제너 다이오드란 무엇인가?

제너 다이오드란 무엇인가?

제너 다이오드는 역방향 항복 전압으로 인한 항복을 완전히 소손되지 않고 처리할 수 있는 특수한 유형의 정류 다이오드입니다. 이 글에서는 다이오드를 사용하여 전압 강하를 조절하는 개념과 제너 다이오드가 역방향 바이어스 모드에서 어떻게 동작하여 회로의 전압을 조절하는지 살펴보겠습니다.

다이오드가 전압 강하를 조절하는 방법

다이오드 와 저항기를 DC 전압원에 직렬로 연결하여 다이오드가 순방향 바이어스되도록 하면 다이오드 양단의 전압 강하는 아래 그림(a)와 같이 넓은 전원 공급 전압 범위에서 거의 일정하게 유지됩니다.

순방향 바이어스된 PN 접합을 통과하는 전류는 e 의 순방향 전압 강하 거듭제곱에 비례합니다. 이는 지수 함수이기 때문에 전압 강하가 약간 증가하더라도 전류는 매우 빠르게 증가합니다.

이를 고려하는 또 다른 방법은 순방향 바이어스된 다이오드에 걸리는 전압 강하는 다이오드 전류가 크게 변하더라도 거의 변하지 않는다는 것입니다. 아래 그림 (a)의 회로에서 다이오드 전류는 전원 공급 장치 전압, 직렬 저항, 그리고 다이오드 전압 강하에 의해 제한되는데, 알다시피 다이오드 전압 강하는 0.7V에서 크게 변하지 않습니다.

순방향 바이어스 Si 기준: (a) 단일 다이오드, 0.7V, (b) 직렬로 연결된 10개 다이오드 7.0V.

전원 전압을 높이면 저항의 전압 강하도 거의 같은 양만큼 증가하고 다이오드의 전압은 약간만 감소합니다. 반대로, 전원 전압을 낮추면 저항의 전압 강하도 거의 같은 양만큼 감소하고 다이오드의 전압 강하는 약간만 감소합니다.

한마디로, 이 동작을 요약하면 다이오드가 전압 강하를 약 0.7V로 조절한다고 할 수 있습니다.

전압 조절의 사용

전압 조절은 다이오드의 유용한 특성입니다. 전원 전압의 변동을 허용하지 않지만, 수명 주기에 따라 전압이 변하는 화학 전지로 전원을 공급해야 하는 회로를 만든다고 가정해 보겠습니다. 위와 같이 회로를 구성하고, 다이오드에 일정한 전압을 공급하는 회로를 연결하면 0.7V의 전압이 일정하게 유지됩니다.

이 방법은 분명 효과가 있겠지만, 대부분의 실용적인 회로는 제대로 작동하려면 0.7V 이상의 전원 전압이 필요합니다. 전압 조절점을 높이는 한 가지 방법은 여러 개의 다이오드를 직렬로 연결하여 각 다이오드의 순방향 전압 강하를 0.7V씩 더하면 총 전압 강하량이 더 커지도록 하는 것입니다.

예를 들어, 위의 예[그림(b)]에서 다이오드 10개를 직렬로 연결하면 조절된 전압은 0.7의 10배, 즉 7볼트가 됩니다.

배터리 전압이 7볼트 이하로 떨어지지 않는 한, 10개의 다이오드로 구성된 "스택"에는 항상 약 7볼트의 전압이 떨어집니다.

제너 다이오드가 전압을 조절하는 방법

더 큰 조정 전압이 필요하다면 직렬로 더 많은 다이오드를 사용할 수 있습니다(제 생각에는 우아하지 못한 선택이지만요). 아니면 근본적으로 다른 접근 방식을 시도해 볼 수도 있습니다.

다이오드의 순방향 전압은 다양한 조건에서 상당히 일정한 값을 유지하지만, 역방향 항복 전압도 마찬가지입니다. 항복 전압은 일반적으로 순방향 전압보다 훨씬 높습니다.

단일 다이오드 레귤레이터 회로에서 다이오드의 극성을 반전시키고 전원 전압을 다이오드가 "파괴"되는 지점(즉, 다이오드에 인가되는 역방향 바이어스 전압을 더 이상 견딜 수 없는 지점)까지 증가시키면, 다이오드는 해당 파괴 지점의 전압을 유사하게 조절하여 더 이상 증가하지 못하게 합니다. 이는 아래 그림(a)에 나타나 있습니다.

