전원회로에 대해 알아봅시다 - 5 : 제너다이오드를 이용한 정전압 회로 제너다이오드를 이용한 정전압회로에 대해 알아봅시다... 정전압 회로 중 가장 간단하게 구성되는 제너다이오드를 이용한 정전압회로에 대해 알아봅니다.. 제너다이오드를 이용한 정전압 회로를 이해하기 앞서 다이오드 중에서 제너다이오드에 대한 이해를 먼저 하는 것이 좋을 것 같네요..  제너다이오드 특성곡선 먼저, 제너다이오드 특성곡선을 보면, 다이오드가 항복전압 영역에서 동작할 수 있는 최소 역방향 전류 Iz_min 과, 정격을 초과하지 않고 견딜 수 있는 최대 역방향 전류 Iz_max 사이에서 동작될 경우, 제너다이오드 양단 전압은 일정하게 유지된답니다. 이러한 제너다이오드 항복전압 특성을 이용해 정전압 회로를 구성한 것이 제너다이오드 정전압 회로랍니다. 회로는 전류제한 저항 Rs와 제너다이오드(ZD)로 구성되고, 제너다이오드(ZD)와 부하(RL)이 병렬로 연결된 병렬형 정전압 회로랍니다. 제너다이오드를 이용한 정전압 회로 회로를 살펴보면 저항 Rs가 있는데, 제너다이오드가 동작하기 위한 전류와, 필요한 부하전류를 공급하는 아주 중요한 역할을 한답니다. 이러한 저항 Rs 값을 산출하기 위해서는 먼저, 저항 Rs에서 발생하는 전압강하 Vrs 값과 제너다이오드의 제너 전압 값 즉, 필요한 출력전압 값을 알아야 한답니다.. 입력전압은 저항의 전압강하 값과 제너 전압값의 합이 되므로, Vin = Vrs + Vz 따라서, Rs에서 발생하는 전압강하 Vrs 값은, 입력전압에서 제너다이오드의 제너 전압 Vz를 뺀 값이 된답니다. Vrs = Vin - Vz 회로에서 부하에 흐르는 전류 IL은, 무부하시에는 제너다이오드가 부하가 되므로, 제너다이오드로 흐르는 전류 Iz가 최소 부하전류 Is_min이 되고, 부하시 흐르는 최대 부하전류 Is_max은 부하전류 IL 과 제너다이오드에 흐르는 전류 Iz의 합이 된답니다 이것을 굳이 수식으로 표현한다면 다음과 같고, 이러한 수식을 이용해서 Rs 저항값을 산출할 수 있게 된답니다. 최소 전압강하 Vrs_min = Vin_min - Vz 저항 Rs는 입력전원과 부하에서 소요되는 전류 값으로 계산되므로 다음과 같이 계산될 수 있겠네요... Rs (Ω) = (Vin_min - Vz) / Is_max 위 수식을 가만히 살펴보면, 저항 Rs가 결정되고 나면, 제너다이오드에 흐르는 전류는 부하가 있을 때보다 무부하시에 많은 전류가 흐르는 것을 알 수 있답니다. 따라서, 제너다이오드에 최대 전류가 흐르게 되는 시점은, 무부하 상태에서, 최대 변동전압이 입력되었을 때이므로, 최대 제너 전류 Iz의 계산은 그러므로, 부하전류 IL 이 변동되는 경우(0∼MAX(A)), 제너전류 Iz 도 같이 변동(MAX ~ (Iz_max-IL))되는 것을 알 수 있답니다.
