#15. 제너 다이오드 (Zenor Diode)를 이용한 보호회로 설계

2023.06.18 - [아날로그 회로] - #5. Diode의 정의와 기본적인 동작 특성
2023.06.19 - [아날로그 회로] - #6. 다이오드를 왜, 어디에 사용할까? - 정류 회로, 보호 회로
 
앞서 일반 다이오드의 특성과 동작 원리에 대해 알아보았습니다. 그리고 이 다이오드를 어떤 용도로 사용하는지에 대해서도 상세하게 포스팅을 했는데요. 일반 다이오드의 경우 순방향 영역에서만 사용가능하다고 했는데 이와 달리 역방향 영역에서도 사용가능한 녀석이 있습니다. 그게 바로 제너 다이오드입니다. 일반 다이오드의 특성 그래프를 보면 그림 1과 같습니다.
 

[그림 1. 다이오드 V-I 특성 그래프]

 
일반 다이오드의 경우 그림 1과 같이 항복 전압(Vbr)에서 굉장히 큰 전류가 흐르면서 파손이 됩니다. 하지만 제너 다이오드의 경우 이 영역에서 파손되지 않고, 마치 순방향 영역에서 동작하는 다이오드처럼 사용가능 합니다. 제너 다이오드는 일반 다이오드에 비해 도핑 농도가 높은데 그림 2와 같이 농도 조절에 따라 항복 전압을 조절할 수 있습니다.
 

[그림 2. 제너 다이오드의 도핑 농도에 따른 항복 전압]

 
제너 다이오드의 항복 전압은 제너 전압이라고도 하며, 수 Volt에서 수백 Volt까지 다양하게 설정할 수 있습니다. 물론 제너 다이오드도 항복 전압을 훨씬 넘어서는 전압이 인가될 경우 파손 되기 때문에 사용하는 전압 영역을 잘 확인해야 합니다.
 
제너 다이오드는 주로 과도한 전압에 대한 보호회로 용도로 사용 합니다. 어떤 MCU의 GPIO 핀이 있고, 이 핀은 0V ~ 5V 범위에 값을 읽을 수 있으며, 최대 6V, 최소 -1V의 전압을 견딜 수 있다고 가정합시다. 그리고 일반적인 다이오드를 사용하여 이 핀의 보호회로를 구성해 봅시다. 그림 3의 Vout1이 MCU의 GPIO 입력이 되고, 입력 임피던스(R1)를 1Mohm으로 설정합니다. D4와 D5는 해당 핀을 보호하기 위한 일반 다이오드입니다.
 

[그림 3. 일반 다이오드를 사용하여 MCU GPIO 핀의 보호회로 구성]

 
그림 3의 우측 시뮬레이션 결과 입력 Vin1이 +10V일 때, 출력 전압 Vout1은 다이오드 D4에 의해 5.7V가 출력되고, VIn1이 -10V일 때, 다이오드 D3에 의해 -0.7V로 고정되어 출력되는 것을 알 수 있습니다. 따라서 최대 전압 6V, 최소 전압 -1V를 견디는 GPIO 핀을 보호할 수 있습니다. 자, 그러면 제너 다이오드를 사용할 경우 어떻게 될까요? 그림 4를 확인해 봅시다.
 

[그림 4. 제너 다이오드를 사용하여 MCU GPIO 핀의 보호회로 구성]

 
역시 시뮬레이션 결과 Vin2의 +10V, -10V 입력에 대해 출력 전압 Vout2는 제너 다이오드 D5에 의해 각각 5.7V와 -0.7V로 고정되어 출력 되는 것을 알 수 있습니다. 이때 제너다이오드의 항복 전압은 -5.7V임을 알 수 있습니다. 그리고 순방향 영역에서는 일반 다이오드와 동일하게 0.7V가 잡히기 때문에 -10V입력에 대해서 -0.7V의 출력 결과가 나옵니다.
 
그림 3에서 일반 다이오드를 사용할 경우 2개의 다이오드 소자를 사용해야 했지만, 그림 4에서 제너 다이오드를 사용할 경우 1개의 소자만 사용하면 되기 때문에 PCB 면적이나 가격 측면에서 제너 다이오드 하나만을 사용하는게 더 유리함을 알 수 있습니다.
 
여기까지 일반 다이오드와는 조금 다른 제너 다이오드에 대해 알아보았습니다. 제너 다이오드는 실무에서도 보호용 회로로 굉장히 많이 사용하기 때문에 잘 알아두는 것이 좋습니다!