다이오드 (1) 다이오드 이론 및 활용

myblack·2024년 9월 23일

anode cathode 다이오드 아노드 전자회로 캐소드 포토커플러

전자회로

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Anode와 Cathode

✅ 전자의 이동 (Electron Flow)

전자는 음극(캐소드, -)에서 양극(아노드, +)로 이동합니다.
이유: 전자는 음(-) 전하를 가지며, 높은 전위(아노드)로 끌려갑니다.

✅ 전류의 흐름 (Conventional Current Flow)

전류는 아노드(+)에서 캐소드(-)로 흐릅니다.
이유: 전류는 전자의 반대 방향으로 정의되었기 때문입니다.

✅ 전자와 전류의 흐름 비교

전자(Electron) 흐름: 캐소드(-) → 아노드(+)
전류(Current) 흐름: 아노드(+) → 캐소드(-)

다이오드

전압을 일정 방향으로 인가시 정류작용
전류를 한쪽 방향으로 흐르도록 제어. (역방향으로 안흐름)
온드롭 : 다이오드 온시 전압 VF 걸리며 전도 손실 초래
누설전류 : 오프시 누설전류 흐르며 최대 역방향전압 VBR에 따라 증가
역회복 시 역전류 발생 : 오프되는 중 역방향으로 일시적 큰 전류 (스위칭 손실)
SiC다이오드 : 역회복 시간이 짧은 특성, 1200V 내전압

바이어스 : 동작 기준점을 정하기 위해 신호전극 등에 가하는 전압

순방향 바이어스 : Anode에 '+' Cathode에 '-' 인가
역방향 바이어스 : Anode에 '-' Cathode에 '+' 인가

문턱 전압 (threshold voltage) : 동작을 시작하는 전압.
ex) Si 다이오드의 순방향 Vth는 0.7V
※ Built in 전압은 온도 증가시 내려가고, 온도 감소시 증가함

이상적인 다이오드 모델

동작영역

순방향 바이어스

0.7V < V 일때 전류 흐름
0 < V < 0.7V 전류 안흐름

역방향 바이어스

-VZK < V < 0 전류 안흐름
V < -VZK 전류 흐름

역전압 방지 회로

회로 구조

+5V 전원에서 저항(1kΩ)을 통해 커패시터(10µF)가 충전됩니다.
커패시터의 출력은 논리 게이트(AND 게이트)로 신호를 전달합니다.
다이오드는 +5V와 커패시터 사이에 순방향으로 연결되어 있습니다.

다이오드의 역할
전원이 갑자기 꺼지거나, 순간적으로 전원이 떨어질 때 커패시터를 빠르게 방전시키도록 조정.
다이오드가 없을 경우 전원이 꺼지거나 불안정해질 때 커패시터의 전하가 역으로 전원선으로 흘러 회로에 손상

다이오드를 사용하면 역기전력을 제거할 수 있다.
특히, 릴레이 코일이나 인덕터처럼 인덕턴스를 가진 부하에 전류가 흐르다가 끊어질 때 발생하는 역기전력을 억제하기 위해 환류 다이오드 또는 플라이백 다이오드를 사용

클램프 다이오드

클램프 다이오드를 그림처럼 부가하면 출력은 -0.7V ~ Vcc+0.7V 사이로 제한.
Vcc+0.7V 보다 높거나 -0.7V 보다 낮은 전압이 입력되면
저항과 다이오드에서 초과된 부분을 소비하여 열이 발생
입력전압이 Vcc + 0.7 V 보다 높으면 위에 있는 다이오드를 통해 Vcc로 전류가 흐르게 되고-0.7V 보다 낮은 전압이 입력되면 아래있는 다이오드로 전류가 흐르게 되어

결과적으로 -0.7V ~ Vcc+0.7V 사이로 전압이 제한
회로의 입력에 사용하는 경우는 과도전압을 억제하여 회로를 보호하기 위함

환류 다이오드

인덕터 충전전류로 인한 기기의 손상을 방지하기 위해 부하와 병렬로 연결된 다이오드

스위치가 ON되어 일정시간동안 도통되면 부하를 통해 흐르는 전류는 일정 값에 흐르게 되고 인덕터에 저장됨.
스위치를 OFF시 인덕터에 저장된 전류가 방출, 회로 개방시 스위치 부분의 스파크
환류다이오드가 부하와 병렬로 존재하고 있으면 축적된 전류를 방출해 주는 길 역할

스위치 ON
전류 I 가 흐르고 있으며 인덕터 내부에 에너지가 저장.

