3) 다이오드 모델과 회로 [라자비 전자회로]

다이오드는 주로 한쪽 방향으로 전류가 흐르드록 제어하는 반도체 소자를 말합니다.

 

Anode쪽은 허용되는 전류 방향이고 Cathode쪽은 반대방향의 전류를 막습니다. 

 

축전기를 예로서 역할을 하려면 다이오드 V(anode) > V(cathode)이면 켜져야 하고 , V(anode) < V(cathode)이면 꺼져야 합니다. 

V(anode) - V(cathode)  = V(D)라 정의하고, 다이오드가 V(D) > 0 이면 순방향(Forward)바이어스 , V(D) < 0 이면 역방향(Reverse)바이어스 되었다 말합니다. 

 

 

I / V 특성  [이상 적인 다이오드는 단락/개방회로로 동작]

 

 

 

ex) 역평행(antiparallel) 다이오드에 대한 I/V 특성을 도사하라

 >>> V(A) > 0 이면 , D1은 켜지고 D2는 꺼지며 I(A)가 무한대가 된다. 즉, 역평행 조합은 모든 회로에서 단락으로 동작한다. 

 

 

다이오드에서의 입력/출력 특성 

 

출력 D1에 걸린 전압으로 정의된 그림을 살펴보면 V(in) < 0 이면 D1은 역방향 바이어스되고 , 개방회로로 동작해 R1을 통하여 전류가 흐르지 않으므로 V(out) = V(in)이 된다. 반대로 V(in) > 0 이면 출력이 단락되어 V(out)은 0이 됩니다.

입/출력 특성

[응용] 정류기 

R1은 D1의 캐소드를 0근처로 유지시키려는 경향을 가지고 있으므로 Vin이 증가함에 따라 D1은 순방향 바이어스되어 출력과 입력을 연결시킨다.  V(in) < 0 이면 D1이 꺼지고 R1은 I(D)R(D) = 0 이므로 V(out) = 0 이 되어 위와 같은 출력 그래프를 그리게 됩니다. 

 

 

다이오드 + X 

1V전지가 직렬로 연결되어있는 회로에서 V1 < 0 이면 캐소드의 전압은 에노드 전압보다 작고 D1은 역방향 바이어스에 걸린다. 

V1이 0보다 크다 할지라도 에노드의 전압은 D1을 순방향 바이어스 할 만큼 충분하지 않다. 즉, V1으로 D1을 켜기 위해서 1V에 접근해야 한다.

 

V(in) < 0 에 대하여 D1은 꺼진 상태를 유지하고 V(out) = V(in)이 된다. V(in) > 0 에 대하여 D1은 단락 회로로 동작하고 V(out) = 0 이된다. (출력이 0 이상 되지 않는다. )

 

만약, 출력이 1V를 초과하는것을 허용하지 않는 회로는 어떻게 구성되어야 하는가 ?

이 경우 D1은 V(out)이 +1V로 접근하는 경우만 켜져야하고, 이는 1V전자가 다이오드에 직렬 삽입 되어야 한다. "1V에 제한한다"라는 의미에서 제한기라 부른다. 

ex) 전지 전압 V(B)가 -무한대 ~ +무한대로 변할때 정현파 입력에 대한 V(out)을 도사하라 

V(B)가 아주 큰 음수면 V(in) > -Vp이므로 D1은 항상 켜져 이 경우 평균 출력은 V(B)와 같습니다. 

 

 

 

 

다이오드로서의 pn접합 

 > 이상적인 다이오드의 동작은 pn접합에서의 전류의 전도를 다소 연상.

 

다이오드 모델링 

 다이오드가 포함된 회로를 분석하기 위해 다양한 '등가 모델'이 존재한다. 

 

1. 이상적인 다이오드 

 > 다이오드를 단순히 전압의 방향에 따라 켜지거나 꺼지는 스위치로 생각 

 

2. 일정 전압 모델 

 > 이상 모델과 달리 에노드가 일정전압이상 캐소드 보다 높아야 다이오드가 켜진다. 

 

ex) 이상적인 다이오드 모델과 일정 전압모델을 이용하여 다음 회로의 입/출력 특성을 보여라 

 

이상적인 다이오드 모델로 생각하면,  V(in) = -무한대로부터 시작하며 이때 D1이 역방향 바이어스된다는 것을 인지하고 V(in) < 0 에 대하여 다이오드는 꺼진 상태를 유지하고 회로를 통한 전류는 흐르지 않습니다. 즉, R1에 걸리는 전압 강하는 0이고 V(out) = V(in)이 된다. V(in) > 0 면 D1은 켜지며 단락회로로 동작하며 회로는 전압 분할기로 단순화 된다. 

 

일정 전압 모델로 생각하면, V(in) < V(D,on)에 대하여 역방향 바이어스, V(in) > V(D,on)에 대하여 D1이 켜지고 V(D,on)의 값을 가지는 일정 전압원으로 동작합니다. 

 

ex) 회로에서 D1,D2는 다른 단면적을 가지고 있지만 그 밖에는 동일하다. 각 다이오드를 통하여 흐르는 전류를 결정하라.