이상의 고주파 응용에는 적합하지 않지만, 특수하고 비싼 고주파, 고전류 다이오드들은 이용 가능 합니다.

Schottky Diode

다음은, 쇼트키 다이오드(Schottky Diode) 입니다. 일반적인 PN 접합 다이오드와 달리, 반도체(주로 N형 실리콘)와 금속(Metal)을 직접 접합하여 만든 다이오드입니다. 이 금속-반도체 접합을 쇼트키 장벽(Schottky Barrier)이라고 부르며, 이 장벽 덕분에 독특하고 뛰어난 스위칭 특성을 가집니다.

💻 이미지 출처. Electronics Tutorials > The Schottky Diode

쇼트키 다이오드의 가장 큰 특징 중 하나는 순방향 전압 강하($V_F$)가 매우 낮다는 점입니다. 일반적인 실리콘 PN 다이오드가 0.6~0.7V 라면, 쇼트키 다이오드는 0.2~0.4V 입니다. 전압 강하가 낮다는 것은 다이오드가 켜졌을 때 열로 손실되는 전력이 매우 적다는 것을 의미합니다. (저전력 손실)

낮은 전력과 빠른 스위칭 속도라는 특성 때문에 쇼트키 다이오드는 정류, 신호 조절 및 스위칭부터 TTL 및 CMOS 로직 게이트까지 많은 유용한 응용 분야를 가지고 있습니다. 특히 고속 스위칭 (Fast Switching Speed)이 필요한 분야에서는 명백한 선택입니다. 고주파(RF) 회로나 고속 스위칭 전원 공급 장치(SMPS) 등.

단점이라고 한다면 일반적인 PN 다이오드에 비해 견딜 수 있는 역방향 전압이 낮습니다. 또한 역방향으로 전압이 인가되었을 때, 일반 다이오드보다 더 많은 누설 전류가 흐르는 경향이 있습니다.

Zener Diode

다음으로, 제너 다이오드(Zener Diode) 입니다. 일반 다이오드와 똑같이 동작합니다. 특이한 점은 제너 다이오드는 일반 다이오드와 달리 역방향 항복 영역을 활용하기 위해 특별히 설계된 다이오드 라는 거죠.

💻 이미지 출처. BYJU’S physics > zener-diode

일반 다이오드와 달리 제너 다이오드는 역방향 바이어스 상태에서 특정 전압(제너 전압)에 도달하면 급격히 전류가 흐르기 시작합니다. 즉 일반 다이오드는 Breakdown 일 때 파괴되고, 항복 전압이 일정하지 않지만, 제너 다이오드는 이 역방향 항복 상태에서 일정하고 안정적인 전압을 유지하도록 설계되어 있습니다.

💻 이미지 출처. WatElectronics > Zener Diode Working and Its Characteristics

Breakdown Voltage, Vz 부분이 어느 정도 일직선으로 떨어지는 걸 볼 수 있네요.

뭐, 이런거죠. 입력 전압이나 부하 전류의 변화에도 불구하고 제너 전압 $V_Z$이 일정하게 유지할 수 있다는 거에요. 이런 특성으로 인해 제너 다이오드는 기준 전압원이나 정전압 레귤레이터(Shunt Regulator)로 사용됩니다.

입력 전압이나 부하 전류가 변동하더라도, 제너 다이오드가 항복 영역에서 작동하는 한, 부하 양단의 전압은 제너 전압 $V_Z$로 일정하게 유지됩니다.

• 입력 전압이 상승하면, R에 걸리는 전압이 높아지며 제너 다이오드에 더 많은 전류가 흐르고, 부하 전압은 $V_Z$로 유지됩니다.
• 입력 전압이 하강하면, 제너 다이오드에 흐르는 전류가 줄어들고, 부하 전압은 $V_Z$로 유지됩니다. (단, 입력 전압이 $V_Z$ 이하로 떨어지면 정전압 기능 상실)

쉽게 말해 제너가 "과잉 전류"를 흡수하는 댐 역할을 한다고 보면 됩니다. 부하가 필요한 만큼만 전류를 소비하고요. 남는 전류는 제너가 소모하는거에요. 전압은 항상 Vz로 일정합니다.

