전자회로실험_1.다이오드 특성 및 반파정류회로 실험 예비레포트

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1. 실험 제목 및 목적

- 다이오드 특성 및 반파 정류회로 실험: 반도체 다이오드의 전압과 전류 특성을 실험적으로 구하고, 다이오드 응용회로인 반파 정류회로의 동작원리와 출력파형을 관찰하고 측정한다.

 

2. 예비학습

- 1.2.1 다이오드 전압-전류 특성

다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시켜 각 반도체 영역에 금속성 접촉과 리드선이 연결된 소자로, 한쪽 방향으로만 전류를 흘릴 수 있고 다른 방향으로는 전류를 차단하는 기능을 한다. 그림 1-1에 다이오드 구조와 회로 심벌을 도시하였으며, 다이오드 회로 심벌에서 화살표 방향으로만 전류가 흐를 수 있음에 유의한다.

(1)   순방향 바이어스:다이오드의 양극이 음극보다 높은 전위를 가지도록 전압을 인가하는 것을 순방향 바이어스라 한다. 순방향 바이어스시 다이오드의 양극과 음극 사이의 전위차가 증가하면 점차 전류가 증가하는데, Si 다이오드의 경우 대략 다이오드 양단 전압이 0.7V에 이를 때까지는 순방향 전류는 조금밖에 증가하지 않지만 0.7V 이상이 되면 IF는 급속히 증가한다. 따라서 다이오드는 양단에 걸리는 순방향 전압 VF는 대략 0.7V 정도가 걸리게 되며 이를 그림 1-2에 도시하였다.

(2)   역방향 바이어스:다이오드의 양극이 음극보다 낮은 전위를 가지도록 전압을 인가하는 것을 역방향 바이어스라고 한다. 이 경우는 순방향 바이어스와는 달리 다이오드에는 역방향 전류가 거의 흐르지 않게 된다. 따라서 다이오드 양단에 걸리는 역방향 전압은 전원전압과 같게 되며 이를 그림 1-3에 도시하였다. 그러나 역방향 바이어스 전압의 크기가 증가하여 항복전압VBR에 도달하게 되면 전자눈사태 현상에 의해 다이오드에 급격한 전류가 흐르게 되어 소자가 파괴된다. 그러므로 일단 다이오드의 경우에는 순방향 및 역방향 바이어스 영역에서만 다이오드를 동작시켜야 한다.

1.2.2 반파 정류기

실험실에서 매우 중요한 장치 중에 하나인 직류전원공급장치는 60Hz로 220V의 교류전압을 일정한 직류전압으로 변환하는 장치이다. 직류전원 공급장치에서 직류가 만들어지기까지의 과정을 개념적으로 도시하면 그림 1-4와 같다.

그림1-4에서 정류기는 교류전압 파형을 반파 혹은 전파정류된 맥류파형으로 변환하는 역할을 한다. 정류기에서 정류된 파형은 캐패시터 필터를 거치면 약간의 리플이 포함된 비교적 평탄한 직류전압으로 변환된다. 이 전압파형이 정전압 레귤레이터를 거쳐 완전히 평탄한 직류전압 파형으로 변환되어 부하에 공급된다.

앞에서 언급한 바와 같이 직류전원공급장치 중의 한 요소인 정류기에 대해 기술하기로 한다. 정류기에는 반파정류기와 전파정류기가 있는데 먼저 반파 정류기에 대해 설명한다.

그림1-5에 반파정류회로를 도시하였는데 입력전압의 각 반주기에 대한 회로의 동작을 이해하기 위해 다이오드를 이상적인 다이오드로 간주한다. 왜냐하면 다이오드 양단전압은 대략 0.7V 정도이고 입력전압의 최대치는 220V 정도이므로 무리없이 이상적인 다이오드로 간주할 수 있다.

■양의 반주기 동작

그림1-5에서처럼 입력전압의 양의 반주기 동안 다이오드는 순방향으로 바이어스 되기 때문에 다이오드는 닫힌 스위치 상태가 되어 회로에 전류가 흐른다. 따라서 부하저항 RL 양단에 나타나는 출력전압은 입력전압 파형과 동일하게 나타난다.

■음의 반주기 동작

그림1-7에서처럼 입력전압의 음의 반주기 동안 다이오드는 역방향으로 바이어스 되기 때문에 다이오드는 열린 스위치 상태가 되어 회로에 전류가 흐르지 않는다. 따라서 부하저항 RL 양단에 나타나는 출력전압 Vout 은 0이 된다.

일반적으로 정현파의 평균값은 0이지만 반파정류된 파형의 평균값은 0이 아닌 것이 자명하다. 반파정류된 파형의 평균값을 구해본다. 그림 1-8에 도시된 반파정류된 파형으로부터 평균값을 구하면 다음과 같다.

Vavg

1.2.3 실험원리 요약

다이오드 전압-전류 특성

순방향 바이어스:다이오드의 양극이 음극보다 높은 전위를 가지도록 전압을 인가→ 스위치 ON상태에 대응(전류가 잘 흐른다)

역방향 바이어스:다이오드의 양극이 음극보다 낮은 전위를 가지도록 전압을 인가→ 스위치 OFF상태에 대응(전류가 흐르지 않는다.)

반파 정류기

양의 반주기 동작: 입력전압의 양의 반주기 동안 다이오드는 순방향으로 바이어스 되므로 다이오드는 닫힌 스위치 상태가 되어 회로에 전류가 흐른다.

음의 반주기 동작: 입력전압의 양의 반주기 동안 다이오드는 역방향으로 바이어스 되므로 다이오드는 열린 스위치 상태가 되어 회로에 전류가 흐르지 않는다.

1.4 실험기기 및 부품

•브레드보드•디지털 멀티미터

•실리콘 다이오드 1N914

•저항 100Ω, 150Ω, 1kΩ

•신호발생기

•오실로스코프

•직류전원공급기

 

1.5실험방법

1.5.1 다이오드 전압-전류특성 실험

(1)실리콘 다이오드를 사용하여 그림 1-15에 주어진 회로를 구성한다. 여기서 A와V는 전류계와 전압계를 나타내는 심벌이다.

(2)전원전압 Vs를 조절하여 표 1-1에 주어진 각 Vf의 값에 대한 If를 측정하여 기록한 다음 그래프로 나타낸다.

(3)그림 1-15의 회로를 해체하고 1-16의 회로를 재구성한다.(4)전원전압을 조절하여 표1-1에 주어진 각 VR의 값에 대한 IR을 측정하여 기록한 다음 그래프로 나타낸다.

1.5.2반파정류기 실험

(1)그림 1-17의 회로를 구성한다.

 

(2)신호발생기를 이용하여 Vin 를 발생시켜 회로에 인가한다

(3)오실로스코프의 채널1과 채널2를 각각 Vin과 Vout에 할당하여 입력 및 출력파형을 측정하여 그래프 1-1에 나타난다.