제너 다이오드

제너 다이오드

반도체 다이오드는 역방향 전류를 차단하지만, 인가되는 역전압이 너무 높아지면 조기 고장이나 손상이 발생합니다.

그러나 때때로 참조되는 제너 다이오드 또는 "브레이크다운 다이오드" 는 모든 역전압을 활용하는 낮고 지정된 역방향 항복 전압을 갖도록 특별히 설계되었다는 점을 제외하면 기본적으로 표준 PN 접합 다이오드와 동일합니다. 그것에 적용됩니다.

순방향 바이어스 방향, 즉 양극은 음극에 비해 더 양의 값을 가지며, 다이오드 양단 의 순방향 전압 V F 가 0.7V(실리콘)를 초과하여 제너 다이오드가 전도될 때 제너 다이오드는 일반 접합 다이오드처럼 동작합니다. 전도성 다이오드를 통해 흐르는 순방향 전류는 연결된 부하에 의해서만 최대값으로 결정됩니다. 따라서 순방향 바이어스 방향에서 제너는 지정된 전류 및/또는 전력 제한 내에서 일반 다이오드처럼 동작하므로 일반적으로 제너 다이오드의 순방향 특성은 중요하지 않습니다.

그러나 역방향 바이어스 시 자체 전류 흐름을 차단하는 기존 다이오드와는 달리, 즉 음극은 양극보다 더 양극이 되며, 역전압이 미리 결정된 값에 도달하자마자 제너 다이오드는 도통을 시작합니다. 반대 방향.

제너 다이오드는 특성 곡선의 역 항복 영역에서 작동하도록 설계되었으므로 제조 중에 결정되는 고정 항복 전압 V Z 값을 갖습니다. 제너 다이오드의 역방향 전압이 0V에서 제너 항복 전압으로 증가하면 작은 역방향 또는 누설 전류가 다이오드를 통해 흐르게 되며 역방향 전압이 증가함에 따라 상당히 일정하게 유지됩니다.

 

제너 다이오드에 적용된 역전압이 장치의 정격 전압을 초과하면 반도체 공핍층에서 제너 브레이크다운 이라는 프로세스 가 발생하고 전류가 다이오드를 통해 흐르기 시작하여 이러한 전압 증가를 제한합니다.

이제 제너 다이오드를 통해 흐르는 전류는 최대 회로 값(일반적으로 직렬 저항에 의해 제한됨)까지 극적으로 증가합니다. 제너 항복이 발생하면 다이오드 전체의 전압 강하는 제너 전류 IZ가 상당히 달라질 수 있더라도 상당히 일정하게 유지됩니다. 제너 다이오드 양단의 전압이 안정되는 전압 지점을 "제너 전압"( VZ ) 이라고 합니다 . 제너 다이오드의 경우 이 항복 전압 값의 범위는 몇 볼트에서 수백 볼트까지 가능합니다.

제너 전압이 전류를 트리거하여 다이오드를 통해 흐르는 지점은 다이오드에 특정 제너 항복 전압 (  V Z  ) 을 제공하는 다이오드 반도체 구성의 도핑 단계에서 매우 정확하게 제어될 수 있습니다(공차 1% 미만). 예를 들어 4.3V 또는 7.5V입니다. IV 곡선의 제너 항복 전압은 거의 수직 직선입니다.

제너 다이오드 IV 특성

제너 다이오드는 "역 바이어스" 또는 역 항복 모드에서 사용됩니다. 즉, 다이오드 양극이 음극 전원에 연결됩니다. 위의 IV 특성 곡선에서 제너 다이오드의 역바이어스 특성은 다이오드에 흐르는 전류의 값에 관계없이 거의 일정한 음전압이 유지되는 영역을 갖고 있음을 알 수 있습니다.

이 전압은 제너 다이오드 전류가 항복 전류 I Z(min) 와 최대 정격 전류 I Z(max) 사이에 유지되는 경우 전류의 큰 변화에도 거의 일정하게 유지됩니다 .

제너 다이오드가 자체적으로 제어할 수 있는 이러한 기능은 공급 또는 부하 변화에 대해 전압 소스를 조절하거나 안정화하는 데 큰 효과를 발휘할 수 있습니다. 항복 영역에서 다이오드 양단의 전압이 거의 일정하다는 사실은 가장 간단한 유형의 전압 조정기 애플리케이션에 사용할 수 있는 제너 다이오드의 중요한 특성으로 밝혀졌습니다.

전압 조정기의 기능은 공급 전압의 리플이나 부하 전류의 변화에도 불구하고 병렬로 연결된 부하에 일정한 출력 전압을 제공하는 것입니다. 제너 다이오드는 전류를 유지하는 다이오드가 역방향 항복 영역에서 최소 I Z(min) 값 아래로 떨어질 때까지 전압을 계속 조절합니다.

제너 다이오드 레귤레이터

제너 다이오드는 다양한 부하 전류 조건에서 낮은 리플로 안정화된 전압 출력을 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 적합한 전류 제한 저항( RS ) 을 통해 전압 소스에서 다이오드를 통해 작은 전류를 전달함으로써 제너 다이오드는 Vout 의 전압 강하를 유지하는 데 충분한 전류를 전도합니다 .

