고등학교 다이오드 실험 - godeunghaggyo daiodeu silheom

[기초회로실험] 다이오드 특성 및 정류회로(반파정류기/전파정류기) 실험

AnnieNBruno ・ 2016. 7. 16. 7:54

오늘은 다이오드 특성 및 정류회로 실험 회로 4가지를 PSpice를 이용하여 시뮬레이션하고
오실로스코프로 그 파형을 관찰하고 멀티미터로 전압을 측정해보는 실험을 보여드릴게요^^

다이오드(Diode)는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시켜 각 반도체 영역에 금속성 접촉과 리드선이 연결된 소자로, 한쪽 방향으로만 전류를 흘릴 수 있고 다른 방향으로는 전류를 차단하는 기능을 해요.
다이오드의 양극(Anode)이 음극(Cathode)보다 높은 전위를 가지도록 전압을 인가하는 것을 순방향 바이어스(Forward Bias)라 해요.
반대로 다이오드의 양극이 음극보다 낮은 전위를 가지도록 전압을 인가하는 것을 역방향 바이어스(Reverse Bias)라고 하죠.
다음 첫 번째, 두 번째 회로 실험을 통해 순방향과 역방향 바이어스를 가했을 때 다이오드의 특성을 알아봅시다!

<첫 번째 회로>
순방향 바이어스였을 때의 다이오드의 특성을 알아보기 위해
다음 다이오드 회로의 입력 전압을 0V ~ 1V 사이로 변화시키면서
다이오드의 전압과 전류를 측정했어요!

PSpice로 시뮬레이션한 결과는 위의 그래프와 같이 나타났고,
멀티미터로 직접 전압과 전류를 측정해본 결과 다음 표와 같이 나타났어요!

PSpice 시뮬레이션 결과와 멀티미터로 본 측정 결과를 통해
다이오드에 순방향 바이어스를 걸었더니 다이오드의 양극과 음극 사이의 전위차가 증가하고 점차 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있었어요!
일반적으로 실리콘 다이오드의 경우 대략 다이오드 양단 전압이 0.7V에 이를 때까지는 순방향 전류가 조금밖에 증가하지 않지만 0.7V이상이 되면 순방향 전류는 급속히 증가해요.
이 실험에서 나온 결과도 이와 마찬가지로 0.7V가 될 때까지는 순방향 전류가 0.002(mA), 0.015(mA), 0.865(mA) 이렇게 조금씩 증가하던 것이 0.7V가 되고나서부터는 3.60(mA), 9.09(mA), 16.4(mA) 이런 식으로 급격히 증가했어요.

<두 번째 회로>
역방향 바이어스였을 때의 다이오드의 특성을 알아보기 위해
다음 다이오드 회로의 입력 전압을 -16V ~ 0V 사이로 변화시키면서
다이오드의 전압과 전류를 측정했어요!

PSpice로 시뮬레이션한 결과는 위의 그래프와 같이 나타났고,
멀티미터로 직접 전압과 전류를 측정해본 결과 다음 표와 같이 나타났어요!

다이오드에 역방향 바이어스를 걸면 다이오드를 흐르는 전류는 거의 없게 되요.
이 실험에서도 -16V까지 전압을 걸었는데 0mA의 결과가 나왔어요!
일반적으로 역방향 바이어스 전압의 크기가 증가하여 Breakdown Voltage에 도달하면 Avalanche 현상이 일어나서 다이오드에 급격한 전류가 흐르게 되어 소자가 파괴되는데, 그것은 -16V보다 크기가 더 큰 전압에서 일어날 거에요.
※Avalanche 현상: 전압이 증가하다 다이오드 내부의 전자가 전압을 이기지 못하고 처음 한 개의 전자가 튀어나가면서 다른 전자도 함께 튕겨내게 되어 이 현상이 기하급수적으로 늘어나게 되는데 마치 눈사태와 같다고 하여 이름붙여진 현상