LED (Light Emitting Diode)

마지막으로, LED (Light Emitting Diode): 조명 발산 다이오드. 가장 널리쓰입니다. 전기 에너지를 광에너지로 바꿉니다.

💻 이미지 출처. electronics-notes > Understanding Light Emitting Diode

🤔 근데 왜 LED는 방출하는 빛에 따라 순방향 전압이 다를까요?

LED 색상은 방출하는 빛의 파장(에너지)에 따라 결정되며, 짧은 파장(청색, UV)일수록 높은 에너지, 긴 파장(적색, IR)일수록 낮은 에너지입니다. 빛 에너지 E = hν ≈ eVf 관계로, 고에너지 빛을 내려면 더 높은 전압이 필요하며, 이는 반도체 밴드갭 에너지와 직접 연관됩니다.

그래서 적색(1.8-2.2V) < 녹색(2.0-3.5V) < 청색/백색(3.0-3.6V) < UV(3.5-4.0V) 순으로 높아지는군요.

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LED는 옵토커플러(Opto-coupler) 에서도 사용됩니다. 하나의 패키지 안에 LED(입력)와 포토트랜지스터(출력)가 광학적으로 결합되어 있고, 전기적으로는 완전히 격리되어 있습니다.

💻 이미지 출처. wikipedia > Opto-isolator

입력 측에 전류가 흐르면 LED가 빛을 방출하면, 포토트랜지스터가 빛을 감지하여 도통됩니다. 빛으로만 신호를 전달하며 전기적 연결이 없습니다. 이를 통해 고전압/저전압 회로 간 절연, 노이즈 차단, 그라운드 루프 제거 등으로부터 민감한 회로를 보호할 수 있습니다

다이오드 종류 핵심 정리

지금까지 살펴본 다이오드를 정리해보면 다음과 같습니다.

• 신호 다이오드(Signal diodes): 고주파 응용이나 회로에서 전류 흐름이 작은 저주파 응용에 사용된다.
• 정류 다이오드(Rectifier diodes) 또는 전력 다이오드: 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 정류라는 과정에서 전원 공급 장치에 사용된다. 또한 다이오드를 통해 큰 전류가 흘러야 하는 회로에서도 사용된다.
• 쇼트키 다이오드(Schottky diodes): 더 낮은 순방향 전압 강하를 특징으로 한다. 이들은 높은 주파수 응답, 감소된 스위칭 시간, 그리고 낮은 전력 소비 때문에 주로 RF 응용과 디지털 회로에서 사용된다.
• 제너 다이오드(Zener diodes): 고정된 전압을 유지하기 위해 사용된다. 전압 안정화 회로에서 사용된다.
• 발광 다이오드(LED): 가장 인기 있는 다이오드 유형 중 하나이며, 이 다이오드가 전극 사이의 전류 흐름을 허용할 때 빛이 생성된다.

Diode를 통과하는 전류 계산

다이오드를 이용해 회로를 만들어 볼게요. 폐쇄 회로라서 저항기와 다이오드를 통해 전류가 흐르면 똑같아요.

여기서 Diode를 통과하는 전류를 어떻게 알아내죠? 옴의 법칙을 생각해보세요. 근데 저항기를 보면 12V가 아닌 11.368V 인것을 알 수 있네요. 이것은 다이오드 순방향 전압 강하 대략 0.63V 가 적용되었기 때문이에요.

따라서 해당 전압을 뺀 전압을 저항으로 나눠서 계산해보면 34.45mA 전류가 나와요.

저항자 값을 낮추면, 예를 들어 100옴으로 낮추면 전류가 더 많이 흐르게 됩니다. 순방향 전압 강하가 거의 700mV 까지 증가합니다. 다이오드 그래프 보셨죠? 순방향 전압이 높을수록 순방향 전류도 높습니다.

즉, 다이오드의 순방향 전압 강하는 흐르는 전류에 의해 어느 정도 제어 가능하다는 겁니다. 실제 회로에서는 저항이 전류를 제한하는 용도로 사용합니다. 그리고 조심하세요. 다이오드 허용되는 최대 전류를 넘으면 안됩니다.

