[전기전자공학 실험] 다이오드 특성실험 : 예비보고서

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1. 개요

 다이오드는 반도체 소자 중 가장 기본적인 부품이다. 본 실험에서는 다이오드의 전압-전류 특성의 실측을 통해 확인한다. 그리고 다이오드가 사용된 회로에서 부하선의 개념을 이해하도록 한다 측정과정에서 오실로스코프의 X-Y모드 사용법을 숙달하며 LED를 사용해 본다.

 

2. 이론

다이오드의 기본 특성

다이오드 특성곡선

 다이오드는 P형, N형 반도체의 집합으로 이루어져 있는 소자로서 어느 한 방향으로만 전류를 흘릴 수 있는 특성을 지니고 있다. 전류는 아노드에서 캐소드 방향으로만 흐를 수 있으며 캐소드측에 가는 띠로 방향을 표시해 주고 있다.

 다이오드는 역방향 전압에서는 전류가 거의 흐르지 않다가 Breakdown Voltage에서 급격하게 큰 전류가 흐르며, 순방향 전압에서는 소신호 다이오드가 일반적으로 0.7V의 knee voltage가지므로 이보다 큰 전압이 걸려야 전류가 흐르게 된다.

 

다이오드의 검사

 디지털 테스터의 경우, 다이오드가 정상이라면 어느 한 방향으로는 개방상태가 나타나야 하며 다른 방향으로는 어떤 수치가 나타나야 한다.

 양방향으로 모두 개방상태이면 다이오드는 끊어진 것이고, 양방향으로 모두 낮은 수치를 지시하면 다이오드는 단락된 상태이다.

 이상의 측정은 다이오드가 회로의 다른 부분과 분리되어 있는 상태에서 행하는 것을 전제로 한다.

 

발광 다이오드(LED)

 일반적으로 흔히 사용되는 LED의 사용 전류 범위는 20~24mA 정도이고, 도통시 순방향 전압강하가 1.5~2.5V 가량 되어 일반 다이오드보다 크다. 그 이외에는 일반 다이오드와 같은 특성을 갖는 것으로 간주하면 된다. LED의 색상별 특성은 다음과 같다.

색상	구분	최소전압	최대전압	전류(일반)	전류(최대)
적	Red	1.8V	2.3V	20mA	50mA
등	Orange	2.0V	2.3V	30mA	50mA
황	Real Yellow	2.0V	2.8V	20mA	50mA
초	emerald Green	1.8V	2.3V	20mA	50mA
초	Real Green	3.0V	3.6V	20mA	50mA
청	sky Blue	3.4V	3.8V	20mA	50mA
청	Real Blue	3.4V	3.8V	20mA	50mA
자	Pink	3.4V	3.8V	20mA	50mA
백	White	3.4V	4.0V	20mA	50mA

 

다이오드 특성곡선의 측정

 아래 회로처럼 구성하고 Vs를 변화시켜 가면서 다이오드를 통해 흐르는 전류와 다이오드 양단의 전압을 측정하여 그 관계를 그래프로 나타내면 다이오드 특성곡선[그림 2]을 얻을 수 있다.

 

다이오드 회로의 부하선(Load Line)과 동작점(Q point)

 다이오드를 제외한 회로의 나머지 부분의 전압-전류 특성을 그래프의 형태로 나타낸 것을 부하선이라고 한다.

 같은 단자에 다이오드가 접속되어 있으면 다이오드의 전압-전류 특성을 부하선 위에 겹쳐서 그릴 수 있다. 회로의 두 부분이 같은 지점에 접속되어 있기 때문에 a, b 단자에서 양쪽의 전압과 전류는 같아야 한다. 따라서 두 그래프가 만나는 지점에서 동작상태가 결정된다. 이를 동작점이라 한다.

 A점의 좌표는 회로의 개방전압, 즉 다이오드가 연결 안된 상태에서 a, b 사이에 나타나는 전압으로서 테브난 등가회로의 내부전압에 해당한다.