이제 정류회로 실험을 보여드릴게요!
정류기(Rectification)는 교류전압 파형을 반파 혹은 전파 정류된 맥류파형으로 변환하는 역할을 해요.
정류기에서 정류된 파형은 Capacitor Filter를 거치면 약간의 리플(Ripple)이 포함된 비교적 평탄한 직류전압으로 변환되요.
이 전압파형이 정전압 레귤레이터(Regulator)를 거쳐 완전히 평탄한 직류전압 파형으로 변환되어 부하에 공급됩니다!
정류기에는 반파정류기(Half-wave Rectification)와 전파정류기(Full-wave Rectification)가 있는데 세 번째 회로와 네 번째 회로를 통해 각각의 특성을 알아보는 실험을 해볼 거에요!
반파정류기가 극히 제한적인 상황에서 응용되는 것에 반해 전파정류기는 직류전원으로 주로 사용되죠.
전파정류기는 중간 탭 방식과 브리지 방식의 두 가지 형태가 있는데 이번 실험에서는 브리지 방식의 전파정류기에 대해 알아봅시다^^

<세 번째 회로>
Half-wave Rectification

PSpice로 시뮬레이션한 결과는 위의 그래프와 같이 나타났어요!(연두색 그래프)

a와 c사이의 전압 파형 a와 b사이의 전압 파형 b와 c사이의 전압 파형

반파정류기의 파형을 보면 띄엄띄엄 그려져 있어요.
교류전원은 전류의 방향이 주기적으로 바뀌는데, 정방향일 때만 다이오드가 작동하기 때문에 그렇죠!
(첫 번째, 두 번째 실험으로 알게 된 다이오드의 특성 기억하시죵?ㅎㅎ)
즉, 반파정류기는 다이오드의 순방향, 역방향 바이어스 시의 특성에 따라 전류를 흐르게 하거나 단락된 회로로 동작하는 성질을 이용하여 작동하게 됩니다.
직렬 연결된 다이오드는 순방향 바이어스 시 전류를 흐르게 하고 역방향 바이어스 시 전류를 차단하는데, 결국 파형의 반만 지속적으로 통과하게 되요.

위의 이론과 같은 이야기지만 스위치로 표현해보면,
입력전압의 양의 반주기 동안 다이오드는 순방향으로 바이어스 되기 때문에 다이오드는 닫힌 스위치(ON) 상태가 되어 회로에 전류가 흐르고 부하저항 양단에 나타나는 출력전압은 입력전압 파형과 동일하게 나타나고, 반대로 입력전압의 음의 반주기 동안 다이오드는 역방향으로 바이어스 되기 때문에 다이오드는 열린 스위치(OFF) 상태가 되어 회로에 전류가 흐르지 않고, 부하저항 양단에 나타나는 출력전압은 0이 되어 결국, 파형의 반은 0전압으로 통과하게 되어 지속적인 파형이 아닌 끊긴 파형으로 나타나는 거에요~
(물론..위의 실험 결과가 완전히 끊긴 파형으로 나타나지는 않았지만 오차를 더욱 줄인 이상적인 실험을 했다면 이론적인 결과를 얻을 수 있었을 거에용ㅎㅎ)

<네 번째 회로>
Full-wave Rectification

PSpice로 시뮬레이션한 결과는 위의 그래프와 같이 나타났어요.(하늘색 그래프)

P.P는 Peak to Peak 값을 나타낸 것

V(CB) : C와 B사이의 전압 V(out) D1 양단의 전압

전파정류기는 반파정류기에서 파형이 끊기는 것을 방지한 회로에요.
두 개의 다이오드를 통해 역방향 바이어스 때에도 전압이 걸리도록 각 다이오드의 입력은 +와 -로, 출력은 동일한 극으로 설정하여 만들게 되죠.
이 실험에서는 다이오드 D1과 D3 / D2와 D4가 각각 짝을 지어 같은 방향으로 바이어스됩니다.
이에 따라 파형은 항상 +/-로 일정하게 나타나게 되고 전파정류기는 교류전원에서 반반 나누어서 한번은 위에서, 전원이 바뀌면 밑에서 작동하는 것이죠.
위의 실험결과에서 살펴보면, V(CB) (P.P)값인 12.08(V)에서 V(out) (P.P)값인 4.80(V)로 줄어든 걸 확인할 수 있어요. Peak to Peak 값이기 때문에 12.08/2=6.04(V)에서 4.80/2=2.40(V)로 줄어든 거죠. (이상적인 실험이 아니므로 오차가 존재합니다!)
또, 전파정류기는 극성이 다른 두 개의 반파정류기로 동작하여 보통의 반파정류기보다 ripple이 적은 전원을 얻을 수 있답니다^^

회로에서 기본이 되는 다이오드와 다이오드를 이용해 만든 전압조절기 정류기회로 잊지 마세용!