Diode를 이용한 전압 분배기

저항 2개로 전압 분배를 만들면 문제가 많다는 것을 배웠습니다. (기본 소자 #2: Resistor (저항기) 참고)

저항 2개가 소모하는 전력이 낭비가 되고요. 또한, 부하 저항이 변경되면 전압이 바뀝니다. 저항기 값을 다시 계산해야 합니다. (이게 가장 큰 문제죠)

다이오드 여러 개를 동시에 연결해서 안정적인 전압 분배기를 만들 수 있어요. 부하 저항 값이 변해도 출력 전압이 일정하다는 장점이 있습니다. (나중에 더 효율적인 성능과 전압 조절 장치를 만드는 법을 배울거긴 합니다)

참고로, 다이오드가 5개 있으므로 5 × 0.658V = 3.29V ≈ 3.3V 이 되는거죠.

Half-Wave Rectifier

정류기(Rectifier)는 주기적으로 방향이 바뀌는 교류(AC, Alternating Current) 전력을 한 방향으로만 흐르는 직류(DC, Direct Current) 전력으로 변환하는 전기 장치입니다. 이 변환 과정을 정류(Rectification)라고 하며, 거의 모든 전자 장비의 전원 공급 장치(Power Supply)에서 핵심적인 역할을 합니다.

💻 이미지 출처. tutorialspoint > Electronic Circuits - Power Supplies

대한민국 가정에 공급되는 전기는 교류(AC)이지만, 컴퓨터, 스마트폰, TV 등 대부분의 전자 회로는 안정적인 직류(DC) 전원을 필요로 합니다. 정류기가 바로 이 변환 작업을 담당합니다.

모든 충전기에는 정류기 회로가 내장돼 있어서 고전압을 낮은 직류 전압으로 변환합니다.

트랜스포머(변압기)를 사용해 교류 전압을 낮춰줍니다. 그런 다음, 정류 회로가 있어서 교류 전압을 직류 전압으로 바꿀 거에요. 마지막으로 전압 조정 회로를 설치해서 5V 씩 일정한 속도로 전력을 내보낼 거에요.

정류기의 작동 원리

정류기의 기본 원리는 다이오드(Diode)의 특성을 활용하는 것입니다. 다이오드는 전류를 순방향(애노드 $\rightarrow$ 캐소드)으로만 흐르게 하고, 역방향으로는 거의 흐르지 못하게 하는 '전기적인 일방통행 밸브' 역할을 합니다.

1. 교류 입력: 교류 전압은 시간의 흐름에 따라 양(+)과 음(-)의 극성을 주기적으로 바꿉니다.
2. 다이오드 동작: 교류가 정류 회로에 입력되면, 다이오드는 교류 파형의 양(+)의 사이클일 때만 순방향으로 전류를 통과시키고, 음(-)의 사이클일 때는 역방향으로 전류를 차단합니다.
3. 맥동 직류 출력: 이 결과, 출력되는 전압은 방향이 한쪽(양의 방향)으로만 흐르지만, 여전히 0에 가까워졌다가 최대치로 올라가는 것을 반복하는 맥동 직류(Pulsating DC) 형태를 띠게 됩니다.

정류기의 종류

정류기는 AC 파형을 얼마나 효율적으로 DC로 변환하느냐에 따라 크게 두 가지 방식으로 나뉩니다. 반파 정류기 (Half-Wave Rectifier)와 전파 정류기 (Full-Wave Rectifier) 입니다.

교류를 직류로 바꾸는 작업은 다이오드 한 개나 다이오드 여러 개를 사용합니다. 반파 정류기는 다이오드를 하나 사용하고, 전파 정류기는 4개를 사용합니다.

💻 이미지 출처: https://medium.com/@ackhor/on-board-charger-obc-a3f4b98ccaed

반파 정류기는 AC 파형의 양(+)의 절반만 통과시키고, 음(-)의 절반은 차단(0V)합니다. 구조가 간단합니다. 다만, AC 파형의 절반만 사용하므로 효율이 낮고, 출력 맥동(Ripple)이 큽니다. 실제 전원 공급 장치에서는 잘 사용되지 않습니다.

전파 정류기는 AC 파형의 양(+)과 음(-) 사이클을 모두 사용하여 직류로 변환하므로 효율이 높고 맥동이 적습니다. 위 이미지는 브리지 정류기 (Bridge Rectifier)로 네 개의 다이오드를 브리지 형태로 연결합니다.

