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B3 · 다이오드

제너 다이오드: 흔들리는 입력에서 고른 출력

역방향으로 깊이 밀면 다이오드는 거꾸로 무너지면서 전압을 붙잡는다. 이 유닛에서는 입력 전압을 직접 올려 가며, 어느 지점부터 출력이 더는 따라 오르지 않고 한 값에 머무는지 확인해요.

입력을 올려도 출력이 멈추는 지점

가로축은 입력 전압, 세로축은 출력 전압이고, 옅은 대각선은 출력이 입력과 같을 때의 선이다. 입력을 올리면 처음에는 출력이 그 대각선을 따라 오르지만, 점선으로 표시한 Vz를 지나면 제너가 항복해 출력이 평평해진다. 작동점을 밀어 출력이 멈추는 자리를 찾아요.

입력 전압 VinVin = 2.0 V
출력 전압 Vout
Vout = Vin
아직 항복 전압 아래다. 제너는 거의 막혀 있어 출력이 입력을 그대로 따라간다.
출력이 입력을 따라감

역방향 항복, 일부러 거꾸로

B1에서 역방향 다이오드에는 전류가 거의 흐르지 않았다. 그런데 역방향 전압을 충분히 높이면 어느 지점에서 갑자기 큰 전류가 흐르기 시작한다. 보통 다이오드는 여기서 망가질 수 있지만 제너 다이오드는 바로 그 항복 영역에서 안전하게 동작하도록 만들어지니, 일부러 거꾸로 쓰는 다이오드인 셈이에요. 항복 전압이 낮은 것은 주로 제너 효과로, 높은 것은 주로 사태 항복으로 무너지지만 쓰는 방법은 같다.

왜 전압이 고정되는가

항복 영역에서 역방향 곡선은 거의 수직으로 선다. 전류가 작든 크든 양단 전압은 항복 전압 Vz 부근에서 거의 변하지 않으니, 제너는 흐르는 전류와 상관없이 일정한 전압을 내놓는 전압원처럼 보인다. 곡선의 아주 작은 기울기에서 나오는 동저항 rz가 남은 미세한 변동을 정해요.

정전압 회로, 션트 레귤레이터

입력과 부하 사이에 직렬 저항 하나를 넣고 부하와 나란히 제너를 건다. 직렬 저항은 입력과 Vz의 차이만큼 전압을 떠안는다. 입력이 흔들리거나 부하가 바뀌어도 제너가 받아들이는 전류가 저절로 늘고 줄어 출력이 Vz에 붙들리는데, 이것이 가장 단순한 정전압 회로이고 기준 전압이 필요한 곳마다 쓰인다. 다만 제너가 항복을 유지할 만큼의 최소 전류가 늘 흘러야 하므로, 부하가 전류를 너무 많이 가져가면 출력이 Vz보다 낮아져요.

관찰Vout = Vz (V > Vz)
항복 영역에서 출력은 Vz에 고정된다.
고르기IR = (Vin - Vz) / ?
직렬 저항 전류는 입력과 Vz의 차이를 저항으로 나눈 값이다.
빈칸IR = Iz + ?
저항 전류는 제너와 부하로 나뉘어요.
스스로ΔVout ≈ rz ?
남은 출력 변동은 작은 동저항이 정한다.

첫 화면으로 돌아가서

입력이 낮을 때는 출력이 옅은 대각선을 따라 그대로 올라갔다. 그러나 항복 전압을 지나는 순간 곡선이 꺾여 평평해졌고, 그 뒤로는 입력을 아무리 올려도 출력이 Vz에 머물렀다. 그 평평한 선이 바로 정전압이에요. 거의 수직인 항복 곡선 덕분에 전류가 크게 변해도 전압은 거의 그대로이고, 직렬 저항이 입력의 변동을 떠안아 부하에는 고른 Vz만 전해진다. B1의 역방향 영역이 이렇게 가장 단순한 기준 전압 도구가 된다.

제너 다이오드는 일부러 역방향 항복에서 동작시키는 다이오드다. 항복 전압 Vz를 넘으면 전류가 크게 변해도 양단 전압은 거의 일정하게 Vz에 머문다. 부하와 병렬로 두고 앞에 직렬 저항을 두면(션트 레귤레이터) 입력이 흔들려도 출력이 Vz로 고정되는 정전압이 된다. 남은 미세 변동은 작은 동저항 rz가 정한다.

이어지는 흐름

지금까지는 다이오드 한 개의 쓰임을 보았다. 다음 유닛에서는 다이오드 네 개를 다리처럼 엮어, 교류의 음의 반주기마저 뒤집어 양으로 만드는 전파 정류를 본다. 그리고 커패시터로 그 울퉁불퉁한 맥동을 매끈한 직류에 가깝게 고른다. B1의 정류와 B3의 안정을 합치면 전원의 앞단이 완성돼요.