신호 다이오드

신호 다이오드

신호 다이오드는 순방향 바이어스 시 전류를 전도하고 역방향 바이어스 시 전류 흐름을 차단하는 소형 2단자입니다.

반도체 신호 다이오드(Signal Diode) 는 라디오, 텔레비전, 디지털 논리 회로 등 작은 전류나 고주파가 관련된 전자 회로에 일반적으로 사용되는 소형 비선형 반도체 소자입니다.

점 접촉 다이오드 또는 유리 부동태화 다이오드 형태의 신호 다이오드는 더 큰 전력 다이오드 사촌에 비해 크기가 물리적으로 매우 작습니다.

일반적으로 소신호 다이오드의 PN 접합은 PN 접합을 보호하기 위해 유리로 캡슐화되어 있으며 일반적으로 몸체의 한쪽 끝에 빨간색 또는 검은 색 띠가 있어 어느 쪽이 음극 단자인지 식별하는 데 도움이 됩니다. 모든 유리 캡슐화 신호 다이오드 중에서 가장 널리 사용되는 것은 매우 일반적인 1N4148 및 이에 상응하는 1N914 신호 다이오드입니다.

소신호 및 스위칭 다이오드는 정류기 다이오드에 비해 전력 및 정격 전류가 약 150mA, 최대 500mW로 훨씬 낮지만 고주파 애플리케이션이나 짧은 기간의 펄스 파형을 처리하는 클리핑 및 스위칭 애플리케이션에서 더 잘 작동할 수 있습니다.

 

신호 점 접촉 다이오드의 특성은 게르마늄 유형과 실리콘 유형 모두 다르며 다음과 같습니다.

• 1. 게르마늄 신호 다이오드 - 이는 낮은 역방향 저항 값을 가지며 접합부 전체에 더 낮은 순방향 전압 강하(일반적으로 약 0.2~0.3v)를 제공하지만 접합 영역이 작기 때문에 순방향 저항값이 더 높습니다.
• 2. 실리콘 신호 다이오드 - 이는 매우 높은 역방향 저항 값을 가지며 접합 전체에서 약 0.6~0.7v의 순방향 전압 강하를 제공합니다. 순방향 저항 값이 상당히 낮아서 순방향 전류 및 역방향 전압의 피크 값이 높습니다.

모든 유형의 다이오드에 대해 제공되는 전자 기호는 끝에 막대 또는 선이 있는 화살표 기호이며 이는 정상 상태 VI 특성 곡선과 함께 아래에 설명되어 있습니다.

실리콘 다이오드 VI 특성 곡선

화살표는 항상 다이오드를 통한 기존 전류 흐름 방향을 가리킵니다. 이는 양극 공급 장치가 양극 ( a  )  단자에 연결되고 음극 공급 장치가 음극 (  k  ) 단자에 연결된 경우에만 다이오드가 전도됨을 의미합니다. 전류가 한 방향으로만 흐르도록 허용하여 단방향 전기 밸브처럼 작동합니다(순방향 바이어스 조건).

그러나 이전 튜토리얼에서 외부 에너지 소스를 다른 방향으로 연결하면 다이오드가 이를 통해 흐르는 전류를 차단하고 대신 아래와 같이 개방 스위치처럼 작동한다는 것을 알고 있습니다(역 바이어스 조건).

순방향 및 역방향 바이어스 다이오드

그렇다면 이상적인 소신호 다이오드는 한 방향으로 전류를 전도하고(순방향 전도) 다른 방향으로 전류를 차단한다고(역방향 차단) 말할 수 있습니다. 신호 다이오드는 정류기, 전류 제한기, 전압 스너버 또는 파형 형성 회로의 스위치와 같은 다양한 애플리케이션에 사용됩니다.

