Chapter 3-1) Reverse, Foward, IV Characteristc, Constant Voltage Model
※시작에 앞서, 학업을 위해 정리해 놓은 내용들이므로 틀린 부분이 있을 수 있다.
앞서 배운 N-type 반도체와 P-type 반도체를 접합하게 되면 PN Junction이 되는데
우리는 이를 Diode라 한다.
이번 포스팅에서는 Diode 내에서 일어나는 현상에 대해서 적어보고자 한다.
1. Diode's Application
2. Ideal Diode
3. IV Characteristics of Ideal Diode
4. Anti-Parallel Ideal Diodes
5. Diode Implementation of OR Gate
6. Input / Output Characteristics
1. Diode's Application
책에서 제공하는 다이오드의 적용은 휴대폰 충전기이다.
우리가 가정 집에 제공받는 전압은 모두가 알다 싶이, 교류 220V의 전압을 받게 된다.
핸드폰을 충전기 위해서는 핸드폰의 용량에 맞는 전압으로 바꾸어 충전을 해주어야 하는데, 여기에 바로 다이오드가 사용이 된다.
다음 그림을 통해 대략적인 정류과정에 대해서 알아보자.
(110V라고 나와있는 이유는 해외에서 발간된 책이라서 그렇다.)
그림 (a)를 보게 되면,
60Hz를 가진 110V 교류 전류는 받아 충전기 크기에 맞는 4V 교류 전압으로 바꾸어주고,
Block Box내에 있는 회로에서 정류 과정을 통해 3.5V만을 출력하게 만들어 주었다.
그림 (b)를 보자.
어떻게 교류전류를 +쪽에 해당하는 전압만을 걸러냈을까?
잠깐만 생각해보면 쉽게 답을 이끌어낼 수 있다.
답은 Reverse Bias와 Foward Bias를 나누어 사용하면 된다.
단, 가정은 Ideal Diode라는 것이다.
4V의 교류 전압 중 +에서는 Foward Bias를 걸어주고, -에서는 Reverse Bias를 걸어주면 된다.
즉, Black Box내에서 이와 같은 로직을 이끌어낼 수 있는 회로를 설계해주면 된다.
ON, OFF를 번갈아가면서 작동시켜주면 +전압만 정류할 수 있다.
2. Ideal Diode
목차 1에서 Cell phone charger에서 가정을 Ideal Diode로 했는데,
목차 2에서 Ideal Diode의 작동과정에 대해서 알아보고자 한다.
Chapter 2에서 다이오드의 Anode와 Cathode에 대해서 배웠었다.
잠깐 다시 상기하도록 하자.
두 경우로 나눠보면 다음과 같다.
Foward Bias : V_Anode > V_Cathode일 경우, Diode가 switch on처럼 작동을 하여 마치 short circuit처럼 작동한다.
Reverse Bias : V_Anode < V_Cathode일 경우, Diode가 switch off처럼 작동을 하여 마치 open circuit처럼 작동한다.
3. IV Characteristics of Ideal Diode
Ideal Diode의 IV Characteristics를 나타내면 다음과 같다.
목차 2에서 볼 수 있듯이, Ideal Diode는 short circuit 또는 open circuit처럼 작동한다.
우선 회로이론에서 short circuit과 open circuit에 대해서 배웠었다.
Short circuit은 R = 0인 것처럼 보여 전류가 무한대로 흐르고,
Open circuit은 R = 무한대인 것처럼 보여 전류가 흐르지 않는다고 배웠었다.
이 특징을 이용하여 IV Characteristics를 나타내면 다음과 같다.
먼저, Foward Bias일 경우는 다음과 같다.
Reverse Bias일 경우는 다음과 같다.
4. Anti-Parallel Ideal Diodes
Ideal 다이오드를 서로 반대 방향이고, 병렬로 연결한 Anti-Parallel 회로에 대해서 알아보고자 한다.
Anti-Parallel 회로는 다음과 같이 구성된다.
따라서 IV Characteristics는 다음과 같다.
IV Characteristics를 보면 Anti Parallel 회로는 Short circuit처럼 작동함을 확인할 수 있다.
5. Diode Implementation of OR Gate
논리회로 설계 및 실험 또는 디지털 논리회로 설계 과목을 들었다면 아는 내용일 OR Gate를 Diode로 꾸밀 수도 있다.
OR 논리를 실행시킬 수 있는 회로는 다음과 같다.
작동 방법은 매우 간단하다.
V_A에 전압을 인가를 하면, D_1이 ON 되면서, V_out에는 V_A의 전압이 찍힌다.
V_B에 전압을 인가를 하면, D_2가 ON 되면서, V_out에는 V_B의 전압이 찍힌다.
V_out이 될 수 있는 값은 V_A, V_B, 또는 0이 될 수 있다.
6. Input / Output Characteristics
앞으로 나올 다이오드 응용 회로에서 Input/Output Characteristics를 나타내는 그래프를 계속 그릴 것이다.
이름에서도 알 수 있듯이, 일정한 전압을 인가해주면 회로에서 어떤 출력을 나오는 지, 그것에 대한 관계를 그래프로 나타낸 것을
Input / Output Characteristics라고 한다.
Ideal Diode에서 Input / Ouput Characteristics의 간단한 예제를 풀어보자.
다음과 같은 회로가 있다고 하자.
그래프를 그리기 전에 경우를 두 가지로 나눌 수 있다.
- V_in < 0일 경우, 다이오드 D_1에는 Reverse Bias가 걸려 V_in이 그대로 V_out으로 출력이 된다.
- V_in > 0일 경우, 다이오드 D_1에는 Foward Bias가 걸려 V_out에는 전압이 인가 되지 않는다.
이 관계를 그래프로 나타내면 다음과 같다.
앞으로 이어질 내용은 다이오드의 여러 응용회로에 대한 내용이다.
이 회로들에서 Input / Output을 계속해서 이끌어낼 것이기 때문에, 이 부분에서 잘 짚고 넘어갈 필요가 있다고 생각한다.