03. 다이오드의 기본역할

전자회로에서 저항과 커패시터만큼 많이 사용되는 소자가 바로 Diode다이오드 이다.

그 종류와 쓰임이 너무 다양해서, 회로에서 역할을 파악하기가 어려울 수가 있다.
따라서 초보자를 대상으로, 회로에 존재하는 수많은 다이오드를 어떤 관점으로 바라보면 도움이 되는지 살펴보고자 한다.

 

전자회로내 다이오드는 대부분의 경우 아래 두 가지 역할로 사용된다고 보면서 회로해석을 하면 된다.

 

1. 역전압 방지 Reverse Voltage Protection

2. 과전압 방지 Overvoltage Protection

 

 

첫번째. 역전압 방지부터 알아보자.

 

다이오드는 기본적으로 방향성이 존재한다. Anode단에 +, Cathode단에 - 가 연결될 때만 전류의 흐름을 허락한다.

반대방향의 역전압, 즉 Anode단에 -, Cathode단에 + 형태로 전압이 걸릴경우 전류의 흐름을 차단한다.

 

이러한 특징때문에 Path에 Diode를 직렬로 연결하면, Path상 역전압이 모두 차단된다.
한 방향으로만 전류가 흐르게 하는 것을 Rectification(정류) 라고 부르기도 한다.

 

전자회로에서 사용되는 IC들은 Negative 전압에 취약한 경우가 많다.
그래서 그 앞단에 Diode를 달아 Negative전압이 걸리지 않도록(Negative 전류가 흐르지 않도록)한다.

 

 

 

 

두번째. 과전압 방지 이다.

 

과전압 방지에 대해 설명하기 앞서 Zener Effect(제너효과)를 먼저 설명해야 한다.

조금전 다이오드는 방향성이 있어서 역방향으로는 전류를 흐르지 않게 차단하는 특징이 있다고 했다.

 

그치만, 다이오드가 견디기 힘든 수준까지 역전압을 과하게 걸면 어떤 현상이 일어날까?
처음에는 전류를 허락하지 않고 꽤나 버티는 모습을 보여주겠지만,
역전압의 수준이 지속적으로 상승되면 결국 역전압에게 항복하는 순간이 와버린다.
그리고 풍선이 터지듯 참았던 전류가 강하게 흐른다.

 

다이오드가 항복해 버리는 현상을 (Reverse) Breakdown이라고 부르며,
항복하게끔 만드는 역전압을 Breakdown Voltage라 부른다.

다이오드가 항복하게되는 건 참 안타까운 일이지만, 이 현상또한 전자회로에서 아주 유용하게 사용이 가능하다.

Breakdown Voltage에서 전하를 과하게 통과시키면서,
그 이상의 전압이 걸려도 Breakdown Voltage 수준을 유지하는 현상이 종종 관찰된다.
Breakdown현상을 처음 발견한 Clarence Zener님의 이름을 따서 이를 Zener Effect라고 부르고,
이 특징이 두드러지게끔 다이오드를 만들어 Zener Diode라고 이름붙였다.

 

아무래도 Zener Diode에서 가장 중요한/사용자가 궁금해 하는 특성은 Breakdown Voltage 값 일것이다.

그래서 Breakdown Voltage = Zener Voltage라고 부른다.

 

 

그래서, Reverse Breakdown과 Zener Effect가 도대체 과전압 방지와 무슨관계가 있을까.

그 힌트는 바로 윗 단락에 있다.

 

조금전 그 이상의 전압이 걸려도 Breakdown Voltage 수준을 유지한다고 했었다.

이 현상을 기억해보면서 Path에 GND단으로 Zener Diode를 거꾸로 달아놓아 보자.

다이오드를 거꾸로 달아놓았기 때문에, 저 Node에 +의 전압이 걸려도 다이오드 입장에서는 -전압처럼 보인다.
그럼 Power Source의 전압이 점점 높아지다가 Zener Voltage를 넘는 수준의 전압이 유입되면 어떻게 될까?

 

Negative전압이 과하게 인가된 꼴이되어 Breakdown이 이뤄지고 다이오드를 통해 전하가 GND로 쭈욱 빠져나가게 되며,

Node는 아무리 큰 전압이 걸려도 딱 Zener Voltage만큼만을 유지하게 된다.

 

이를 이용해서,

 

Node에 내가 허용하고 싶은 전압이 최대 30V다. 하면, Zener Voltage(Breakdown Voltage)가 30V인 Diode를 역방향으로 달아주면 된다. 그러면 30V의 이하의 전압이 걸릴땐 아무짓도 안하고 가만히 있던 다이오드가(Zener Diode가 동작하지 않음) 30V가 넘어가는 시점부터 전하를 당겨서 Voltage를 유지시키기 시작한다.

 

 

Clamp라는 단어를 보면 어떤 느낌이 떠오르는가?

저는 뭔가 강한 힘으로 고정시키는? 내리 누르려는 그런 느낌적인 느낌이 떠오른다.

 

그래서 과전압이 유입될 때,

이를 특정값 이상 넘어가지 않도록 고정시키고 눌러내리는 것을 Clamping이라고 한다.
다이오드가 Breakdown현상을 이용해서 과전압을 막아주는 것도 Clamping의 일종이라고 보면 된다.

 

 

오늘 전자회로 내 다이오드의 2가지 기본역할에 대해서 살펴보았다.
대부분의 다이오드는 이 2가지 역할의 범주에서 크게 벗어나지 않는다고 생각하면 되니 회로해석에 참고하면 된다.