신호 다이오드 매개변수

신호 다이오드는 다양한 전압 및 전류 정격으로 제조되므로 특정 응용 분야에 맞는 다이오드를 선택할 때는 주의를 기울여야 합니다. 평범한 신호 다이오드와 관련된 당황스러울 정도의 정적 특성이 있지만 그보다 더 중요한 특성이 있습니다.

1. 최대 순방향 전류

최대 순방향 전류 (  I F(max)  )는 이름에서 알 수 있듯이 장치를 통해 흐르도록 허용된 최대 순방향 전류를 의미합니다. 다이오드가 순방향 바이어스 조건에서 도통할 때 PN 접합 전체에 걸쳐 매우 작은 "ON" 저항을 가지므로 전력은 열의 형태로 이 접합(옴의 법칙) 전체에서 소산됩니다.

그런 다음 해당 (  I F(max)  ) 값을 초과하면 접합 전체에 더 많은 열이 발생하고 열 과부하로 인해 일반적으로 파괴적인 결과를 가져오는 다이오드가 작동하지 않게 됩니다. 최대 정격 전류 주위에서 다이오드를 작동할 때는 항상 다이오드에서 발생하는 열을 발산하기 위해 추가 냉각을 제공하는 것이 가장 좋습니다.

예를 들어, 당사의 소형 1N4148 신호 다이오드는 25oC 에서 전력 손실이 500mW인 약 150mA의 최대 정격 전류를 갖습니다. 그런 다음 순방향 전류를 제한하려면 저항기를 다이오드와 직렬로 사용해야 합니다(  I F(max)  ) 이를 통해 이 값 이하로 이동합니다.

2. 피크 역전압

PIV( 피크 역 전압 ) 또는 최대 역 전압 (  VR (max) ) 은 역 항복 및 장치 손상 없이 다이오드 전체에 적용할 수 있는  최대 허용 역 작동 전압입니다. 따라서 이 등급은 일반적으로 역방향 바이어스 특성 곡선의 "애벌런치 항복" 수준보다 낮습니다. VR (max) 의 일반적인 값은 수 볼트에서 수천 볼트까지이며 다이오드를 교체할 때 고려해야 합니다.

 

피크 역전압은 중요한 매개변수이며 전압의 진폭을 참조하여 AC 정류기 회로의 다이오드를 정류하는 데 주로 사용됩니다. 정현파 파형은 매 사이클마다 양수 값에서 음수 값으로 변경됩니다.

3. 총 전력 손실

신호 다이오드에는 총 전력 손실 (  PD (max)  ) 등급이 있습니다. 이 정격은 다이오드가 순방향 바이어스(전도)될 때 다이오드의 가능한 최대 전력 손실입니다. 전류가 신호 다이오드를 통해 흐를 때 PN 접합의 바이어싱은 완벽하지 않으며 전류 흐름에 약간의 저항을 제공하여 열의 형태로 다이오드에서 전력이 소실(손실)됩니다.

소신호 다이오드는 비선형 장치이므로 PN 접합의 저항은 일정하지 않고 동적 특성이므로 저항에 대해 할 수 있는 것처럼 전류와 저항 또는 전압과 저항 측면에서 전력을 정의하기 위해 옴스 법칙을 사용할 수 없습니다. 그런 다음 다이오드에 의해 소실되는 전력을 찾으려면 다이오드 전체의 전압 강하와 다이오드를 통해 흐르는 전류를 곱해야 합니다. P D  = V*I

4. 최대 작동 온도

최대 작동 온도는 실제로  다이오드의 접합 온도 (  TJ ) 및 최대 전력 손실과 관련이 있습니다. 다이오드의 구조가 열화되기 전까지 허용되는 최대 온도로 와트당 섭씨(oC/W) 단위로  표시 됩니다  .

이 값은 장치의 최대 순방향 전류와 밀접하게 연결되어 있어 이 값에서 접합부 온도가 초과되지 않습니다. 그러나 최대 순방향 전류는 장치 가 작동하는 주변 온도에 따라 달라지므로 최대 순방향 전류는 일반적으로 25oC 또는 70oC와 같은 둘 이상의 주변 온도 값에 대해 인용 됩니다 .

