1. 다이오드의 명칭
다이오드란? 대체로 반도체 소자를 의미하며 좀 더 정확하게는 PN 접합 다이오드라도고 하지만, 이 말은 거의 쓰이지않는다. 예전에는 광석 다이오드라고 부르기도 했다. 그 이전에 다이오드는 진공관의 한 종류를 가리키는 말로 쓰였는데, 진공관은 고전력 RF 송신기와 일부 고급 오디오 장비 외에는 거의 사용되지 않는다.
2. 다이오드의 역할
다이오드에는 아노드와 캐소드 단자가 있으며 아노드의 전위가 캐소드보다 높을 때 전류를 한 방향, 즉 순방향으로만 흐르게 하는 소자다. 이 상태에서 다이오드는 순방향으로 바이어스 되어있다. 전압의 극성이 바뀌면 다이오드는 역방향으로 바이어스가 되고 정해진 규격 내에서 전류의 흐름을 차단한다.
다이오드는 흔히 교류전류를 직류로 변환해주는 정류기로 사용된다. 또한 전압 스파이크를 억제하거나 전압 반전에 취약한 부품을 보호하는데 사용되며 특히 고주파 회로에 특화되어있다. 제너 다이오드는 전압조정기로 사용할 수 있고 버랙터 다이오드는 고주파 발전기를 제어할 수 있다. 그 밖에 터널 다이오드, 건 다이오드, 핀 다이오드 등은 빠른 스위칭 능력으로 인해 고주파 작업에 적합하다. LED(발광 다이오드)는 효율이 높은 광원이다. 광검출 다이오드는 다이오드에 비치는 빛의 세기에 따라 전류를 통과시킨다.
3. 다이오드의 작동원리
PN 다이오드는 반도체를 두 겹 쌓은 것으로 대부분 실리콘으로 제조하여 간혹 게르마늄을 사용하는 경우도 있다. 다른 재료를 사용하는 경우는 극히 드물다. 반도체 층에는 전기적 특성을 조절하기위해 불순물이 주입되어있다. N형 반도체는 전자가 과잉인 상태고 순 음전하를 만든다. P형 반도체는 전자가 모자라 순양전하를 만든다. 전자의 부족은 달리 생각하면 양전하의 과잉으로 생각할 수 있고 더 정확히 표현하자면 정공의 과잉이라고 한다. 정공이란 전자가 채울 수 있는 빈 공간을 뜻한다. 외부 전원의 음극을 다이오드의 캐소드에 연결하고 양극을 아노드에 연결하면 다이오드는 순방향으로 바이어스되고 전자와 정공은 N 과 P 반도체의 접합 부위에서 서로 끌어당기는 힘을 받는다.
4. 다이오드의 다양한 유형
1. 포장
: 다이오드 중에는 겉면에 정보가 전혀 인쇄되어 있지 않은 것도 있고 부품 번호가 새겨진 것도 있다. 추가적인 정보가 제공되는 경우는 드물다. 부품의 전기적 특성을 표시하는 색깔이나 약어의 통상적인 기준도 없다. 다이오드의 어느 단자에 어떤 방식으로든 표시가 되어 있다면 그 단자는 거의 대부분 캐소드이다. 정류 다이오드나 신호 다이오드의 캐소드 쪽 띠 표시의 의미를 기억하는 한 가지 방법은 다이오드의 띠를 다이오드의 회로도 기호의 직선으로 생각하는 것이다.
2.신호 다이오드
: 스위칭 다이오드 또는 고속 다이오드라고도 한다. 크기가 작아 접합용량이 적고 반응 시간이 빠르다. 신호 다이오드는 높은 전류를 견디도록 설계된 제품이 아니다. 신호 다이오드는 전통적으로 동축형 단자에 스루홀 장착 용으로 포장된다. 이런 유형도 여전히 사용되고 있지만 현재의 신호 다이오드는 표면 실장형으로 더 많이 사용된다.
3.정류 다이오드
: 신호 다이오드보다 크기가 커서 더 많은 전류도 처리할 수 있다. 접합 용량이 커서 빠른 스위칭에는 적합하지 않다. 정류 다이오드는 동축형 단자를 가지고 있지만 높은 전류를 처리해야 할 때는 이와 다른 모양의 케이스를 사용하기도 하며 방열판을 포함하거나 방열판을 부착할 수 있는 장치가 되어 있기도 하다. 신호 다이오드와 정류 다이오드를 구분할 최대 또는 최소 규격 같은 것은 보편적으로 합의된 바 가 없다.
4.제너 다이오드
: 제너 다이오드는 일반적으로 신호 다이오드나 정류 다이오드와 매우 유사하게 작동한다. 다만 제너 다이오드는 항복전압이 낮다. 제너 다이오드는 역방향 바이어스로 작동하도록 고안된 것이다. 일반적인 다이오드와 비교할 때 통상적인 전류의 방향이 잘못된 방향이 된다는 뜻이다. 전류가 증가하면 제너 다이오드의 동저항은 감소한다.
5.과전압 억제 다이오드
: 과전압 억제 다이오드는 제너 다이오드의 한 형태로 과도한 전압 스파이크로부터 민감한 부품을 보호하기 위해 에너지를 그라운드로 흘려 보내는 용도로 고안된 부품이다. TVS는 벼락이나 정전기 방전 등으로 인한 과다 전압을 30,000V까지 흡수할 수 있다. 일반적으로 다른 다이오드가 포함된 회로나 표면 실장형 집적회로를 제너 다이오드와 함께 사용한다.