이전 튜토리얼에서 반파 또는 전파 정류기의 DC 출력 전압에는 DC 전압에 중첩된 리플이 포함되어 있으며 부하 값이 변하면 평균 출력 전압도 변한다는 것을 기억합니다. 정류기 출력에 아래와 같이 간단한 제너 안정기 회로를 연결하면 보다 안정적인 출력 전압을 생성할 수 있습니다.

제너 다이오드 레귤레이터

저항기 RS 는 제너 다이오드와 직렬로 연결되어 전압 소스와 함께 다이오드를 통한 전류 흐름을 제한합니다. VS 는 조합 전체에 연결됩니다. 안정화된 출력 전압 V out은 제너 다이오드 전체에서 가져옵니다.

 

제너 다이오드는 DC 전원의 양극 레일에 연결된 음극 단자와 연결되므로 역방향 바이어스되어 항복 조건에서 작동합니다. 회로에 흐르는 최대 전류를 제한하기 위해 저항 RS 가 선택됩니다.

회로에 부하가 연결되지 않은 경우 부하 전류는 0(IL = 0)이 되며  모든  회로  전류는 제너 다이오드를 통과하여 최대 전력을 소모합니다 .

또한 직렬 저항 R S 의 작은 값은 부하 저항 R L이 연결될 때 더 큰 다이오드 전류를 발생시키고, 이로 인해 다이오드의 전력 소비 요구 사항이 증가하므로 적절한 직렬 값을 선택할 때 주의를 기울여야 합니다. 무부하 또는 고임피던스 조건에서 제너의 최대 정격 전력이 초과되지 않도록 저항을 설정합니다.

부하는 제너 다이오드와 병렬로 연결되므로 R L 양단의 전압은 항상 제너 전압과 동일합니다(  V R  = V Z  ).

전압 안정화에 효과적인 최소 제너 전류가 있으며 제너 전류는 항상 항복 영역 내 부하 하에서 작동하는 이 값 이상으로 유지되어야 합니다. 물론 전류의 상한은 장치의 정격 전력에 따라 달라집니다. 공급 전압 V S 는 V Z 보다 커야 합니다 .

제너 다이오드 안정기 회로의 한 가지 작은 문제는 다이오드가 전압을 안정화하려고 할 때 DC 공급 장치 상단에서 전기 잡음을 생성할 수 있다는 것입니다. 일반적으로 이는 대부분의 응용 분야에서 문제가 되지 않지만 추가적인 평활화를 제공하려면 제너 출력 전체에 큰 값의 디커플링 커패시터를 추가해야 할 수도 있습니다.

그럼 조금 요약해보자. 제너 다이오드는 항상 역방향 바이어스 상태에서 작동됩니다. 따라서 입력 전압의 변화나 부하 전류의 변화에도 불구하고 부하 전반에 걸쳐 일정한 DC 출력 전압을 유지하기 위해 제너 다이오드를 사용하여 간단한 전압 조정기 회로를 설계할 수 있습니다.

제너 전압 조정기는 이 역방향 바이어스 조건 에서 입력 전압 V S 와 직렬로 연결된 전류 제한 저항 RS 와 부하 R L 과 병렬로 연결된 제너 다이오드로 구성됩니다. 안정화된 출력 전압은 항상 다이오드의 항복 전압 VZ 와 동일하도록 선택됩니다 .

튜토리얼 예제 No1

12V DC 전원 공급 장치 입력 소스에서 생성하려면 5.0V 안정화 전원 공급 장치가 필요합니다. 제너 다이오드의 최대 정격 전력 P Z 는 2W입니다. 위의 제너 조정기 회로를 사용하여 다음을 계산합니다.

ㅏ).  제너 다이오드를 통해 흐르는 최대 전류.

비).  직렬 저항의 최소값 R S

씨). 1kΩ 의 부하 저항이 제너 다이오드에 연결된 경우  부하 전류 I L 입니다.

디). 최대 부하 시  제너 전류 IZ .

제너 다이오드 전압

단일 안정화된 전압 출력을 생성하는 것 외에도 제너 다이오드를 일반 실리콘 신호 다이오드와 함께 직렬로 연결하여 아래와 같이 다양한 기준 전압 출력 값을 생성할 수도 있습니다.

직렬로 연결된 제너 다이오드

개별 제너 다이오드의 값은 응용 분야에 맞게 선택할 수 있지만 실리콘 다이오드는 순방향 바이어스 조건에서 항상 약 0.6~0.7V로 떨어집니다. 물론 공급 전압 Vin은 최대 출력 기준 전압보다 높아야 하며 위의 예에서는 19V입니다.

일반 전자 회로용 일반적인 제너 다이오드 는 500mW, BZX55 시리즈 또는 더 큰 1.3W, BZX85 시리즈입니다. 예를 들어 다이오드 참조 번호 BZX55C7V5 를 제공하는 7.5V 다이오드의 경우 C7V5 로 제너 전압이 제공됩니다 .