완벽한 반파 정류기 회로는 변압기(트랜스포머), 부하 저항, 다이오드, 3가지로 구성됩니다.

대부분의 회로에서는 AC 220V를 12V, 5V 등으로 낮추고 전기적 절연(isolation)을 제공하기 위해 변압기를 사용합니다.

회로 시뮬레이션

이건 기본적인 다이오드 특성을 이용한 거에요. 시뮬레이션 해보면 명확하죠?

필터

필터는 비교적 일정한 파형으로 바꾸는 데 사용되죠. 반파 정류기에 필터도 없이 이론적으로 가능하지만 실용적으로 쓰긴 어렵습니다. 직류 설정에는 일정한 파형이 필요하니까요.

💻 이미지 출처: MATERI_DIODA_ELEKTRONIK_RADIO_PROPAGASI.pptx

커패시터나 인덕터를 필터로 쓸 수 있는데, 커패시터 필터가 가장 흔하게 사용됩니다.

정류기의 전압이 올라가면서 커패시터가 충전되고, 정류기의 전압이 떨어지면 커패시터가 저장된 전하로부터 필요한 것을 공급합니다. 그래서 커패시터가 없을 때보다 전압이 훨씬 덜 변하죠.

파형이 아쉽다면 커패시터 용량을 늘려보세요. (100uF, 500uF). 직류 전류와 비슷해집니다.

적절한 커패시터 값을 어떻게 계산할까요? 시간 간격을 고려해야 합니다. RC 시간 상수를 계산해야죠. 그리고 주파수와 비교합니다. RC가 충분히 커야 합니다.

💻 이미지 출처: Shubbakom > Series and Parallel RC Circuits

RC 시간 상수가 주기(1/f)보다 훨씬 크면 커패시터가 한 주기 동안 천천히 방전되어 리플이 작아집니다. 보통 RC ≥ (3~5) × 1/f 정도면 적당하다고 합니다.

500μF, 640Ω, AC 40Hz 기준으로 계산해보면 RC 시간 상수: RC = 640Ω × 500μF = 0.32초 = 320ms이고, 주기는 1/40Hz = 25ms이므로, RC는 주기의 약 12.8배입니다. RC >> 1/f (320ms >> 25ms) 조건을 충분히 만족하므로, 리플이 매우 작고 평활 효과가 뛰어납니다.

Smoothing 작업 이후 나오는 Regulator(전압 조정 회로)는 정류기에서 걸리진 출력 전압을 순수한 직류 출력 전압으로 바꾸는 과정입니다. 이건 나중에 배워볼 예정입니다.

Full-Wave Rectifier

Half-Wave 정류기를 만드는 건 아주 쉽죠. 다만 전력이 많이 낭비됩니다. 그리고 직류 전압이 안정적이어야 하는 용도에 적합하지 않습니다. 즉 직류 변환기에 효율적이지 않아요.

이러한 문제는 Full Wave 정류기를 사용하면 해결할 수 있습니다. 근데 타입이 두 가지로 분류됩니다.

💻 이미지 출처: https://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_6.html

• 중앙 탭 정류기 (Center-Tapped Rectifier): 중앙 탭이 있는 변압기와 두 개의 다이오드를 사용합니다. 양의 사이클에서는 한쪽 다이오드가, 음의 사이클에서는 다른 쪽 다이오드가 작동하여, 부하에는 항상 같은 방향으로 전류를 흘려보냅니다.
• 브리지 정류기 (Bridge Rectifier): 네 개의 다이오드를 브리지 형태로 연결합니다. 변압기의 중앙 탭이 필요 없이 AC의 두 사이클 모두를 정류할 수 있으며, 고효율로 인해 가장 널리 사용됩니다.

Center-Tapped Rectifier

먼저 Center Tapped Full Wave 정류기를 살펴보죠. AC 전압의 양(+)과 음(-) 사이클을 모두 사용하여 직류(DC) 전압을 얻는 효율적인 방법입니다. 특히 중앙에 탭(tap)이 있는 특수 변압기와 두 개의 다이오드를 사용한다는 특징이 있습니다.