(a) 역방향 바이어스된 Si 소신호 다이오드는 약 100V에서 파괴됩니다. (b) 제너 다이오드의 기호입니다.

안타깝게도 일반적인 정류 다이오드는 "파괴"될 경우 대개 파괴적으로 작동합니다. 그러나 완전히 고장나지 않고도 파괴를 견딜 수 있는 특수한 유형의 다이오드를 제작할 수 있습니다. 이러한 유형의 다이오드를 제너 다이오드 라고 하며 , 그 기호는 위 그림(b)에 나와 있습니다.

순방향 바이어스 시 제너 다이오드는 일반 정류 다이오드와 거의 동일하게 동작합니다. 즉, "다이오드 방정식"에 따라 약 0.7V의 순방향 전압 강하가 발생합니다. 역방향 바이어스 모드에서는 인가된 전압이 소위 제너 전압에 도달하거나 이를 초과할 때까지 전류가 흐르지 않습니다 . 이 지점에서 다이오드는 상당한 전류를 흐르게 할 수 있으며, 이를 통해 다이오드 양단의 전압 강하를 해당 제너 전압 지점까지 제한하려고 합니다.

이 역전류에 의해 소모되는 전력이 다이오드의 열 한계를 초과하지 않는 한 다이오드는 손상되지 않습니다. 이러한 이유로 제너 다이오드를 "파괴 다이오드"라고도 합니다.

제너 다이오드 회로

제너 다이오드는 수 볼트에서 수백 볼트에 이르는 제너 전압으로 제조됩니다. 이 제너 전압은 온도에 따라 약간씩 변하며, 일반적인 탄소 합성 저항과 마찬가지로 제조업체 사양과 5%에서 10% 사이의 오차가 발생할 수 있습니다. 그러나 이러한 안정성과 정확성은 일반적으로 제너 다이오드를 아래 그림과 같은 일반적인 전원 공급 회로의 전압 조정기로 사용하기에 충분합니다.

제너 다이오드 레귤레이터 회로, 제너 전압 = 12.6V).

제너 다이오드 동작 위 회로에서 제너 다이오드의 방향에 주의하세요. 다이오드는 의도적으로 역방향 바이어스 되어 있습니다 . 다이오드를 "정상적인" 방향으로, 즉 순방향 바이어스되도록 배치했다면 일반 정류 다이오드와 마찬가지로 0.7V만 떨어집니다. 이 다이오드의 역방향 항복 특성을 활용하려면 역방향 바이어스 모드에서 작동해야 합니다. 전원 전압이 제너 전압(이 예에서는 12.6V)보다 높게 유지되는 한, 제너 다이오드에 걸리는 전압은 약 12.6V로 유지됩니다.

다른 반도체 소자와 마찬가지로 제너 다이오드는 온도에 민감합니다. 과도한 온도는 제너 다이오드를 파괴하며, 전압을 강하시키고 전류를 흐르게 하기 때문에 줄의 법칙(P=IE)에 따라 자체적으로 열을 발생시킵니다. 따라서 다이오드의 전력 손실 정격을 초과하지 않도록 레귤레이터 회로를 설계할 때 주의해야 합니다. 흥미롭게도, 제너 다이오드가 과도한 전력 손실로 인해 고장이 발생하면 일반적으로 개방형이 아닌 단락형으로 고장이 발생합니다 . 이러한 방식으로 고장이 발생한 다이오드는 쉽게 감지할 수 있습니다. 마치 전선처럼 어느 쪽으로든 바이어스를 걸어도 전압이 거의 0에 가까워지기 때문입니다.

제너 다이오드 조절 회로의 수학적 해석

제너 다이오드 레귤레이션 회로를 수학적으로 살펴보고 모든 전압, 전류, 그리고 전력 손실을 구해 보겠습니다. 앞서 살펴본 것과 동일한 회로 형태를 사용하여, 제너 전압을 12.6V, 전원 전압을 45V, 직렬 저항 값을 1000Ω으로 가정하고 계산을 수행하겠습니다. (아래 그림 (a)에서 모든 수치를 "근사치"로 간주할 필요가 없도록 제너 전압을 정확히 12.6V로 간주하겠습니다.)

