Ch. 2 Di d dDiodes and...

Ch 2 Di d dCh. 2 Diodes and ApplicationsApplications

Yun SeopYu2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

다이오드의 구조와 기호

바이어스 연결바이어스 연결

Yun SeopYu2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

이상적인 다이오드 모델

순방향: 스위치 ON

V 0V I V /RVF = 0V, IF = VBIAS/RLIMIT

역방향: 스위치 OFF역방향: 위치 OFF

IR = 0A, VR = VBIAS

Yun SeopYu2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

실용 다이오드 모형

장벽 전압(VF) 고려Si 0 7 V G 0 3 V Si: 0.7 V, Ge: 0.3 V

순방향

VF=0.7VVF 0.7VIF = (VBIAS – VF)/RLIMIT

역방향 : IR = 0A, VR = VBIAS

Yun SeopYu2.3. 다이오드 모델 (Diode models)

완벽 다이오드 모델

순방향 동저항 (rd'), 내부 역저항 (rR'), 장벽전위 (VF) 모두 고려

순방향 일때순방향 일때

VF = 0.7V + IF rd'I = (V 0 7V)/(R + r ') IF = (VBIAS – 0.7V)/(RLIMIT + rd )

Yun SeopYuExample 2-1

rd' = 10 Ω, VBIAS = 10V, RLIMIT = 1kΩ, Vt = 0.7V 일때 VF , IF, VLIMIT?

이상적인 모델: 이상적인 모델: VF = 0V IF = VBIAS /RLIMIT = 10/1k=10 mA, VLIMIT = IF RLIMIT =(10m)(1k)=10 V

실질적인 모델:

10 V

실질적인 모델: VF = 0.7VIF = (VBIAS – 0.7V)/RLIMIT = (10-0.7)/1k=9.3mA

( )(1k)VLIMIT = (9.3m)(1k)=9.3V

복잡한 모델: IF = (VBIAS – 0.7V)/(RLIMIT + rd') = (10-0.7)/(1k+10)=9.21mAVF = 0.7 + IF rd'=0.7+(9.21m)(10)=792mV

( )( k)VLIMIT = (9.21m)(1k)=9.21V

Yun SeopYuExample 2-1

IR=1μA 일때 IR,VR, VLIMIT?

이상적인 모델, 실질적인 모델:IR = 0A, IR 0A, VR =VBIAS = 10VVLIMIT = 0V

10 V

복잡한 모델:IR=1μA , VLIMIT= IRRLIMIT=(1μ)(1k)=1mV, V V V 10 1m 9 999VVR=VBIAS-VLIMIT= 10-1m = 9.999V

Yun SeopYu2-4.반파정류기(Half-wave rectifier)

DC power supply

Filter

Transformer Rectifier RegulatorTransformer Rectifier Regulator

Load

21

Yun SeopYu2-4.반파정류기(Half-wave rectifier)

반파 출력 전압 평균값

sinθVV p=

VVV

dθsinθV2π1dθsinθV

T1V

π

0 pπ

0 pavg == ∫∫

Ex2-2

πV

1)(12πV

]cosθ[2πV ppπ

0p =+=−=

Ex2-2

그림의 반파정류된 전압의 평균값?

sinθVV p=

22

15.9Vπ

50πV

V pavg ===

Yun SeopYu2-4.반파정류기

장벽전위의 영향 :Vp(out) =Vp(in) -0.7V

최대 역전압 (peak inverse voltage: PIV)

역방향 bias시 diode에 걸리는 전압

PIV=Vp(in)

23

Yun SeopYu2-4.반파정류기

변압기를 가진 반파 정류기

전원전압 조정 가능

교류전원을 정류기 회로로부터 전기적으로 분리교류전원을 정류기 회로로부터 전기적으로 분리

충격에 의한 손상 감소

sec VNV ⎟⎞

⎜⎛

pripri

secsec V

NV ⎟

⎟⎠

⎜⎜⎝

=

24

Yun SeopYu2-4.반파정류기

Ex. 2-4

170 V

V 850.5VVV 170VV

p(pri)p(sec)

p(in)p(pri)

==

==

84.3V0.7VVV p(sec)p(out)

p(pri)p(sec)

=−=

25

Yun SeopYu2-5. 전파 정류기(Full-wave Rectifiers)

전파정류기 (full-wave rectifier)

입력의 전주기 (2π) 동안 부하의 한 방향으로 전류가 흐른다.

정현파 전압의 평균값은 반파의 두 배 (대략 V 의 63 7%)정현파 전압의 평균값은 반파의 두 배 (대략 Vp의 63.7%)

2VV p=

πVavg =

26

Yun SeopYu2-5. 전파 정류기

중간 탭 전파 정류기 (Center-tapped Full-wave Rectifier)ON

OFFOFF

OFF

27

ON

Yun SeopYu2-5. 전파 정류기

중간 탭 전파 정류기

전파출력전압에서 권선비의 영향

1:1 인 경우

1:2 인 경우

28

Yun SeopYu2-5. 전파 정류기

중간 탭 전파 정류기

최대 역전압 (PIV)

D1-ON D2-OFF 일때 D2에 걸리는 전압D1 ON, D2 OFF 일때 D2에 걸리는 전압

⎞⎛⎞⎛

0.7/2VV

0.7VV2

V0.7

2V

PIV

P(sec)P(out)

P(sec)P(sec)P(sec)

−=

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

290.7V2VPIV1.4V2VV

0.7/2VV

P(out)

P(out)P(sec)

P(sec)P(out)

+=

+=→

Yun SeopYu2-5. 전파 정류기

전파 브리지 정류기 (Bridge rectifier)

