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1. 개요
제너 다이오드는 일반적인 반도체 다이오드와 다르게, 특정 역전압 범위에서 전류를 제어하는데 사용됩니다.
이러한 특성은 전압 안정화 회로나 역방향 보전 회로에서 유용하게 활용됩니다.
우선, 제너 다이오드의 기호는 일반적으로 “Zener”로 표시됩니다.
회로도에서는 종종 “ZD”로 약어로 표기되며, 기호 앞에 전기적인 속성을 나타내는 숫자가 붙을 수 있습니다.
Zener 다이오드의 동작 원리는 매우 특이합니다.
보통의 다이오드는 정방향 전압이 가해질 때만 전류가 흐르지만, 제너 다이오드는 역방향 전압이 가해질 때도 전류를 일정하게 유지합니다.
이는 제너 다이오드가 역전압이 발생할 때 일종의 “전압 차단장치”로 작동하여 특정 전압 수준에서 전류를 제어한다는 것을 의미합니다.
다이오드의 역전압이 일정 수준 이상으로 증가하면, 다이오드 내부의 pn 접합에서 역 전파되는 전압이 제너 전압(Vz)라고 불리는 고정된 값에 도달합니다.
이때 제너 다이오드는 일정한 전압을 유지하면서 전류가 흐르도록 허용됩니다.
이러한 특성은 전압 안정화 회로에서 사용될 때 특히 유용합니다.
예를 들어, 제너 다이오드는 회로에 일정한 출력 전압을 제공하여 다양한 전압 조건에서 안정적인 전력 공급을 보장합니다.
또한, 역방향 전압 보호 회로에서는 다른 소자가 과전류나 전압 스파이크로부터 보호되도록 합니다.
이처럼 Zener 다이오드는 전자 장치에서 안정성과 신뢰성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.
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2. 제너 다이오드 특성과 항복 전압
2-1) 제너 다이오드 특성
Zener 다이오드의 특성은 전압 안정화 및 역방향 보호 회로에서 사용될 때 매우 중요합니다.
- 전압 안정화 특성
Zener 다이오드는 특정 역전압에서 전압을 일정하게 유지하는 능력을 가지고 있습니다.
이는 다이오드의 pn 접합이 역방향으로 전달되는 전압이 특정 값, 즉 항복 전압(Vz)을 넘어갈 때부터 발생합니다.
제너 다이오드는 이 항복 전압(Vz)에서 전류가 급격하게 증가하면서 역방향 전압을 일정하게 유지합니다.
따라서 제너 다이오드는 회로에서 안정적인 전압을 제공하는데 사용됩니다. - 항복 전압의 중요성
항복 전압은 제너 다이오드가 역방향으로 동작하기 시작하는 전압을 의미합니다.
이 값은 제품의 제조 과정에서 의도적으로 조절되며, 다양한 값의 Zener 다이오드가 있습니다.
전압 안정화 회로에서는 이 항복 전압을 이용하여 원하는 안정화된 출력 전압을 얻을 수 있습니다.
항복 전압을 특정한 값으로 정확하게 선택하여 회로의 전압 안정화 효과를 조절할 수 있습니다. - 온도 의존성
제너 다이오드의 항복 전압은 온도에 따라 변화할 수 있습니다.
일반적으로 온도가 증가하면 항복 전압도 증가하게 됩니다.
따라서 제너 다이오드를 사용할 때 온도 변화에 대한 영향을 고려해야 합니다.
이러한 온도 의존성은 제너 다이오드를 사용하는 회로의 온도 안정성을 고려할 때 중요한 요소입니다.
이렇게 Zener 다이오드의 특성은 전압 안정화와 관련된 다양한 회로에서 중요한 역할을 합니다.
2-2) 제너 항복(breakdown) 전압
제너 다이오드의 항복 전압은 다이오드가 역방향 전압을 받았을 때 일어나는 상황을 설명합니다.
이해하기 쉽게 설명하면, Zener 다이오드는 일정한 전압 이상에서 역 방향되는 전압에 대해 전류가 급격하게 증가하는데, 이 때의 전압을 항복 전압이라고 합니다.
제너 다이오드의 항복 전압은 낮은 역방향 전압에서 발생하며, 일반적으로 5V 이하의 값입니다.
이는 다이오드의 doping density(도핑 밀도)가 증가함에 따라 발생합니다.
높은 도핑 밀도로 인해 다이오드의 공핍층이 좁아지고, 이에 따라 전자와 양자가 만나 강한 전계가 발생합니다.
이러한 강한 전계로 인해 역방향 전압이 특정 값 이상으로 증가하면 Zener 다이오드에서 전류가 생성됩니다.
이는 제너 다이오드가 역방향 전압을 일정 수준 이상에서 안정하게 유지할 수 있도록 하는 핵심 메커니즘 중 하나입니다.
또한, 항복 전압은 온도에 따라 변할 수 있습니다.
일반적으로 온도가 증가하면 항복 전압도 증가하게 됩니다.
이러한 온도 의존성은 Zener 다이오드를 사용하는 회로의 온도 안정성을 고려할 때 고려해야 합니다.
2-2-1) 항복 특성
제너 다이오드는 역방향 전압(VR)이 증가함에 따라 전류(IR)가 변곡점(Knee)까지 일정하게 유지되다가 일정한 역전압(VZ)에서는 전류가 급격히 증가하는 특성을 가집니다.