제너 다이오드의 전압이 12.6V이고 전원 공급 장치의 전압이 45V이면 저항에 32.4V의 전압 강하가 발생합니다(45V - 12.6V = 32.4V). 1000Ω에 32.4V가 흐르면 회로에 32.4mA의 전류가 흐릅니다. (아래 그림 (b))

(a) 1000Ω 저항을 사용한 제너 전압 조정기. (b) 전압 강하 및 전류 계산.

전력은 전류와 전압을 곱하여 계산합니다(P=IE). 따라서 저항기와 제너 다이오드의 전력 소모를 매우 쉽게 계산할 수 있습니다.

전력 정격이 0.5와트인 제너 다이오드가 적합하며, 소비 전력이 1.5와트 또는 2와트인 저항기도 적합합니다.

더 높은 저항을 갖는 제너 다이오드 회로

과도한 전력 소모가 해롭다면, 가능한 한 전력 소모를 최소화하도록 회로를 설계하는 것이 어떨까요? 저항의 크기를 매우 높은 저항값에 맞춰 조정하여 전류를 크게 제한하고 전력 소모량을 매우 낮게 유지하는 것은 어떨까요? 예를 들어, 1kΩ 저항 대신 100kΩ 저항을 사용한 이 회로를 생각해 보겠습니다. 아래 그림에서 전원 전압과 다이오드의 제너 전압은 모두 마지막 예와 동일합니다.

100kΩ 저항이 있는 제너 레귤레이터.

이전에 사용했던 전류의 1/100만 사용(32.4mA 대신 324µA)하면 두 전력 소모 수치 모두 100배 더 작아야 합니다.

부하 저항에 대한 고려 사항

이상적이지 않나요? 전력 소모가 적다는 것은 다이오드와 저항 모두의 작동 온도가 낮아지고, 시스템에서 낭비되는 에너지도 줄어든다는 것을 의미하지 않나요? 저항 값이 높으면 회로의 전력 소모는 줄어들지 만 , 안타깝게도 또 다른 문제가 발생합니다. 레귤레이터 회로의 목적은 다른 회로에 안정적인 전압을 제공하는 것입니다 . 다시 말해, 결국 12.6V의 전원을 공급하게 되고, 이 전원은 자체적으로 전류를 소모하게 됩니다. 

낮은 값의 드롭핑 저항 고려 사항

첫 번째 레귤레이터 회로를 생각해 보겠습니다. 이번에는 아래 그림과 같이 제너 다이오드와 병렬로 500Ω 부하가 연결되어 있습니다.

1000Ω 직렬 저항과 500Ω 부하를 갖춘 제너 레귤레이터입니다.

500Ω 부하에 12.6V가 유지되면 부하는 25.2mA의 전류를 소비합니다. 1kΩ 직렬 "강하" 저항이 32.4V를 강하시키려면(전원 공급 장치의 45V 전압을 제너 다이오드에 걸리는 12.6V로 낮추려면) 여전히 32.4mA의 전류가 흐르게 됩니다. 따라서 제너 다이오드에는 7.2mA의 전류가 흐릅니다.

더 높은 값의 저항기 고려 사항

이제 100kΩ 강하 저항을 사용하여 동일한 500Ω 부하에 전력을 공급하는 "전력 절약" 레귤레이터 회로를 생각해 보겠습니다. 이 회로는 이전 회로와 마찬가지로 부하에 12.6V의 전압을 유지해야 합니다. 하지만 앞으로 살펴보겠지만, 이 회로는 이 기능을 수행 할 수 없습니다 . (아래 그림)

500 Ω 부하의 100 KΩ 직렬 저항을 갖춘 제너 비조정기.>

더 큰 값의 강하 저항을 사용하면 500Ω 부하에 걸리는 전압은 약 224mV로, 예상 값인 12.6V보다 훨씬 낮습니다! 왜 그럴까요? 부하에 실제로 12.6V가 흐른다면 이전과 마찬가지로 25.2mA의 전류가 흐를 것입니다. 이 부하 전류는 이전과 마찬가지로 직렬 강하 저항을 통과해야 하지만, 새롭고 (훨씬 더 큰!) 강하 저항을 사용하면 25.2mA의 전류가 흐를 때 해당 저항에 걸리는 전압은 2,520V가 됩니다! 배터리에서 공급되는 전압이 그렇게 높지 않기 때문에 이런 일은 일어날 수 없습니다.