있답니다. 회로를 구성할 때 최대 제너 전류 Iz를 충족하지 못하는 제너다이오드를 사용할 경우, 부하의 변동폭이 큰 회로에서는, 제너다이오드가 버틸 수 있는 허용 전류를 초과하여 소손 또는 파괴되어 버린답니다.. 이렇듯, 제너다이오드를 사용하여 정전압 회로를 구성할 때 가장 중요한 요소로 작용하는 것은 부하에서 사용될 부하전류를 명확하게 설정하는 것이랍니다. 따라서, 제너다이오드를 사용한 정전압 회로는 부하에 따라 부하전류의 변동폭이 매우 크게 변하므로, 부하전류의 변동이 적은 용도에서 제한적으로 사용하는 것이 좋답니다. 이상으로 제너다이오드를 이용한 정전압회로에 대해 알아보았습니다... 다음은 제너다이오드와 트랜지스터를 이용한 정전압 회로에 대해 알아보겠습니다. 1. 제너 다이오드의 이해 불순물 농도가 높은 PN접합 실리콘 다이오드에 역방향 전압을 인가하면 역방향 전압이 낮을 때는 전류가 거의 흐르지 않지만 전압을 증가시키면 어느 특정한 전압에서는 급격히 많은 전류가 흐르게 된다. 이를 제너효과(Zener effect)라고 하고, 제너효과를 이용한 다이오드를 제너 다이오드 또는 정전압 다이오드라고 한다. 아래 그림은 제너 다이오드의 심볼과 특성곡선을 나타내고 있다. 제너 다이오드는 역방향 전류가 허용 최대값(Iz(max))을 초과하지 않는 한 다이오드의 손상 없이 제너현상을 반복하여 수행할 수 있다. 역방향 전압을 제너전압(Vz) 이하로 낮추면 역방향 전류의 크기는 다시 거의 '0'(zero) 이 된다. 제너전압은 사용목적에 따라 불순물의 농도를 조정하므로서 결정하게 된다. (출처 : www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_7.html) 역방향 전압이 제너전압에 이르면 전압을 조금만 증가시켜도 전류는 크게 증가한다. 전류가 증가하면 다이오드는 가열되고 심할 경우 파손되므로 역방향 전류가 허용 한계값(Iz(max))을 넘지 않도록 제어해야 한다. 2. 정전압 조정회로 아래 그림은 제너 다이오드를 이용한 정전압 조정회로이다. (출처 : www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_7.html) 제너 다이오드는 부하 RL 과 병렬로 연결되어 있고, 저항 Rs는 다이오드에 흐르는 최대 허용 전류를 제어하기 위해 설치한다. 출력전압(Vout)이 제너전압(Vz)에 도달할 때 까지는 출력전압(Vout)은 입력전압(Vin)에 비례해서 증가한다. 하지만 입력전압(Vin)이 더 증가하여 제너다이오드의 양단에 걸리는 전압이 제너전압(Vz)을 초과하게 되면 제너전류(Iz )가 저항 Rs로 부터 흐르게 된다. 따라서 출력전압(Vout)은 제너전압(Vz)을 유지하게 된다. 정전압 조정을 효과적으로 수행하기 위해서는 입력전압이 출력전압보다 높아야 하며 다이오드에 흐르는 전류가 허용 최대값의 90% 이내이어야 한다. 3. 기타 회로 이외에도 자동차에서 제너 다이오드는 다양한 위치에 다양한 목적으로 사용된다. 예를들면 점화코일에서 과전압을 흡수하여 트랜지스터를 보호하는 보호회로에 사용되고, 알터네이터의 충전경고등 회로에도 제너 다이오드를 사용한다. 제너다이오드는 정전압 기능과 과전압 보호의 2가지 기능이 있다. 이 제너다이오드를 잘 사용하기 위해서는 제너전압과 제너최대전류 (정격전류)를 선택하면 되는데 일반적인 사용방법은 아래와 같이 회로를 구성하면 된다.
입력전압이 5.1V 이상이면 제너다이오드에서 항복현상이 일어나서 5.1V 정전압으로 출력되며 만약 5.1V 이하의 입력전압이 들어온다면 그 전압이 출력되게 된다. 여기서 제너다이오드 상단에 직렬로 저항을 연결하여 제너다이오드에 흐르는 전류를 제한하게 되는데 이를 제너저항 또는 제너다이오드 전류제한저항이라고 부른다. 이 저항값을 계산하는 식은 아래와 같다.
많이 사용되는 제너다이오드 1N4733의 경우 제너전압이 5.1V이고 정격 전류는 178mA이므로 Rs = (12 - 5.1 ) / 0.178 = 38.7옴이므로 계산값보다 조금 큰 저항 39옴을 사용하면 된다. 만약 전류를 많이 흘려야 한다면 5W급인 1N5338B를 사용하면 되는데 최대전류가 930mA이다. [데이터시트] 첨부파일 1n5338b-1n5369b(Do-15, 5W급).pdf 파일 다운로드 아래는 15V 신호 입력을 받는 아두이노 입력 인터페이스 회로이다. 큰 전류가 필요없으므로 1N4733A를 사용하면 된다.
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제너다이오드 정전압 회로 - jeneodaiodeu jeongjeon-ab hoelo
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