센터 탭 변압기: 일반 변압기와 달리, 2차 코일(Secondary Winding)의 정중앙에 접지(GND) 또는 기준점으로 연결된 선(센터 탭)이 나와 있습니다. 이 탭은 2차 코일 전체 전압의 절반씩을 위아래로 나누어, 항상 서로 180도 위상 차이가 나는 두 개의 전압을 공급합니다.

센터 탭 변압기 덕분에 AC 입력 사이클 동안 2차 코일의 양 끝 전압은 다음과 같이 작동합니다.

1. 양의 반 사이클 (Positive Half-Cycle): AC 입력이 양의 사이클일 때, 2차 코일의 위쪽 끝(A)은 양(+)의 전압을 갖고, 아래쪽 끝(B)은 음(-)의 전압을 갖습니다. (센터 탭은 0V 기준). D1의 애노드에 양의 전압이 인가되므로 D1은 켜집니다. D2의 애노드에 음의 전압이 인가되므로 D2는 꺼집니다. 결과적으로 전류는 D1을 통해 부하 저항으로 흐릅니다.
2. 음의 반 사이클 (Negative Half-Cycle): AC 입력이 음의 사이클일 때, 2차 코일의 위쪽 끝(A)은 음(-)의 전압을 갖고, 아래쪽 끝(B)은 양(+)의 전압을 갖습니다. D1의 애노드에 음의 전압이 인가되므로 D1는 꺼집니다. D2의 애노드에 양의 전압이 인가되므로 D2은 켜집니다. 결과적으로 전류는 D2을 통해 부하 저항으로 흐릅니다.

D1과 D2가 교대로 켜지고 꺼지면서, AC 입력의 양 사이클과 음 사이클 모두 부하에 같은 방향으로 전류를 흘려보냅니다. 이로 인해 반파 정류와 달리 전력 손실이 적고 맥동(Ripple)이 절반으로 줄어든 전파 정류된 파형이 출력됩니다.

이 방식의 장점은 높은 정류기 효율성을 가지며, 낮은 전력 손실, 낮은 리플이 있습니다. 단점은 비싸고 넓은 공간을 차지하는 변압기가 필요하다는 것이죠.

Bridge Rectifier

다음으로 넘어가서, Bridge 정류기를 살펴볼게요. AC(교류) 전압을 DC(직류) 전압으로 변환하는 전파 정류(Full-Wave Rectification) 방식 중에서 가장 널리 사용되는 회로입니다. 중앙 탭 변압기가 필요했던 센터 탭 정류기와 달리, 일반 변압기나 AC 전원을 바로 사용할 수 있는 효율적이고 경제적인 구조를 가집니다.

💻 이미지 출처: https://hilelectronic.com/20-analog-circuits-engineers-should-master/

브리지 정류기는 네 개의 다이오드를 브리지(다리) 모양으로 연결하여 구성됩니다.

• 다이오드 배치: 다이오드들은 각 쌍이 서로 마주보게 연결되어 사각형의 꼭짓점을 이룹니다.
• AC 입력: AC 전원의 두 선은 다이오드 브리지의 대각선 꼭짓점에 연결됩니다.
• DC 출력: 부하 저항($R_L$)은 AC 입력과 연결되지 않은 나머지 두 대각선 꼭짓점 사이에 연결됩니다. 이 두 점 중 한 곳이 항상 양(+)의 출력, 다른 한 곳이 항상 음(-)의 출력(접지)이 됩니다.

브리지 정류기는 AC 파형의 양(+) 사이클과 음(-) 사이클 모두에서 전류를 부하 저항에 항상 같은 방향으로 흐르게 만듭니다.

1. 양의 반 사이클 (Positive Half-Cycle): AC 입력의 위쪽이 양(+)이고, 아래쪽이 음(-)일 때, D1과 D2의 애노드에 양(+) 전압이 인가되고, D3와 D4의 캐소드에 음(-) 전압이 인가됩니다. 따라서 D1과 D4가 순방향으로 켜집니다(On). 전류는 AC 입력의 양(+) 지점 → D1 → 부하 저항 → D4 → AC 입력의 음(-) 지점으로 흐릅니다.
2. 음의 반 사이클 (Negative Half-Cycle): AC 입력의 위쪽이 음(-)이고, 아래쪽이 양(+)일 때, D3과 D4의 애노드에 양(+) 전압이 인가되고, D1와 D2의 캐소드에 음(-) 전압이 인가됩니다. 따라서 D2과 D3가 순방향으로 켜집니다(On). 전류는 AC 입력의 양(+) 지점 → D2 → 부하 저항 → D3 → AC 입력의 음(-) 지점으로 흐릅니다.