제너 다이오드 없이 더 높은 드롭핑 저항 분석

아래 그림에서 제너 다이오드를 회로에서 일시적으로 제거하고 두 저항의 동작만 분석하면 상황을 더 쉽게 이해할 수 있습니다.

제너가 제거된 비조절기.

100kΩ의 강하 저항과 500Ω의 부하 저항은 서로 직렬로 연결되어 있어 총 회로 저항은 100.5kΩ입니다. 총 전압이 45V이고 총 저항이 100.5kΩ일 때, 옴의 법칙(I=E/R)에 따르면 전류는 447.76µA가 됩니다. 두 저항에 걸리는 전압 강하를 계산하면( E=IR ) 각각 44.776V와 224mV가 됩니다. 

이 지점에서 제너 다이오드를 다시 설치하면 부하 저항과 병렬로 224mV의 전압이 "인가"될 것입니다. 이는 다이오드의 제너 항복 전압보다 훨씬 낮기 때문에 "파괴"되어 전류가 흐르지 않습니다. 사실, 이 낮은 전압에서는 다이오드가 순방향 바이어스되더라도 전류가 흐르지 않습니다! 따라서 다이오드는 전압 조절을 중단합니다. 다이오드를 "활성화"하려면 최소 12.6V의 전압이 인가되어야 합니다.

회로에서 제너 다이오드를 제거하고 도통에 필요한 전압이 충분한지 확인하는 분석 기법은 타당합니다. 제너 다이오드가 회로에 연결되어 있다고 해서 항상 전체 제너 전압이 떨어진다는 보장은 없습니다! 제너 다이오드는 전압을 특정 최대치로 제한하는 방식으로 작동하며, 부족한 전압을 보충할 수는 없습니다.

제너 다이오드 레귤레이션 동작의 규칙

요약하자면, 모든 제너 다이오드 레귤레이션 회로는 부하 저항이 최소값 이상일 때 작동합니다. 부하 저항이 너무 낮으면 전류가 너무 많이 흐르고, 직렬 저항에 전압이 너무 많이 떨어지게 되어 제너 다이오드에 도통할 전압이 부족해집니다. 제너 다이오드가 전류를 더 이상 흐르지 않으면 더 이상 전압을 레귤레이션할 수 없게 되어 부하 전압이 레귤레이션 지점 아래로 떨어집니다.

특정 강하 저항에 대한 부하 저항 계산

100kΩ 강하 저항을 사용하는 레귤레이터 회로는 어느 정도 부하 저항 값을 만족해야 합니다. 이 허용 가능한 부하 저항 값을 구하려면, 다이오드가 없는 두 개의 저항 직렬 회로의 저항을 계산하는 표를 사용할 수 있습니다. 이 표에 알려진 총 전압 값과 강하 저항 저항 값을 대입하고, 예상 부하 전압 12.6V를 계산합니다.

총 전압이 45볼트이고 부하에 12.6볼트가 걸리면 R에 걸리는 전압은 32.4볼트가 되어야 합니다 .

강하 저항에 32.4V의 전압이 흐르고 저항의 저항값이 100kΩ일 때, 저항을 통과하는 전류는 324µA가 됩니다.

직렬 회로이므로 모든 구성 요소에 흐르는 전류는 언제나 동일합니다.

부하 저항을 계산하는 것은 이제 옴의 법칙(R = E/I)에 따른 간단한 문제이며, 이는 38.889kΩ를 제공합니다.

따라서 부하 저항이 정확히 38.889kΩ이면 다이오드 사용 여부와 관계없이 12.6V가 흐릅니다. 부하 저항이 38.889kΩ보다 작으면 다이오드 사용 여부와 관계없이 부하 전압이 12.6V 미만이 됩니다. 다이오드가 연결된 경우, 부하 저항이 38.889kΩ 보다 크면 부하 전압이 최대 12.6V로 조정됩니다.

