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1. 제너 다이오드 특성 및 전압조절기 실험
1.1. 제너 다이오드의 전압, 전류 특성과 정전압 작용
1.1.1. 제너 다이오드의 전압, 전류 특성
제너 다이오드는 일반 정류 다이오드와는 다르게 역방향 항복 영역에서도 동작하도록 설계된 실리콘 pn 접합소자이다. 제너 다이오드는 순방향 바이어스 시 일반 정류 다이오드와 동일한 동작을 하게 된다.
순방향 바이어스 시, 양극(A)에는 양(+)의 극성을, 음극(K)에는 음(-)의 극성을 가지도록 전압을 인가하게 된다. 이 경우 회로 내에 순방향 전류(IF)가 흐르게 되며, 제너 다이오드 양단에는 순방향 전압(VF)이 약 0.7V 정도 나타나게 된다.
한편, 역방향 바이어스 시에는 양극(A)에는 음(-)의 극성을, 음극(K)에는 양(+)의 극성을 가지도록 전압을 인가하게 된다. 초기에는 전류가 거의 흐르지 않다가 제너 항복전압(VZ) 이상의 역방향 전압이 인가되면 제너 다이오드는 항복 영역에서 동작하게 되어 갑작스러운 역방향 전류(IR)가 흐르게 된다. 이때 제너 다이오드 양단에는 항상 일정한 제너전압 VZ가 나타나게 된다.
이러한 제너 다이오드의 역방향 항복 특성은 전압 조정 작용을 하는데 활용된다. 제너 다이오드 양단에 제너전압(VZ) 이상의 역방향 전압을 인가하여 제너 다이오드가 항복 영역에서 동작하도록 하면, 부하에 일정한 제너전압을 공급할 수 있게 된다.
1.1.2. 제너 정전압 작용
제너 정전압 작용은 제너 다이오드의 주요한 특징 중 하나이다. 제너 다이오드가 항복 영역에서 동작한다면, 즉 제너 전류 IZ가 최소 제너 전류 IZK보다 크고 최대 제너 전류 IZM보다 작은 범위에 있다면 입력전압의 변동이나 부하저항의 변동에도 불구하고 제너 다이오드 양단에 일정한 전압이 유지된다.
먼저 입력전압의 변동에 따른 제너 정전압 작용을 살펴보자. 그림 4-5에서 나타낸 바와 같이 제너 다이오드가 항복 영역에서 동작한다면, 즉 IZK ≤ IZ ≤ IZM이라면 입력전압이 증가한다고 하더라도 제너 다이오드 양단에는 항상 일정한 전압이 유지된다. 반대로 입력전압이 감소한다고 하더라도 제너 다이오드 양단에는 여전히 일정한 전압이 유지된다.
이를 수식으로 나타내면 다음과 같다. 제너 다이오드가 정전압 작용을 유지해야 하므로 제너 다이오드에 흐르는 전류의 범위는 IZK ≤ IZ ≤ IZM이다. 이때 가장 작은 제너전류 IZM가 흐른다고 가정하면 입력전압의 최솟값은 VIN(MIN) = R·IZK + VZ가 된다. 반면 가장 큰 제너 전류 IZ가 흐른다고 가정하면 입력전압의 최댓값은 VIN(MAX) = R·IZM + VZ가 된다. 따라서 VIN(MIN) ≤ VZ ≤ VIN(MAX) 범위에서 입력전압이 변화하더라도 제너 정전압 작용은 유지된다.
다음으로 부하저항의 변동에 따른 제너 정전압 작용을 살펴보자. 그림 4-6에서 나타낸 바와 같이 제너 다이오드가 항복 영역에서 동작한다면, 부하저항 RL이 감소하면 부하전류 IL은 증가하고 제너 전류 IZ는 감소한다. 하지만 제너 다이오드는 IZ가 최솟값 IZK에 도달될 때까지 정전압을 유지한다. 즉, 부하저항 RL이 일정 범위 내에서 변동하더라도 제너 다이오드 양단의 전압은 일정하게 유지된다.
이와 같이 제너 다이오드는 입력전압과 부하저항의 변동에도 불구하고 제너 다이오드 양단에 일정한 전압을 공급할 수 있는 정전압 작용을 갖고 있다. 이러한 특성은 제너 다이오드를 전압 안정화회로나 기준전압 생성회로 등에 활용할 수 있게 한다.
1.2. 제너 다이오드의 전압-전류 특성 시뮬레이션
1.2.1. 제너 다이오드의 전압-전류 특성
제너 다이오드의 전압-전류 특성은 제너 다이오드의 전압과 전류 사이의 관계를 나타낸다. 제너 다이오드는 다른 다이오드와 달리 역방향 바이어스 상태에서도 동작하도록 설계되었다.
제너 다이오드는 순방향 바이어스 시 일반 정류 다이오드와 동일한 특성을 보인다. 양극에 양(+)의 전압을 인가하고 음극에 음(-)의 전압을 인가하면 순방향 전류(IF)가 흐르게 된다. 이때 제너 다이오드 양단에는 약 0.7V의 순방향 전압(VF)이 나타난다.
반면 역방향 바이어스 시에는 제너 다이오드만의 고유한 특성이 나타난다. 양극에 ...