두 사이클 모두에서, 전류는 D1과 D4 또는 D2와 D3 쌍을 통해 흐르면서, 부하 저항에는 항상 같은 방향(위에서 아래)으로 흐르게 됩니다. 이로써 완벽한 전파 정류 파형이 생성됩니다.

브리지 정류기는 다이오드가 4개 필요하지만, 값비싸고 비효율적인 센터 탭 변압기가 필요 없고, 다이오드에 걸리는 역전압(PIV) 부담이 낮아 안정적입니다. 이로 인해 가장 보편적이고 실용적인 전파 정류 방식으로 자리 잡았습니다.

다만, 항상 두 개의 다이오드를 직렬로 거치기 때문에, 순방향 전압 강하로 인한 전력 손실 센터 탭 방식보다 약간 더 큽니다. (일반 실리콘 다이오드 기준 약 1.4V 손실)

회로 시뮬레이션

브리지 정류기 회로를 시뮬레이션 해보면 다음과 같습니다. 양성 주기와 음성 주기일 때 전류 방향이 각각 흐르게 되죠.

커패시터의 ripple current 가 초과되지 않도록 주의해야 합니다. 과도한 전류가 흐르면 커패시터가 뜨거워져 수명이 줄어들거나 극단적인 경우 고장 날 수 있어요.

전압 공급(파워 서플라이) 케이스를 뜯어보면 커다란 커패시터가 들어있을 거에요. 속도가 빠를 수록 표면을 더 매끄럽게 해야 해요. 그래서 커패시터가 크죠.

Voltage Multipliers: Doublers, Triplers

Full-Wave Voltage Doubler

전압 배율기(Voltage Multiplier)는 교류(AC) 입력 전압을 정류하여 직류(DC)로 변환하는 동시에, 출력 DC 전압을 입력 AC 전압의 최대 피크 전압($V_P$)의 정수 배수로 높여주는 회로입니다.

이 회로는 다이오드(Diode)와 커패시터(Capacitor)만을 사용하여 구성 됩니다. 변압기를 사용하지 않고 낮은 AC 전압을 훨씬 높은 DC 전압으로 변환할 수 있습니다. 이 설계의 주요 장점은 입력 AC 파형의 두 반쪽을 모두 활용하여 최소한의 부품으로 효율적인 전압 배가가 가능하다는 것입니다.

보시는 것처럼, 다이오드 2개 ($D_1, D_2$)와 커패시터 2개 ($C_1, C_2$)로 구성됩니다.

이 회로는 AC 입력의 양(+)의 반 사이클과 음(-)의 반 사이클을 모두 사용하여 두 커패시터를 충전하고, 그 전압을 합산하여 출력합니다. (저 4차선 교차로 부분은 연결이 안되어있는 듯)

동작 원리는 다음과 같습니다.

• 양의 반주기: D1이 도통하여 C1을 피크 전압(약 7.07V - 다이오드 강하)까지 충전합니다.
• 음의 반주기: D2가 도통하여 C2를 피크 전압까지 충전합니다.
• 전압 배전: C1과 C2가 직렬로 연결되어 각 커패시터의 전압이 합쳐져 약 2배의 출력 전압을 생성합니다.
• RL(부하저항)은 정류된 DC 전압을 소비하는 부하 역할을 하며, 커패시터의 방전 속도를 결정합니다.

결론적으로 전체 출력 전압은 이 두 커패시터 양단 전압의 합이 됩니다.

이론상으로는 5V AC, 40Hz (피크 전압 = 5 × √2 ≈ 7.07V) 이므로, 출력은 (7.07V - 0.7V) × 2 ≈ 12.7V 가 되길 원했지만 실제로는 그렇지는 않네요. (부하로 인한 리플과 전압 강하 고려)

Half-Wave Voltage Doubler

전압 2배 배율기 (Voltage Doubler) 회로입니다. 입력 AC 전압을 DC로 변환하면서 동시에 전압을 2배로 증가시키는 회로입니다. 2개의 다이오드, 2개의 커패시터가 대칭적으로 배치되어 있습니다.