 B점의 좌표는 이 테브난 등가회로의 단락전류, 즉 a, b 사이를 단락시켰을 때 흐르는 전류를 나타낸다.

 이 두 점을 연결한 직선이 부하선이다.

 

오실로스코프의 X-Y 모드 동작

 오실로스코프의 소인(sweep) 모드를 X-Y 모드로 놓는다.

- 수평축 : CH1에 입력되는 신호의 크기, x축상의 변위를 나타낸다.

- 수직축 : CH2에 입력되는 신호의 크기, y축상의 변위를 나타낸다.

 이 모드 상에서 CH1에 어떤 소자에 가해지는 전압을 입력하고 그에 반응하여 흐르는 전류에 비례하는 신호를 CH2에 입력하면 전압의 변화에 대한 전류의 변화를 화면상에 표시할 수 있다. 단, 이것이 화면에 지속적으로 나타내도록 하기 위해서는 수평축에 입력되는 변수가 일정한 범위 이내에서 계속 좌우로 변도하게 해 주어야 한다.

 [그림 7]에서 보면 전자빔이 대부분의 시간동안 이들 양 끝점에 머물러 있게 된다. 따라서 특성곡선의 중간부분을 선명하게 보려면 삼각파와 같이 일정한 속도로 좌우로 진동하는 전압을 인가하는 것이 바람직하다.

 소자의 전류가 인가전압에 직접 비례하지 않는 일반적인 경우에는 전류에 비례하는 신호를 얻기 위하여 아래 그림에서와 같이 회로의 동작에 영향을 미치지 않을 정도의 작은 저항을 소자에 직렬로 삽입하고 측정해야 한다. 이 경우 좌우가 바뀐 상태로 나오게 됨을 유의해야 한다.

 

다이오드의 특성곡선 관측

 전원전압이 양의 값과 음의 값 사이를 맥동하면 부하선은 아래 그림에서 보이는 것처럼 전압에 따라 평행이동하면서 양 끝 사이를 왕복한다. 이에 따라 동작점은 다이오드의 특성곡선을 따라 굵은 선으로 표시된 범위 안에서 왕복하며 그 영상이 오실로스코프의 화면에 표시된다.(실제 화면은 좌우가 바뀌어 나타남)

 여기서 화면에 표시된 수직방향의 높이는 전류가 저항값을 곱한 전압값이므로 실제 전류는 저항값을 나눈 값에 해당한다는 점을 염두해야 한다.

 

3. 실험기기

 테스터, 직류전원장치, 오실로스코프, 함수발생기, 전압계(10V), 전류계(100mA), 만능기판, 만능기판용 전선, 스트리퍼, 다이오드(30V, 0.2~1A) 1개, LED 1개, 저항 100옴 10개, 220옴 10개, 470옴 4개, 1k옴 4개

 

4. 문제풀이

1) 다이오드가 전류를 한쪽 방향으로만 흘리는 이유는 무엇인가?

  교류전원이 인가될 경우 시간에 따라 양과 음의 값이 인가되는데 이를 양의 값만 혹은 음의 값만을 받도록 정류하기 위해서이다. 다이오드의 내부는 PN접합으로 이루어져 있어서 역방향 전압이 걸리면 breakdown voltage가 걸리기 전까지는 공핍층이 넓어서 캐리어(자유전자)의 이동이 없기 때문에 전류가 흐르지 않는 특성이 있기 때문이다. (미세전류는 흐름)

 

2) 다이오드나 LED를 저항을 통하지 않고 바로 전원에 순방향으로 접속하면 어떤 일이 일어나는가?

  일반적으로 회로에서 인가되는 전원은 LED의 정격전압보다 높기 때문에 저항을 통해 전압강하를 시켜주지 않으면 LED에는 과전류가 흘러서 고장이 나기 때문이다.