30

Yun SeopYu2-5. 전파 정류기

브리지 정류기의 출력전압

31

Yun SeopYu2-5. 전파 정류기

전파 브리지 정류기 (Bridge rectifier)

최대 역전압

이상적인 다이오드 실제 다이오드

PIV= Vp(sec)= Vp(out)PIV= Vp(out) - (-0.7 V)

= (Vp(sec) - 1.4 V) - (- 0.7V )= V ( ) - 0 7 V

32

= Vp(sec) 0.7 V

Yun SeopYu

2-6. 전원공급 장치 필터 및 정전압 조정기(Power supply filters and Regulators)전원 공급장치 필터 (power supply filter)

33

Yun SeopYu2-6. 전원공급 장치 필터 및 정전압 조정기

Capacitor filter- 일정 레벨의 직류전압 생성

Vc 에 충전c 에 충전

R 에 의한 방전RL 에 의한 방전

시정수 (R C) ∝ 방전시간시정수 (RLC) ∝ 방전시간>> 입력 전압 주기

리플 (ripple): 필터 출력의

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리플 (ripple): 필터 출력의적은 양의 변화

Yun SeopYu2-6. 전원 장치의 필터

리플 전압 (ripple voltage): 충전과 방전으로 인한 출력 전압의 변동

리플이 적으면 적을 수록 출력전압의 변동이 작다

반파반파

Hz6011===hf

전파 Thw

Hz60ms7.16

===hw

hw Tf

112

= hwfw

TT

Tfw

Hz1202)1(21==== hw

hwfwfw f

TTf

전파정류: 적은 양의 방전과 빠른 충전으로 리플이 적어진다.

35

Yun SeopYu2-6. 전원 장치의 필터

리플계수 (ripple factor)

V 리플전압 실효값 V 필터의 직류전압 평균값

r = Vr(pp)/VDC

Vr(pp) : 리플전압 실효값, VDC : 필터의 직류전압 평균값

Vp(rect) : 필터되지않은 첨두 정류전압

리플계수 r이 작을 수록 좋은 필터리플계수 r이 작을 수록 좋은 필터

조건: VDC가 정류된 입력전압의 첨두값의 10%내에 있는 경우

1 ⎞⎛

1CfR

1VVL

p(rect)r(pp) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

36

)C2fR

1(1VVL

p(rect)DC −=

Yun SeopYu참고: 리플 계수 유도

eVv CRt

(i )L=

− T

T,CRandTtifeVv

TLdis

p(in)c

>>≈

)CR

T(1VeVvL

p(in)CR

T

p(in)c(min)L −≈=

−

CfRV

CRTVVVV p(in)

p(in)c(min)p(in)r(pp) ==−=f 1/T

)C2fR

1(1VV21VV

CfRCR

p(in)r(pp)p(in)DC

LLp(in)c(min)p(in)r(pp)

−=−=

f = 1/T

C2fR2 Lp( n)r(pp)p( n)

Yun SeopYu2-6. 전원 장치의 필터

Ex. 2-8

리플계수를 구하라

120 Vrms60Hz

1000 μF220 Ω

170VV(1 414)120(1 414)VV

15.6V1.4VVV17V0.1(170)nVV

170VV(1.414)120(1.414)VV

p(sec)p(rect)

p(pri)p(sec)

rmsp(pri)

=−=

===

===

p(sec)p(rect)

0 591V115 6V1VV ⎟⎞

⎜⎛⎟

⎞⎜⎛

15.3VF)(1000μ)0Ω(240Hz)(22

1-115.6V)C2fR

1(1VV

0.591VF)(100μ)0Ω(120Hz)(22

15.6VCfR

VV

Lp(rect)DC

Lp(rect)r(pp)

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=−=

=⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=

380.039

15.3V0.591V

VV

r

F)(1000μ)0Ω(240Hz)(22C2fR

DC

r(pp)

L

===

⎠⎝

Yun SeopYu2-6. 전원 장치의 필터

급증전류 (surge current)

스위치가 닫히는 순간:

capacitor shortcapacitor short

다이오드를 통해 Isurge 발생

V 에서 I 발생Vp(in)에서 Isurge(max) 발생

다이오드 파괴

1 4VV해결책: Rsurge (급증 제한 저항)

다이오드가 순간 급증전류에 견딜 수있는 순방향 전격전류

FSM

p(sec)surge I

1.4VVR

−≥

IFSM : 다이오드가 순간 급증전류에 견딜 수있는 순방향 전격전류

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Yun SeopYu2-6.Diode 리미팅 회로와 클램핑 회로

다이오드 리미터

양 리미터양 리미터

음 리미터

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Yun SeopYu2-7.Diode Limiters and Clampers

바이어스된 다이오드 limiter

41

Yun SeopYu2-7.Diode Limiters and Clampers

바이어스된 다이오드 limiter

42

Yun SeopYu2-7.Diode Limiters and Clampers

예제2-11

43

Yun SeopYu2-7.Diode Limiters and Clampers

전압분배 바이어스

예제2-12

VRV SUPPLY3

BIAS ⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=

12V220100

220

VRR

V SUPPLY32

BIAS

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

ΩΩΩ

=

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ +

8.25V220100

=⎠⎝ Ω+Ω

44

Yun SeopYu2-7.Diode Limiters and Clampers

다이오드 클램퍼 (Clamper)

Clamper: 교류전압에 직류레벨을 더한다 직류 복원기

단 적은 양 방전 (C RL)

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단, 적은 양 방전 (C RL)RC 시정수 >> 10fin

Yun SeopYu2-7.Diode Limiters and Clampers

Diode Clamper

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