이전 회로와는 달리 하나의 다이오드만이 AC 사이클의 한쪽 절반만을 이용하여 커패시터를 충전하고, 나머지 절반 사이클에서 두 전압을 합산하여 출력합니다.

동작 원리는 다음과 같습니다.

• 음의 반주기: AC가 -전압일 때, D1이 도통하여 C1이 충전됩니다. D2은 역바이오스되어 차단됩니다. D1을 통해 전류가 흐르면 커패시터 C1은 C 입력의 최대 피크 전압 Vp 까지 충전됩니다.
• 양의 반주기: AC가 +전압일 때, D1은 역방향 바이어스로 차단됩니다. C1에 저장된 전압 Vp이 AC 입력 전압(Vin)과 직렬로 더해져 D2를 통과합니다. C1에 저장된 전압 Vp의 절반과 AC 입력 전압(Vin)의 절반이 C2로 충전됩니다.
• 전압 펌핑: 각 사이클마다 C2의 전압이 점점 상승(1Vp, 1.5Vp, 1.75Vp...)하여 입력 피크 전압의 약 2배 (2Vp) 근처까지 올라갑니다.

확인해보니까 C1은 약 4.4V 까지는 올라가고요, C2는 약 8.8V 정도 까지는 충전이 되네요. C2는 결국 C1에 저장된 전압과 소스 전압이 합쳐져 RL에 대략 2배 전압을 내보내는 원리네요.

💻 설명글 참고: https://blog.naver.com/dhlee0905/222716585259 (오, 깔끔한 그림으로 자세한 설명이네요. 이해하는 데 큰 도움이 되었습니다)

Voltage Tripler

마지막으로 Voltage Tripler 회로입니다. AC 입력을 더 높은 DC 전압, 구체적으로는 입력 파형 피크 값의 약 3배로 변환합니다. 3개의 다이오드, 3개의 커패시터로 구성됩니다. 이 설계는 Half-Wave Voltage Doubler의 일종입니다.

💻 이미지 출처: ARIAT TECH > Voltage Multipliers: Doublers, Triplers

이 회로는 기본적으로 전압 2배 배율기 회로에 추가적인 다이오드와 커패시터 단계를 직렬로 연결하여 전압을 한 단계 더 승압하는 원리를 이용합니다.

전압 3배 배율기는 세 단계의 충전 과정을 거쳐 전압을 합산합니다.

• 음의 반주기 동안 다이오드 D3는 도통되어 커패시터 C3가 입력의 최대 전압(Vp)까지 충전되도록 합니다.
• 입력이 양의 반주기로 전환되면 다이오드 D1은 순방향 바이어스됩니다. 다이오드 D1은 커패시터 C1이 C3에 이미 충전된 전하에 자신의 전압을 더하여 2Vp까지 충전되도록 합니다.
• 그런 다음 다이오드 D2는 이 결합된 전압을 커패시터 C2로 전달하고, 커패시터 C2는 최종 출력 전압을 저장합니다.

회로가 정상 상태 동작에 도달하면 C2의 출력은 약 3Vp에 도달합니다. 이 출력은 C3(Vp)과 C1(2Vp)의 전압을 직렬로 더한 결과입니다.

하지만 실제 출력에 미치는 영향을 고려하는 것이 중요합니다. 각 다이오드는 순방향 전압 강하(실리콘 다이오드의 경우 일반적으로 약 0.7V)를 발생시켜 실제 출력을 약간 감소시킵니다. 따라서 실제 DC 출력 전압은 약 3Vp에서 도체 다이오드의 순방향 전압 강하를 합한 값을 뺀 값입니다.

Voltage Tripler 회로 구성은 계단식 단의 효율성을 보여줍니다. 이 개념은 고차 설계에도 자연스럽게 적용됩니다. Quadrupler Circuit 회로 역시 동일한 원리를 기반으로 만들 수 있습니다.

