【전자회로 기본Ⅰ】 11강 - 신호전압을 조절하는 다이오드

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10강에서는 정류회로에서의 다이오드에 대하여 학습하였음

정류회로란 교류를 직류로 바꾸는 회로를 말함 발전소에서는 220V, 60Hz 교류를 가정으로 보내는데, 전자제품의 경우 직류를 사용하므로 정류기를 통해 교류를 직류로 바꿔주어야 함

정류기의 종류에는 교류 입력이 '+' 일때만 교류전압을 직류전압으로 바꿔주는 반파 정류기와 '+'일때와 '-'일때 모두를 바꿔주는 전파 정류기가 있음

이러한 정류기에는 변압기를 사용하는데, 변압기를 사용하지 않고 직접 교류를 직류로 바꿔주면 오류가 발생할 수 있기 때문임

전파 정류기의 종류로는 2차 코일이 중간에 접지되고 2차 코일 양단에 다이오드가 연결된 구조의 중간탭 전파 정류기와 4개의 다이오드를 연결한 구조인 브리지 정류기가 있음

전파 정류기의 출력은 전압 변동이 크므로 필터를 이용한 평탄화 작업이 필수인데 이때 커패시터 필터를 이용함

다이오드의 순방향 바이어스에서 커패시터는 충전되었다가 역방향 바이어스에서 방전되는데, 이러한 커패시터의 특성으로 정류된 전압의 평탄화가 가능함

리플계수는 필터 출력 전압의 품질을 나타내는 파라미터로 이 값이 작을수록 효율적임

 

1. 다이오드 리미터

 

- 양$(+)$전압 리미터

 

전자회로에서 어떤 회로 블록에 인가되는 전압은 특정 전압보다 높거나, 또는 낮으면 안되는 경우가 있음

이는 다이오드를 이용한 리미터 회로를 적용하여 해결할 수 있음

신호의 진폭을 제한할 수 있기 때문에 특정 부하를 보호하는 특성을 지님

 

 

위의 회로처럼 다이오드를 출력 쪽에 순방향으로 연결할 때를 살펴보면

순방향 전압 이하는 $R_L$에 가해짐

순방향 전압 이상의 전압은 다이오드를 통해 전류가 흐르게 되므로 $R_L$에 전류가 흐르지 않게 됨

즉, 다이오드의 순방향 전압만큼의 Offset을 가지게 되면서 리미팅 됨

따라서 출력전압은 0.7V보다 높을 수 없음

 

- 음$(-)$전압 리미터

 

음전압을 조절하기 위해서는 다음 회로를 이용할 수 있음

 

 

입력이 '-' 주기일 경우 접지 부분보다 0.7V 낮은 입력에서 다이오드가 on이 되므로 출력전압은 -0.7V 보다 낮을 수 없음

 

- 바이어스된 리미터

 

0.7V와 -0.7V 외의 특정 전압에서 리미팅을 하기 위해서는 바이어스 회로를 이용할 수 있음

 

 

회로에서 다이오드에 직렬로 DC 전압을 바이어스로 인가하면 바이어스 전압만큼 리미팅 전압을 높이거나 낮출 수 있음

 

# 전압과 바이어스의 인가 변화

 

양전압 리미터에서 다이오드의 음극에 양의 바이어스를 인가할 때

출력은 바이어스 전압과 다이오드의 순방향 전압이 더해진 결과가 최대 전압이 됨

 

 

음전압 리미터에서 다이오드의 양극에 음의 바이어스를 인가할 때

출력은 바이어스 전압과 다이오드의 순방향 전압이 차감된 전압이 최소값으로 나타남

 

 

음전압 리미터에서 다이오드의 음극에 양의 바이어스를 인가할 때

출력은 바이어스 전압에서 다이오드의 순방향 전압을 차감한 결과가 최소 전압이 됨

 

 

양전압 리미터에서 다이오드의 음극에 음의 바이어스를 인가할 때

출력은 순방향 전압에서 바이어스 전압을 차감한 결과가 최대 전압이 됨

 

 

- 전압분배 바이어스

 

리미터에 적용되는 바이어스 회로는 회로에 인가되는 전압원에 저항 분배를 이용하여 구현함

 

 

전압원은 입력전압 $V_{in}$과는 별개로 회로의 동작을 위해 공급되는 전압으로 입력전압보다 높거나 낮을 수 있음

리미팅하고자 하는 전압이 전압원을 그대로 사용할 수 없는 경우 저항 분배를 이용하여 적절한 전압으로 고정할 수 있음

 

2. 다이오드 클램퍼

 

- 클램퍼$(Clamper)$

 

클램퍼란 직류전압에 교류전압을 더하는 것을 말함

음의 반주기 동안 다이오드를 통해 커패시터에 입력의 최대치보다 0.7V 낮은 전압이 충전됨

입력의 최소치를 지나게 되면 다이오드에 역방향 바이어스가 인가되므로, 커패시터에 저장된 전하는 다이오드로는 흐르지 않고 부하저항 $R_L$을 통해 흐르게 됨

 

 

방전 시간은 커패시터와 부하저항 $R_L$과의 RC 시정수에 의해 결정됨

방전 시간이 충분히 길게 되면 커패시터 양단에 인가된 전압이 줄어들기 전에 입력 사이클이 반복되기 때문에 출력 전압은 입력 전압과 커패시터에 저장된 전하로 인한 전압이 더해진 결과로 나타남

* 즉 방전 시간이 짧다면 클램퍼는 제대로 작동할 수 없음

* 커패시터의 용량값이 충분하지 않다면 클램퍼의 경우 DC 성분의 값이 낮아져 교류 신호의 하한값이 잘리는 모양이 됨

* 전압 체배기의 경우 원하는 체배 값에 도달하는 시간이 상당히 길어질 수 있음

 

 

다이오드가 반대로 연결되면 전압은 음의 방향으로 더해진 결과로 나타남

 

 

 

3. 전압 체배기

 

전압 체배기란 전압을 n배수로 늘려주는 회로를 말함

 

- 2배 전압기

 

교류 전압의 '+' 반주기 동안 다이오드는 D1은 순방향, D2는 역방향 바이어스 됨

커패시터 C1은 전압의 첨두값 $V_p$에서 다이오드 전압 강하를 뺀 값까지 충전됨

 

 

교류 전압의 '-' 반주기 동안에는 D1은 역방향, D2는 순방향 바이어스 됨

C1의 첨두전압이 C2를 $2V_p$로 충전하기 위해 2차 전압에 더해짐

 

 

$V_{C2}=V_{C1}+V_p \approx 2V_p$

* 다이오드의 전압강하를 무시

C2에 충전된 $2V_p$는 '+' 반주기 동안 부하를 통해 방전되고 그 다음 '-' 반주기 동안 다시 $2V_p$까지 충전됨

결과적으로 출력은 커패시터에 의해 필터된 반파전압임

 

 

- 3배 전압기

 

'-'의 반주기 동안 커패시터 C1은 D1을 통해 $V_p$까지 충전됨

이때 C2는 2배 전압회로에서 설명한 것처럼 D2를 통해 $2V_p$까지 충전됨

 

 

'+'의 반주기 동안 C3은 D3을 통해 $2V_p$까지 충전됨

3배의 출력은 C1과 C3의 양단에서 얻을 수 있음