앞서 #5. Diode의 정의와 기본적인 동작 특성 :: 아날로그 회로 설계 (tistory.com) 에서 다이오드의 기본적인 특성에 대해 알아 봤습니다. 그러면 이번 포스팅에서는 다이오드의 역할과 활용방안에 대해 알아보도록 하겠습니다.
우선, 다이오드의 역할은 크게 아래와 같이 3가지 정도로 구분 가능합니다.
1. 정류용 회로 역할
2. 보호용 회로 역할
3. 신호 검출 역할
위 세가지 다이오드의 역할에 대해 차근차근 얘기해 보겠습니다.
1. 정류용 회로 역할
다이오드의 정류 역할은 사실 다이오드의 가장 기본적인 역할이라고 볼 수 있습니다. 다이오드는 순방향 전압에서만 도통되는 방향성을 가지고 있고, 이 특성을 사용하여 교류 신호(AC)를 직류 신호(DC)로 바꿀 수 있습니다. 즉, 220V의 AC 전류를 받아서 직류 신호로 정류 후 원하는 DC 레벨로 변환이 가능하다는 거죠. 다이오드의 정류 역할에 대해서는 검색을 해보면 너무나도 많은 자료가 나오기 때문에 간단하게 설명하고 넘어 가도록 합니다.
캐패시터가 없을 때, 그림 1의 우측 상단과 같은 정류 파형이 출력되고, 큰 값의 캐패시터를 추가하면 우측 하단과 같은 DC+리플 파형이 출력 됩니다. 결국 이 리플 파형에서 평활 회로를 거쳐 리플을 제거한 직류 신호를 만들어 내게 됩니다.
2. 보호용 회로 역할
다이오드의 기본 기능은 정류 역할이라고 했지만 가장 많이 사용되는 용례는 보호 회로로써의 역할일듯 합니다. 가장 흔한 다이오드의 보호 기능은 순간적인 서지나 펄스 신호를 차단하기 위한 클램핑 회로의 역할과 역전압을 방지하기 위한 역할이 있습니다.
그림 2에서 피크 전압 100V 수준의 큰 펄스가 인가되면 IC 내부에 클램퍼가 없을 경우 I/O가 손상을 입을 수 있습니다. IC 가격이 비싼 경우라면 굉장히 뼈 아프죠. 물론 요즘 나오는 많은 IC들이 kV 수준까지도 버틸 수 있도록 ESD 설계가 잘 되어 있긴합니다. 그렇지 않은 경우라면 그림 3과 같이 IC 핀 외부에 클램퍼를 설계해줘야 합니다.
그림 3에서 저항과 다이오드 하나를 사용하면 순방향 전압 인가 시 다이오드가 0.7V를 잡아주기 때문에 Va 전압이 5.7V로 고정됩니다. 그러면 IC의 I/O로 100V가 아닌 5.7V라는 낮은 전압이 걸리게 되는거죠. 이 때, 저항을 사용하지 않으면 다이오드에 95V가 인가되므로 저항을 사용해서 다이오드가 손상되지 않게 해줘야 합니다. 100V 전압 인가 시 저항에 걸리는 전압은 94.3V이므로 저항도 최소한 100V이상의 전압을 버틸 수 있는 소자로 선정해야 합니다.
그림 3의 경우 100V에 대한 강건성을 가지도록 설계되었지만 -100V가 인가될 경우 다이오드는 오픈 상태가 되어 IC의 I/O에 그대로 -100V가 인가됩니다. 그래서 보통은 그림 4와 같이 2개의 다이오드를 연결해서 설계합니다. 그래서 -100V가 인가될 경우 다이오드 D1은 오픈, D2는 단락되어 Va 노드는 -0.7V로 고정됩니다.
다음은 역전압 방지용으로 사용하는 다이오드의 역할에 대해 알아 봅니다. 역전압 방지 다이오드는 실무에서 클램핑 용도 만큼이나 많이 사용하는 용례 입니다. 전원 입력단에 역전압을 방지하기 위해 사용하는 회로는 다양하지만 가장 심플하게 사용할 수 있는 방식입니다. 물론, 그만큼 단점이 있기도 합니다. 다이오드의 문턱 전압만큼 전압 드롭이 발생하기 때문에 전류 소모가 큰 어플리케이션에서는 적합하지 않기 때문에 사용 시 주의해야 합니다. 어쨋든, 역전압 방지를 위한 다이오드 사용 회로는 그림 5와 같이 구성이 됩니다.
Vin으로 12V의 배터리가 입력된다고 가정하면 다이오드 전압 드롭 0.7V 후, 부하로 11.3V가 인가 됩니다. 전압 드롭이 크면 전력소모가 커지기 때문에 shottkey 다이오드와 같이 전압 드롭이 0.4V 수준으로 작은 녀석을 사용해도 됩니다. 다만, shottkey 다이오드의 경우 최대 흐를 수 있는 전류가 상대적으로 작기 때문에 사용 시 그 부분만 주의하면 됩니다. 커패시터의 경우 순간적으로 전류 소모가 클 때, 부하 전원에 드롭이 생기는 현상을 방지하기 위해 사용합니다. 이 커패시터로 인해 순간 돌입 전류가 커지는데 돌입 전류로 인해 전원부가 손상이 되는 경우가 많습니다. 이를 방지하기 위해 인덕터를 사용합니다. 이러한 커패시터와 인덕터의 역할이 전원 설계 시 굉장히 중요한데 추후 포스팅에서 해당 부분을 설명할 기회가 있을 때 다루도록 하겠습니다.
어쨋든, 여기까지 다이오드의 중요한 2가지 역할에 대해 알아 보았고, 마지막 신호 검출로써의 역할은 조금 결이 다릅니다. 사실 굉장히 다룰 내용도 많죠. 그래서 신호 검출 역할로써의 다이오드는 다음 포스팅에서 다루도록 할께요~!
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