신호 다이오드를 선택하거나 교체할 때 고려해야 할 세 가지 주요 매개변수는 다음과 같습니다.

• 역전압 정격
• 순방향 전류 정격
• 순방향 전력 소비 등급

신호 다이오드 어레이

공간이 제한되어 있거나 일치하는 스위칭 신호 다이오드 쌍이 필요한 경우 다이오드 어레이가 매우 유용할 수 있습니다. 일반적으로 디지털 회로의 스위칭 및 클램핑에 사용하기 위해 어레이라고 하는 여러 다이오드 패키지에 함께 연결된 1N4148과 같은 저용량 고속 실리콘 다이오드로 구성됩니다. 이 제품은 그림과 같이 개별 절연 어레이, 공통 음극(CC) 또는 공통 양극(CA) 구성을 제공하기 위해 내부적으로 연결된 4개 이상의 다이오드가 포함된 단일 인라인 패키지(SIP)에 포함되어 있습니다.

신호 다이오드 어레이

신호 다이오드 어레이는 정전기 방전(ESD) 및 과도 전압으로부터 고속 데이터 라인이나 기타 입력/출력 병렬 포트를 보호하기 위해 디지털 및 컴퓨터 회로에 사용할 수도 있습니다.

그림과 같이 데이터 라인이 접합부에 연결된 상태에서 공급 레일 전체에 직렬로 2개의 다이오드를 연결하면 원치 않는 과도 현상이 빠르게 소멸되고 신호 다이오드가 8겹 어레이로 제공되므로 단일 패키지에서 8개의 데이터 라인을 보호할 수 있습니다.

CPU 데이터 라인 보호

신호 다이오드 어레이는 다이오드를 직렬 또는 병렬 조합으로 연결하여 전압 조정기 또는 전압 감소 유형 회로를 형성하거나 알려진 고정 기준 전압을 생성하는 데에도 사용할 수 있습니다.

실리콘 다이오드의 순방향 전압 강하는 약 0.7V이며, 여러 개의 다이오드를 직렬로 연결하면 총 전압 강하는 각 다이오드의 개별 전압 강하의 합이 됩니다.

그러나 신호 다이오드를 직렬로 연결하면 각 다이오드의 전류가 동일하므로 최대 순방향 전류를 초과해서는 안 됩니다.

신호 다이오드를 직렬로 연결하기

소신호 다이오드의 또 다른 응용 분야는 조정된 전압 공급 장치를 만드는 것입니다. 다이오드는 직렬로 함께 연결되어 다이오드 조합 전체에 일정한 DC 전압을 제공합니다. 다이오드 전체의 출력 전압은 직렬 조합에서 가져온 부하 전류의 변화나 다이오드에 공급되는 DC 전원 전압의 변화에도 불구하고 일정하게 유지됩니다. 아래 회로를 고려하십시오.

직렬 신호 다이오드

실리콘 다이오드의 순방향 전압 강하는 약 0.7V로 거의 일정하지만 이를 통과하는 전류는 상대적으로 크게 변하기 때문에 순방향 바이어스 신호 다이오드는 간단한 전압 조절 회로를 만들 수 있습니다. 각 다이오드의 개별 전압 강하는 부하 저항에 특정 전압 전위를 남기기 위해 공급 전압에서 차감되며 위의 간단한 예에서는 10v – (3*0.7V) = 7.9V 로 제공됩니다 .

이는 각 다이오드에 이를 통해 흐르는 소신호 전류와 관련된 접합 저항이 있고 직렬로 연결된 3개의 신호 다이오드가 부하 저항 R 과 함께 이 저항 값의 3배를 가지므로 공급 장치에 걸쳐 전압 분배기를 형성하기 때문입니다.