원래 강하 저항 값을 1kΩ으로 설정했을 때, 레귤레이터 회로는 부하 저항이 500Ω 정도로 낮더라도 전압을 적절히 조절할 수 있었습니다. 이는 전력 소모와 허용 가능한 부하 저항 사이에 상충 관계가 존재함을 보여줍니다. 더 높은 값의 강하 저항을 사용했을 때 전력 소모는 감소했지만, 허용 가능한 최소 부하 저항 값은 높아졌습니다. 낮은 값의 부하 저항에 대한 전압을 조절하려면 회로가 더 높은 전력 소모를 감당할 수 있도록 설계되어야 합니다.

제너 다이오드가 전압을 조절하는 방법

제너 다이오드는 상보 부하 역할을 하여 부하에 걸리는 전압 강하를 일정하게 유지하기 위해 필요한 만큼 전류를 더 많이 또는 더 적게 흐르게 함으로써 전압을 조절합니다. 이는 자동차의 속도를 스로틀 위치를 변경하는 대신 브레이크를 밟아 조절하는 것과 유사합니다. 이는 낭비적일 뿐만 아니라, 주행 조건에 따라 엔진의 모든 동력을 감당할 수 있도록 브레이크를 설계해야 합니다. 

이러한 설계의 근본적인 비효율성에도 불구하고, 제너 다이오드 레귤레이터 회로는 그 단순성 때문에 널리 사용됩니다. 비효율성이 용납될 수 없는 고전력 애플리케이션에서는 다른 전압 조정 기술이 적용됩니다. 하지만 이 경우에도 소형 제너 기반 회로가 주 전력을 제어하는 ​​더 효율적인 증폭기 회로를 구동하는 "기준" 전압을 제공하는 데 종종 사용됩니다.

일반적인 제너 다이오드 전압

제너 다이오드는 아래 표에 나열된 표준 전압 정격으로 제조됩니다. "일반적인 제너 다이오드 전압" 표에는 0.3W 및 1.3W 부품의 일반적인 전압이 나와 있습니다. 와트수는 다이 및 패키지 크기에 따라 결정되며, 다이오드가 손상 없이 소모할 수 있는 전력입니다.

일반적인 제너 다이오드 전압

0.5W
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	24V	27V	30V
1.3W
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	51V	56V	62V
68V	75V	100V	200V

제너 다이오드 클리퍼: 다이오드의 제너 전압과 거의 같은 전압에서 파형의 피크를 클리핑하는 클리핑 회로입니다. 아래 그림의 회로는 두 개의 제너 다이오드가 직렬로 연결되어 거의 같은 전압에서 파형을 대칭적으로 클리핑합니다. 저항은 제너 다이오드에서 발생하는 전류를 안전한 값으로 제한합니다.

제너 다이오드 클리퍼:

다이오드의 제너 항복 전압은 위 그림의 스파이스 넷 목록에 있는 다이오드 모델 매개변수 "bv=10"에 의해 10V로 설정됩니다. 이로 인해 제너는 약 10V에서 클리핑됩니다. 등받이 다이오드는 두 피크를 모두 클리핑합니다. 양의 반주기 동안, 상단 제너는 역방향 바이어스되어 제너 전압 10V에서 항복합니다. 하단 제너는 순방향 바이어스되어 약 0.7V가 감소합니다. 따라서 더 정확한 클리핑 레벨은 10+0.7=10.7V입니다. 유사한 음의 반주기 클리핑은 -10.7V에서 발생합니다. (아래 그림)는 ±10V를 약간 넘는 클리핑 레벨을 보여줍니다.

제너 다이오드 클리퍼: v(1) 입력은 파형 v(2)에서 클리핑됩니다.

검토:

• 제너 다이오드는 역방향 바이어스 모드에서 작동하도록 설계되어 비교적 낮고 안정적인 파괴 전압, 즉 상당한 역방향 전류를 전도하기 시작하는 제너 전압을 제공합니다.
• 제너 다이오드는 보조 부하 역할을 하여 전압 조절기 역할을 할 수 있으며, 전압이 너무 높으면 소스에서 더 많은 전류를 끌어오고, 너무 낮으면 소스에서 더 적은 전류를 끌어옵니다.