여기서 VZ는 제너 다이오드의 항복 전압으로, 일정한 값을 유지하며 다이오드가 역전압을 안정하게 유지할 수 있게 합니다.
또한, ZZ(zener impedance)는 Zener 다이오드의 내부 저항을 나타내며, 항복 전압 주변에서의 저항값을 나타냅니다.
2-2-2) 제너 정전압 조정
제너 다이오드를 정전압 소자로 사용하기 위해서는 특정한 전류 조건을 충족해야 합니다.
IZK는 다이오드가 정전압으로 작동하기 위해 필요한 최소 전류를 나타냅니다.
이 최소 전류는 다이오드가 항복 전압을 유지하면서 정전압으로 동작할 수 있는 조건을 충족합니다.
IZM은 다이오드가 손상되기 전의 최대 전류를 나타내며, 일반적으로 IZK와 IZM 사이의 전류 범위에서 다이오드가 역방향 전압을 일정하게 유지할 수 있습니다.
IZT는 Zener 다이오드의 특성을 규격표에 명시하는 값입니다.
이러한 제너 다이오드의 특성으로 인해 양단의 전압을 일정하게 유지시킬 수 있는 능력은 회로에서 안정된 전압을 유지하고 다양한 응용 분야에서 사용되는 Zener 다이오드의 중요한 특징 중 하나입니다.
3. 제너 다이오드 등가회로 및 온도 계수
3-1) 이상적인 등가 회로
- 이상적인 등가 회로에서는 Zener 다이오드가 일정한 항복 전압(VZ)을 가진 이상적인 전압 전송 요소로 대체됩니다.
- 다이오드와 병렬로 연결된 전압 소스(VZ)는 일정한 전압을 유지합니다.
- 이상적인 등가 회로에서는 제너 다이오드의 전압 안정화 및 역방향 보호 기능을 간단하게 모델링할 수 있습니다.
3-2) 실제적인 등가 회로
- 실제 등가 회로에서는 제너 다이오드의 실제 특성을 고려하여 모델링됩니다.
- 제너 다이오드의 실제 특성은 이상적인 등가 회로와는 차이가 있을 수 있습니다.
예를 들어, 실제 Zener 다이오드는 항복 전압(VZ)이 정확하게 일정하지 않을 수 있으며, 내부 저항(ZZ)도 고려해야 합니다. - 또한, 실제 등가 회로에서는 다이오드 주변의 회로 구성 요소들과의 상호작용도 고려되어야 합니다.
3-3) 온도 계수
온도계수(TC)는 Zener 다이오드의 온도에 따른 전압 변화를 나타내는데 사용됩니다.
이를 이해하기 위해서는 두 가지 온도계수 단위인 [%/°C] 또는 [mV/°C]에 대한 이해가 필요합니다.
3-3-1) 온도변화에 따른 제너전압의 변화
온도계수가 [%/°C]인 경우
이 경우, 온도 변화에 따른 제너전압의 변화는
ΔVZ = VZ × TC × ΔT
- 여기서, VZ는 25°C에서의 정상적인 제너전압을 의미
- TC는 온도계수를 나타내며 [%/°C]로 표시
- ΔT는 온도 변화량을 나타냄
예를 들어, 만약 Zener 다이오드의 온도계수가 0.05%/°C이고, 정상적인 제너전압(VZ)가 5V라면, 온도가 10°C 상승할 때 제너전압의 변화를 구해보면
ΔVZ = 5V × 0.05%/°C × 10°C = 0.25V
3-3-2) 온도계수가 [mV/°C]인 경우
이 경우, 온도 변화에 따른 제너전압의 변화는
ΔVZ = TC × ΔT
- 여기서, TC는 온도계수를 나타냄
[mV/°C]로 표시됩니다. ΔT는 온도 변화량을 나타냅니다.
예를 들어, 온도계수가 2mV/°C인 Zener다이오드의 경우, 온도가 5°C 증가할 때 제너전압의 변화를 계산해 보면
ΔVZ = 2mV/°C × 5°C = 10mV
이렇게 온도계수를 이용하면 온도 변화에 따른 Zener 다이오드의 전압 변화를 정확하게 예측할 수 있습니다.
4. Zener 다이오드 및 제너 전압 레귤레이터 예제 풀이
Zener 다이오드 회로를 사용하여 12V의 입력 전압을 안정화된 5.1V의 출력 전원으로 공급할 것입니다. 입력되는 전류 I=110mA이라고 가정하고 간단한 단계를 사용하여 필요한 저항과 Zener 다이오드를 계산해 보겠습니다.
① 저항값 계산하기
R = (Vin – Vout) / I
- 여기서
Vin은 입력 전압
Vout은 출력 전압
I는 회로를 통과하는 전류
Vr = Vin – Vout = 12V – 5.1V = 6.9V
R = Vr / I = 6.9V / 0.110A = 62.7Ω
② 저항의 와트수 계산하기
Pr = VI
Pr = 6.9V × 0.110A = 759mW
③ Zener 다이오드의 소비 전력 확인하기
Pz = Vz × I
Pz = 5.1V × 0.110A = 561mW
계산된 값들에 따라 선택된 Zener 다이오드는 1N4733A이며, 이의 소비 전력은 1300mW입니다.
따라서 이 회로에 사용될 저항은 62Ω 1 W이며, 선택된 Zener 다이오드는 1N4733A입니다.
