[전자회로] 1. 다이오드 분석 모델

0) 다이오드의 특성

다이오드는 전류가 한 쪽 방향으로만 흐르도록 제어하기 위한 소자입니다. 다이오드는 회로도에서 아래의 기호와 같이 표시 합니다.

다이오드의 기호에서 삼각형부분을 Anode(음극), 막대부분을 Cathode(양극)이라고 부릅니다.

 

다이오드는 Anode에서 Cathode의 방향으로만 전류가 흐를 수 있도록 전류의 흐름을 제어 합니다.

 

전류는 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 됩니다. 따라서 다이오드의 Anode쪽 전압이 Cathode쪽 전압보다 높을 경우에만 전류가 흐를 수 있습니다. 이렇게 전류의 흐름을 제어하는 작용을 '정류작용'이라고 부릅니다.

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다이오드에 걸린 전압은 Forward bias(순방향 전압)과 Reverse bias(역방향 전압)으로 나눌 수 있습니다.

 

(1) Forward bias

• Anode의 전압이  Catode의 전압 보다 높은 경우를 Forward bias(순방향 전압)이라고 합니다.
• V(Anode) - V(Cathode) > 0
• Forward bias가 걸렸을 때는 전류가 흐를 수 있습니다.

(2) Reverse bias

• Catode 의 전압이  Catode Anode 의 전압 보다 높은 경우를 Forward bias(순방향 전압)이라
• 고 합니다.
• V(Anode) - V(Cathode) < 0
• Reverse bias가 걸렸을 때는 전류가 흐를 수 없습니다.

 

Forward bias and Reverse bias

• Forward bias가 걸렸을 때는 전류가 흐를 수 있습니다. 따라서 short circuit과 같다고 볼 수 있습니다.
• Reverse bias가 걸렸을 때는 전류가 흐를 수 없습니다. 따라서 open circuit과 같다고 볼 수 있습니다.

다이오드의 특성에 대해 간단히 정리했고 지금부터는 다이오드의 분석 모델에 대해서 알아보겠습니다.

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1) Exponential model

 Exponential이란 지수함수를 뜻합니다. Exponential model은 이름처럼 지수함수를 이용해서 다이오드에 흐르는 전류와 전압의 관계를 나타냅니다.

 

 I_D는 다이오드에 흐르는 전류를 의미합니다.  I_s는 포화전류라는 값으로 온도에 의해 값이 변하게 됩니다. 문제를 풀이할 때는 대부분 상수로 주어질 것이기 때문에 크게 상관쓰지 않아도 됩니다. V_D는 다이오드의 V_Anode - V_Cathode에 해당합니다. V_T는 Thermal voltage로 이 또한 대부분의 겨우에 상수로 주어질 것입니다. V_T는 kt/q(k: 볼츠만 상수, t: 절대 온도, q: 전하)로도 나타낼 수 있습니다.

 

 V_D 값을 증가시키면 지수함수의 특징에 의해 점점 증가하는 형태의 그래프가 나타날 것입니다.

 반면 V_D를 감소시키면 I_D가 점점 감소할 것입니다. V_D값이 음수가 되면 지수함수 부분이 0으로 수렴하게 될 것 입니다. 따라서 -1과 I_s가 곱해지면서 -I_s에 수렴하는 값이 나올 것입니다.

 

 Expoenetial model은 실제 다이오드의 동작과 가장 유사한 모델입니다. 그러나 식이 너무 복잡하다는 문제가 있습니다. 따라서 회로를 분석하는 과정에서는 거의 사용되지 않습니다. 다이오드의 동작을 최대한 간략하게 나타낸 model이 이어서 설명할 Ideal model 입니다.

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2) Ideal model

 위에서 다이오드의 특성에 대해 간략하게 설명하면서 다이오드의 Anode전압이 Cathode 전압보다 높을 때 전류가 흐를 수 있다고 정리 했습니다. 이를 간단하게 나타낸 model이 Ideal model이라고 생각하시면 됩니다.

 

 Ideal model의 경우 V_D가 0보다 작을 때는 전류가 0, 즉 전류가 흐르지 않습니다. V_D가 0보다 클 때는 전류가 흐를 수 있습니다.

 

 Ideal model을 이용하면 다이오드의 전류 전압 관계를 간단하게 표현할 수 있습니다. 하지만 Ideal model은 실제 다이오드의 동작과는 큰 차이가 있습니다. 따라서 Ideal model과 Exponential model의 절충안으로 Constant voltage model이 사용됩니다.

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3) Constant voltage model

 Constant voltage model은 V_D,on이라는 전압 값을 기준으로 전류가 흐르는지를 결정합니다. V_D,on은 일반적으로 0.4V~0.5V 정도의 값을 가지는 값 입니다. 회로를 분석할 때 V_D,on 값은 상수값으로 주어지니 외우실 필요는 없습니다. 중요한 것은 V_D,on을 기준으로 전류가 흐른다는 것 입니다.

 Constant voltage model의 전류 전압 그래프는 Ideal model의 그래프를 V_D,on만큼 평행이동한 형태를 가집니다. 전압의 기준 또한 0에서 V_D,on으로 바뀝니다.

 

 Ideal model의 경우 V_D가 0보다 작을 때는 전류가 0, 즉 전류가 흐르지 않습니다. V_D가 0보다 클 때는 전류가 흐를 수 있습니다.

 Constant voltage model의 경우 V_D가 V_D,on보다 작을 때는 전류가 0, 즉 전류가 흐르지 않습니다. V_D가 V_D,on보다 클 때는 전류가 흐를 수 있습니다.

 

 앞으로 회로를 분석할 때 대부분의 경우에 Constant voltage model을 사용하게 될 것입니다. 그래도 문제에서 다른 model을 사용하도록 요구할 수도 있으니 다른 모델도 알아두면 좋을 듯  합니다.

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 정리하자면 가장 현실에 가까운 model이 Exponential model이고, 가장 이상에 가까운(간단한) model이 Ideal model 입니다. 그리고 두 model 사이에 있는 model이 Constant voltage model에 해당합니다.