6.쇼트키 다이오드
: 쇼트키 다이오드는 일반 실리콘 다이오드보다 접합 용량이 적어 빠른 스위칭이 가능하다. 쇼트키 다이오드는 순전압강하가 낮아 낮은 전압을 사용하는 작업에 바람직 하며 적은 전력 손실로 전류 흐름을 통제한다. 반도체 금속접합으로 제조하며 비슷한 규격의 일반 실리콘 다이오드와 비교할 때 조금 비싸다.
7.버랙터 다이오드
: 배리캡이라고도 한다. 버랙터 다이오드는 역방향 전압으로 제어되는 가변 용량을 가지고 있다. 다른 다이오드들도 같은 특성을 보이지만 버랙터는 특히 초고주파수 영역에서 사용되도록 고안된 제품이다.
8.터널 다이오드,건 다이오드,핀 다이오드
: 초고주파 또는 마이크로파 작업에서 대부분 사용된다. 일반 다이오드는 이러한 환경에서는 스위칭 속도가 충분히 빠르지 않기 때문에 적합하지 않다.
9.다이오드 어레이
: 2개 이상의 다이오드를 하나의 DIP 또는 표면 실장형 집적회로 칩에 넣을 수 있다. 내부 구조와 칩의 핀 배치는 장치마다 다르며 다이오드 어레이는 데이터 선의 끝에서 반사 잡음을 줄이기 위해 사용되기도 한다.
5. 다이오드의 사용법
정류 다이오드는 교류전류를 정류하기 위해 사용된다. AC를 DC로 변환한다는 뜻이다.반파 정류기는 하나의 다이오드를 이용해 AC 사인파의 절반을 차단한다. 전파 브리지 정류기는 다이오드를 4개 사용하여 보다 효율적인 출력을 제공한다. 이 출력은 일반적으로 적절한 캐패시터를 통해 필터를 거치고 평활화 된다.
1.역기전력 억제
: 릴레이 코일,모터,그밖에 인덕턴스가 큰 장치들은 일반적으로 전원이 들어오거나 꺼질 때 전압 스파이크를 방생시킨다. 이러한 기전력은 회로 내 다른 부품을 보호하는 정류 다이오드를 통해 다른 곳으로 흘러가게 된다.
2.전압 선택
: 다이오드는 아노드와 캐소드 단자 사이의 전위차에 민감하다.즉 캐소드가 회로의 그라운드에 대해 9V이고 아노드가 12V면 3V 차는 문턱전압을 넘는 값이므로 다이오드는 전류를 통과시킨다. 전압이 반전되면 다이오드는 전류를 차단한다.
3.전압 클램핑
: 다이오드는 전압을 원하는 값으로 고정 시키는데 사용할 수 있다. 5V CMOS 반도체나 이와 유사한 민감한 장치에서 입력 값이 일정 범위 이상을 넘어서는 안 될 때 다이오드의 아노드를 입력에 캐소드를 5V 전원에 연결한다. 입력이 5.6V 이상으로 증가하면 이 값은 다이오드의 문턱접압을 넘게 되므로 다이오드는 초과 에너지를 우회시킨다.
4.논리 게이트
: 신호 다이오드는 고유의 0.6V 전압강하가 있기 때문에 논리 게이트만큼 이상적인 소자는 아니다. 그러나 여전히 출력단에서는 유용하게 쓰일 수 있다.
5.DC 저압 조정과 잡음 억제
: 역방향 바이어스가 걸린 제너 다이오드의 동저항은 전류가 증가함에 따라 감소한다. 이러한 현상은 다이오드의 절연 기능이 무너지기 시작하는 시점부터 시작되며 제한된 범위 안에서는 선형적으로 비례하는 관계를 보인다.
6.AC 전압 제어 및 신호 클리핑
: 제너 다이오드를 실용적으로 활용하는 경우라면 AC 전압 제한과 AC 사인파의 클리핑이 있다. 이때 다이오드 2개를 반대 극끼리 마주보로독 직렬로 연결하여 사용한다.
7.전압 감지
: 제너 다이오드는 전압의 미세한 변화를 감지하고 그에 대하여 스위치 출력을 제공하는 데 사용된다.
6. 주의사항
1.과부화
: 최대 순방향 전류를 초과하면 열이 발생하여 다이오드가 파손될 위험이 있다. 다이오드가 피크 역전압 한계값을 넘어 역방향 바이어스가 걸리면 전류는 다이오드가 차단할 수 있는 수준을 넘어서게 되고 애벌란치 항복이 일어나면서 다이오드가 손상을 입는다.
2.극성의 반전
: 제너 다이오드는 다른 다이오드와 매우 비슷하게 생겼으며 다이오들은 모두 캐소드 표시 원칙이 동일하다. 그러나 제너 다이오드는 역방향으로 바이어스가 걸려야 하고 다른 다이오드들은 순방향 바이어스가 걸려야 한다. 따라서 다이오드를 잘못된 방향으로 연결하면 부품 자체가 파손될 수도 있고 혼란스러운 결과를 낳을 수 있다. 특히 전원공급기에서 사용하는 경우에 더욱 조심해야한다. 다이오드의 저항은 순방향 저항에 대하여 매우 낮으므로 부정확하게 설치되는 경우 타 버린다.
3.다이오드 유형 오류
: 신호 다이오드나 정류 다이오드를 사용해야 할 자리에 실수로 제너 다이오드를 사용하는 경우 제너 다이오드의 항복 전압이 매우 낮아 역전류를 차단하지 못하게 되므로 회로가 오작동하게 된다. 이와는 반대로 제너 다이오드의 자리에 신호 다이오드나 정류 다이오드를 놓으면 역전압이 제한된다. 다이오드에는 뚜렷하게 표시가 되어 있지 않으므로 제너 다이오드를 보관할 때는 다른 다이오드와 확실히 분리해서 보관하도록 세심한 주의를 기울여야 한다.
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