500mW 계열의 제너 다이오드는 약 2.4V에서 최대 약 100V까지 사용할 수 있으며 일반적으로 5%(E24) 저항기 계열에 사용되는 값 시퀀스와 동일하며 작지만 매우 유용한 다이오드에 대한 개별 전압 정격은 다음과 같습니다. 아래 표.

제너 다이오드 표준 제너 전압

BZX55 제너 다이오드 전력 정격 500mW
2.4V	2.7V	3.0V	3.3V	3.6V	3.9V	4.3V	4.7V
5.1V	5.6V	6.2V	6.8V	7.5V	8.2V	9.1V	10V
11V	12V	13V	15V	16V	18V	20V	22V
24V	27V	30V	33V	36V	39V	43V	47V
BZX85 제너 다이오드 전력 등급 1.3W
3.3V	3.6V	3.9V	4.3V	4.7V	5.1V	5.6	6.2V
6.8V	7.5V	8.2V	9.1V	10V	11V	12V	13V
15V	16V	18V	20V	22V	24V	27V	30V
33V	36V	39V	43V	47V	51V	56V	62V

제너 클리핑 회로

지금까지 우리는 제너 다이오드를 사용하여 일정한 DC 소스를 조절하는 방법을 살펴보았습니다. 그러나 입력 신호가 정상 상태 DC가 아니고 교류 AC 파형인 경우 제너 다이오드가 지속적으로 변화하는 신호에 어떻게 반응할까요?

다이오드 클리핑 및 클램핑 회로는 회로 배열에 따라 다른 모양의 출력 파형을 생성하는 입력 AC 파형(또는 정현파)을 형성하거나 수정하는 데 사용되는 회로입니다. 다이오드 클리퍼 회로는 입력 AC 신호의 양극(또는 음극) 부분을 제한하거나 차단하기 때문에 리미터라고도 합니다. 제너 클리퍼 회로는 파형의 일부를 제한하거나 차단하므로 주로 회로 보호 또는 파형 형성 회로에 사용됩니다.

예를 들어 +7.5V에서 출력 파형을 클리핑하려면 7.5V 제너를 사용합니다. 출력 파형이 7.5V 제한을 초과하려고 하면 다이오드는 입력의 초과 전압을 "클립오프"하여 출력을 +7.5V로 일정하게 유지하는 평평한 상단의 파형을 생성합니다.

순방향 바이어스 조건에서 제너 다이오드는 여전히 다이오드이며 AC 파형 출력이 -0.7V 미만으로 음이 되면 제너 다이오드는 일반 실리콘 다이오드처럼 "ON"으로 바뀌고 그림과 같이 -0.7V에서 출력을 클리핑합니다. 아래에.

구형파 신호

연속적으로 연결된 제너 다이오드는 농담으로 "가난한 사람의 구형파 발생기"라고 불리는 것을 생성하는 AC 조정기로 사용될 수 있습니다. 이 배열을 사용하면 7.5V 제너 다이오드에 대해 +8.2V의 양수 값과 -8.2V의 음수 값 사이에서 파형을 잘라낼 수 있습니다.

예를 들어, +8V와 -6V 등 서로 다른 최소값과 최대값 사이에서 출력 파형을 잘라내려면 정격이 다른 두 개의 제너 다이오드를 사용하면 됩니다. 순방향 바이어스 다이오드 전압의 추가로 인해 출력은 실제로 +8.7V와 -6.7V 사이에서 AC 파형을 클리핑합니다.

즉, 다이오드 전체의 순방향 바이어스 전압 강하가 각 방향에서 0.7V를 더 추가하므로 예상되는 14V 대신 15.4V의 피크 대 피크 전압이 됩니다.

이러한 유형의 클리퍼 구성은 과전압으로부터 전자 회로를 보호하는 데 매우 일반적입니다. 두 개의 제너는 일반적으로 전원 공급 장치 입력 단자에 걸쳐 배치되며 정상 작동 중에는 제너 다이오드 중 하나가 "OFF" 상태가 되고 다이오드는 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않습니다. 그러나 입력 전압 파형이 한계를 초과하면 제너가 "ON"되고 회로를 보호하기 위해 입력을 클리핑합니다.

다이오드 에 대한 다음 튜토리얼에서는 다이오드의 순방향 바이어스 PN 접합을 사용하여 빛을 생성하는 방법을 살펴보겠습니다. 우리는 이전 튜토리얼에서 전하 캐리어가 접합을 가로질러 이동할 때 전자가 정공과 결합하고 에너지가 열의 형태로 손실된다는 것을 알고 있습니다. 또한 이 에너지 중 일부는 광자로 소산되지만 우리는 그것을 볼 수 없습니다.

접합부 주변에 반투명 렌즈를 배치하면 가시광선이 생성되고 다이오드가 광원이 됩니다. 이 효과는 일반적으로 발광 다이오드라고 알려진 또 다른 유형의 다이오드를 생성합니다. 이 다이오드는 이러한 빛 생성 특성을 활용하여 다양한 색상과 파장의 빛(광자)을 방출합니다.