스위치 OFF (환류다이오드 X)

인덕터에는 전자유도법칙에 의해 전압이 유기.
스위치가 Open되는 dt(시간변화)가 매우 짧기 때문에 매우 큰 역방향의 기전력이 발생되어 인덕턴스 전압이 반전.
이때 생기는 임펄스 전압은 매우 큰 값을 가지며 임펄스 전압으로 인하여 스위치 접점에 스파크가 발생되어 회로 손상이나 노이즈 발생의 원인

스위치 Off (환류다이오드)

임펄스 전압에 의한 스위치의 손상을 막기 위해 환류다이오드를 설치하여 Loop를 형성.
전류는 스위치로 흐르지 않고 인덕터에 환류되어 인덕터 내부저항에서 에너지가 소비
스위치에서 스파크나 노이즈가 발생하는 것을 방지

발광 다이오드 LED

(Light Emitting Diode)

LED는 긴 부분이 Anode(+) 짧은 부분이 Cathode(-)
순방향 바이어스 방향으로 작동할 때 전기 에너지를 빛 에너지로 변환

밴드갭 에너지 높아질수록 빛의 파장 짧아짐. LED 색상 변화
λ = hc/E
(E : 밴드갭 에너지, c : 빛의 속도)

포토 커플러

왼쪽 부분 발광소자 (LED)
오른쪽 부분 수광소자 (tr)

전기신호를 빛으로 전달
전기-LED-Switch 역할
빛 전달하는 발광 다이오드 + 스위치 역할의 트랜지스터로 구성
빛을 이용하여 신호전달을 하기 때문에 노이즈에 강함. 전원과 gnd의 폐루프에 영향이 없다.
전기적 절연을 위해 사용하기도 함
포토 커플러는 입력측과 출력측이 모두 전기적으로 분리되어 있어, 절연 상태에서 신호를 전달
CTR (Current Transfer Ratio)
CTR = IC / IF X 100 (%)
포토커플러의 중요한 특징 중 하나
입력(IF)에 대한 출력(IC)의 비율로 나타내며, CTR값이 클수록 증폭이 많이 된다.

LED down -> 저항 강해짐 -> SW OFF
LED up -> 저항 약해짐 -> SW ON

한번에 스위칭 되는것이 아닌 저항이 서서히 강해지거나 약해지는 개념.

포토커플러는 입력쪽에 전압이 인가되면 다이오드의 빛이 출력쪽으로 전달되어 출력쪽의 collector와 emitter가 연결
1-2에 전압 가해지면 LED ON > 3-4사이의 전류 제어

입출력 변화

포토커플러의 입력은 LED에 전압을 인가하는 방식
출력부는 보통 포토 트랜지스터(Open-Collector 구조)로 되어 있으며, 전압 공급에 따라 동작이 달라짐.

입력전압 증가 시

입력 조건

포토 커플러의 입력측 LED에 흐르는 전류(IF)가 증가함.
포토 트랜지스터가 더 많이 도통(ON)하여 출력단의 저항값 낮아짐

출력 조건

포토 트랜지스터가 도통하면 컬렉터 전류(IC) 증가
컬렉터-에미터 전압(VCE) 감소

입력전압 감소 시

입력 조건

포토 커플러의 입력측 LED에 흐르는 전류가 증가함.
LED 빛이 약해지면서 포토 트랜지스터의 도통이 줄어들고, 저항값이 증가함.

출력 조건

포토 트랜지스터가 차단되면 컬렉터 전류(IC) 흐르지 않음
컬렉터-에미터 전압(VCE) 증가

🟢 1. 포토 커플러 ON (LED ON)
(a) 입력 조건
LED에 충분한 전류가 공급되면 점등됨.
LED가 빛을 내면서 포토 트랜지스터가 광을 받아 도통(ON)됨.

(b) 출력 반응
트랜지스터가 도통하면 컬렉터-에미터 저항이 매우 작아짐.
컬렉터 전압이 LOW (거의 0V) 로 떨어짐.
컬렉터 전류는 부하(풀업 저항)에 따라 흐름.

🔴 2. 포토 커플러 OFF (LED OFF)

(a) 입력 조건
LED에 전류가 흐르지 않아 소등됨.
LED가 꺼지면 포토 트랜지스터가 차단(OFF)됨.
(b) 출력 반응
트랜지스터가 차단되면서 컬렉터-에미터 저항이 매우 커짐.
컬렉터 전압이 HIGH (풀업 전압, Vcc 수준) 로 상승.
컬렉터 전류는 거의 흐르지 않음.