다이오드의 다양한 회로

Signal Rectifier

먼저 신호 정류기 입니다. RC 미분기, 다이오드, R2 부하 저항으로 구성됩니다.

[회로 참고]

동작 과정은 다음과 같습니다.

1. RC 미분기 단계: 입력 신호(주로 사각파)의 변화하는 시점(엣지)만 포착합니다. 신호가 올라갈 때는 짧은 양(+)의 피크, 내려갈 때는 짧은 음(-)의 피크 전압을 만듭니다. 나머지는 평탄 구간 0V (변화율이 0) 이 됩니다. 출력 = C × (dV/dt).
2. 신호 정류 동작: 미분기에서 나온 양방향 피크 중 한쪽 방향만 골라냅니다. 다이오드 방향이 순방향이면 상승 엣지에서의 양의 펄스만 통과시킵니다. 반대 방향이면 하강 엣지에서의 음의 펄스만 통과시킵니다. (위에서는 양의 펄스만 통과시킴)
3. R2 부하 저항 단계: 다이오드를 통과한 전류를 전압 신호로 변환하여 최종적으로 날카로운 펄스 형태의 출력을 완성합니다. (다만 다이오드 전압 강하로 인해 출력 신호가 약간 감소됨)

응용 분야: 엣지 검출기(디지털 신호의 상승 엣지만 검출), 펄스 생성기(구형파를 짧은 펄스로 변환)

복잡한 신호에서 "신호가 시작되는 순간" 혹은 "끝나는 순간"만을 아주 정밀하게 찾아내어 다른 회로를 작동시키는 스위칭(Triggering) 용도로 주로 사용합니다.

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아래는 다이오드 순방향 전압 강하를 보상하는 신호 정류기 회로입니다. 위 회로에서 다이오드 전압 강하(Vf ≈ 0.7V)로 인해 손실이 발생했는데 이를 매꿔주기 위한 회로입니다.

[회로 참고]

핵심 동작 원리: "바이어스(Bias) 제공"

다이오드가 신호를 0.7V 깎아먹는 이유는 0V부터 시작하기 때문입니다. 이 회로는 D1과 R3(혹은 추가 전원)를 이용해 다이오드 D2가 전도되기 직전의 상태(약 0.6~0.7V 근처)로 미리 전압을 들어 올려 놓습니다.

이 회로는 정밀한 소신호 정류가 필요한 응용에서 매우 유용한 기법입니다. 예를 들어, 0.7V보다 작은(예: 0.2V) 신호는 일반 다이오드를 통과하지 못하고 사라지지만, 이 회로는 D1이 미리 전압을 보상해주고 있어 미세한 신호도 정류가 가능합니다.

Diode Gates

Diode Gates(다이오드 게이트)는 다이오드의 단방향 전도성을 이용해 논리 연산(AND, OR)을 수행하는 회로입니다. 트랜지스터(TR)가 보편화되기 전이나, 아주 간단한 논리 판단이 필요할 때 사용합니다.

[회로 참고]

핵심은 다이오드를 "전기적 스위치"로 활용하는 것입니다.

한계점: 다이오드 게이트는 앞서 말씀하신 정류기 회로처럼 전압 강하(약 0.7V) 문제가 발생합니다. 게이트를 여러 단 통과할수록 신호 전압이 점점 낮아져서 나중에는 'High'인지 'Low'인지 구분할 수 없게 됩니다. 이 때문에 현대적인 복잡한 회로에서는 전압을 보상하고 증폭해주는 트랜지스터(BJT/MOSFET) 기반 게이트를 사용합니다.

Diode Clamp

다이오드 클램프(Diode Clamp)는 크게 두 가지 의미로 사용됩니다. 하나는 신호의 기준 높이를 바꾸는 '클램퍼(Clamper)' 회로이고, 다른 하나는 전압이 일정 범위를 넘지 않게 꽉 잡아주는 '보호용 클램프'입니다.

Zener Diode

제너 다이오드는 일반적인 다이오드와 비슷해보입니다. 여기서 흥미로운 점은 역방향, breakdown 전압이라고 알려진 부분에서 고장나지 않고 역바이어스 상태로 계속 작동합니다. 전압을 유지합니다.

아래는 제너 다이오드 전압 조정기(Zener Diode Voltage Regulator) 회로입니다.

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