더 많은 다이오드를 직렬로 추가하면 더 큰 전압 감소가 발생합니다. 또한 직렬 연결된 다이오드를 부하 저항과 병렬로 배치하여 전압 조정 회로로 작동할 수 있습니다. 여기서 부하 저항에 적용되는 전압은 3*0.7v = 2.1V 입니다 . 물론 단일 제너 다이오드를 사용하여 동일한 정전압 소스를 생성할 수 있습니다. 저항 R D는 부하가 제거된 경우 다이오드를 통해 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하는 데 사용됩니다.

프리휠 다이오드

신호 다이오드는 다양한 클램핑, 보호 및 파동 형성 회로에도 사용할 수 있으며 가장 일반적인 형태의 클램핑 다이오드 회로는 민감한 스위칭 회로의 손상을 방지하기 위해 코일 또는 유도 부하와 병렬로 연결된 다이오드를 사용하는 것입니다. 부하가 갑자기 "OFF"될 때 생성되는 전압 스파이크 및/또는 과도 현상을 억제합니다. 이러한 유형의 다이오드는 일반적으로 "프리휠링 다이오드", "플라이휠 다이오드" 또는 간단히 프리휠 다이오드 로 알려져 있습니다 .

Freewheel 다이오드는 릴레이 코일이나 모터와 같은 유도성이 높은 부하로부터 보호하는 것은 물론 역배터리 보호를 통해 전력 트랜지스터 및 MOSFET과 같은 솔리드 스테이트 스위치를 손상으로부터 보호하는 데 사용되며 연결 예는 다음과 같습니다.

프리휠 신호 다이오드 사용

최신 고속 스위칭 전력 반도체 장치에는 모터 코일이나 계전기 권선과 같은 유도성 부하로부터 보호하기 위해 프리 휠링 다이오드와 같은 고속 스위칭 다이오드가 필요합니다. 위의 스위칭 장치가 "ON"될 때마다 프리휠 다이오드는 역방향 바이어스가 되면서 전도 상태에서 차단 상태로 변경됩니다.

그러나 장치가 빠르게 "OFF"되면 다이오드는 순방향 바이어스가 되고 코일에 저장된 에너지의 붕괴로 인해 프리휠 다이오드를 통해 전류가 흐르게 됩니다. 프리휠 다이오드를 보호하지 않으면 높은 di/dt 전류가 발생하여 회로 주변에 고전압 스파이크나 과도 전류가 흘러 스위칭 장치가 손상될 수 있습니다.

이전에는 트랜지스터, MOSFET, IGBT 또는 디지털과 같은 반도체 스위칭 장치의 작동 속도가 일부 애플리케이션에서 대신 사용되는 쇼트키 및 제너 다이오드와 함께 유도 부하 전체에 프리휠 다이오드를 추가함으로써 저하되었습니다. 그러나 지난 몇 년 동안 프리휠 다이오드는 향상된 역회복 특성과 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있는 초고속 반도체 재료의 사용으로 인해 다시 중요성을 되찾았습니다.

여기에 포함되지 않은 다른 유형의 특수 다이오드로는 포토 다이오드, PIN 다이오드, 터널 다이오드 및 쇼트키 배리어 다이오드가 있습니다. 기본 2층 다이오드 구조에 더 많은 PN 접합을 추가하면 다른 유형의 반도체 장치를 만들 수 있습니다.

예를 들어 3층 반도체 장치는 트랜지스터가 되고, 4층 반도체 장치는 사이리스터 또는 실리콘 제어 정류기가 되며, Triac's로 알려진 5층 장치도 사용할 수 있습니다.

다이오드에 대한 다음 튜토리얼에서는 전력 다이오드라고도 불리는 대신호 다이오드를 살펴보겠습니다. 전력 다이오드는 고전압, 고전류 주 정류 회로에 사용하도록 설계된 실리콘 다이오드입니다.