 

3) [그림 4]의 회로로 테스트를 행할 때 전원전압은 0~20V 까지 조정한다고 한다. 측정 중 전류를 0.1A 이하로 제한한다고 할 때 필요한 저항값과 저항의 용량(W 수)을 계산하라.

  V=IR  -> 20V=0.1A * R

  R=200옴

  P=I^2R=2 [W]

 

4) [그림 4]의 회로로 다이오드 대신 LED를 구동한다고 하자. 전원전압을 10V 정도로 맞추었다고 할 때 LED가 적절한 동작을 하기 위해서는 저항값이 대략 어느 정도 되어야 하는가?

  (저항값)=(입력전압 - LED를 구동시키기 위한 최소전압) / (전류) 

  여기서 일반적인 LED의 사용전류 범위 20~40mA, 순방향전압강하 1.5~2.5V의 평균값으로 계산해 본다.

  R= (10V-2V) / (30mA)= 266.7옴

 

5. 실험순서

1) 아날로그 테스터와 디지털 테스터를 사용하여 주어진 다이오드를 검사하라. 전환스위치를 여러가지로 돌려서 측정하여 보고 그 결과를 모두 기록한다.

2) 주어진 LED를 가지고 1항을 반복한다.

3) [그림 4]의 회로를 만능기판 상에 결선하라. 문제풀이 3항에 준하여 적절한 저항값을 사용하라. 이때 저항의 용량이 충분하도록 주의한다.(일반적으로 저항기의 용량을 최대로 사용하지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어 1/2W 급 저항이라면 사용시 전력소비가 그의 50% 정도에 해당하는 1/4W 정도 이내로 되도록 하는 것이 좋다. 저항기의 용량이 모자라면 적절한 직병렬회로를 통해 저항값을 유지하면서 전력소비를 분산시키도록 한다.

4) 전압을 0에서부터 20V 부근까지 올려가면서 다이오드 양단 전압과 전류를 기록한다.

5) 순방향 도통특성의 기록이 끝나면 다이오드의 방향을 반전시켜 실험을 반복한다. 실험회로와 실험 과정을 자세히 기록한다.

6) 위에서와 같은 회로를 LED에 대하여 구성한다. 단, LED의 전류용량을 고려하여 저항값을 적절히 선정한다.

7) LED 회로에 대하여 4, 5항을 반복한다.

8) 1k옴 저항으로 [그림 6]과 같은 실험을 행하고 측정된 전압-전류 특성을 기록한다. 이때 함수발생기의 출력전압 크기는 최대로 놓고 offset은 0이 되도록 한다. X-Y 모드에서 오실로스코프의 X축 및 Y축의 전압범위를 변경할 때는 영점이 함께 이동하므로 영점조정에 유의한다.

9) 두개의 저항을 직렬로 연결하고 [그림 8]과 같이 전압-전류 특성을 관측하고 그 결과를 기록하라.

10) 위의 3항에서 결선한 다이오드 회로에 대하여 [그림 10]에서와 같은 실험을 행한다. 이때 함수발생기의 최대 출력은 +10, -10V 정도이므로 직류전원장치로 실험을 할 경우에 비하여 저항값은 다소 낮아도 무방하다. 저항값을 변경할 때는 다시 소비전력을 고려하여 용량 설정에 주의하도록 한다.

11) 10항에서 측정한 다이오드의 전압-전류 특성곡선을 기록하라. 만일 전류의 변화범위가 충분치 못하거나 지나치게 크거나 하여 특성곡선의 디테일이 충분히 표현되지 못하였을 경우에는 저항값을 조정하여 재차 실험을 행한다. 실험이 끝나면 사용된 저항의 정확한 저항값을 테스터로 측정하고 기록한다. (여러 개의 저항이 사용되었을 경우 합성저항만을 기록하면 됌)

12) 10~11항의 실험을 LED에 대하여 반복한다.

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