Lecture 7. Analysis of Diode Circuits 1

- Diode Model

Exp, Contant-Voltage, Ideal model

1) 세 가지 모두 non-linear 한 모델이다.

 

2) 세 모델 모두 양의 전압일 때와 음의 전압의 값은 확실히 다른 결과를 보여준다. 이러한 다이오드의 특징을 이용한 것이 rectification이고 이는 나중에 다룰 계획이다.

 

3) Ideal한 모델은 양의 전압은 모두 통과시키고 constant 모델은 Vd,on 보다 큰 경우 통과시키고 exp 모델은 Vd>700mV 이면 급격히 전류 값이 증가한다.

 

Application: Charger/Adapter

 

실생활에서 예시로는 예전 노트북 충전기에 있는 네모난 Adapter를 생각해 볼 수 있다. 110V의 전압을 input으로 넣어준 경우 기기에 필요한 전압에 비해 너무 높을 가능성이 있다. 이를 20V가 필요한 노트북이라고 하면 충전기가 110V를 20V로 바꾸고 또한 직류로 바꾸어 충전시켜준다.

 

그럼 이 charger는 어떤 회로일까?

 

첫번째로 단순히 생각하면 voltage divider를 사용하면 괜찮을 것 같다는 생각을 할 수 있다.

Voltage Divider

물론 만들기는 쉽지만 현실적으로 생각하면 110V에서 20V로 감소했다는 것은 그만큼의 전력이 소모된 것이다. 즉 만약 충전기를 저렇게 만들었으면 충전 시작과 동시에 충전기가 매우 뜨거워질 것이다. 그리고 직류로 바꾸어 주지 못했다.

 

그래서 사용하는 방법이 Transformer이다.

 

Transformer

하지만 우리가 기대하는 것은 직류를 기대하는데 이를 위해서는 추가로 무엇인가 더 필요할 것이다.

우선 직류로 바꾸려면 저 의문의 black box를 거쳐서 저런 output을 구해야 한다. 이렇게 sine 파형의 양의 값만 남고 음의 값은 없어진다. 그래서 한 주기에서의 평균적인 전압을 구하면 앞서 원래 파형에서와는 다르게 양의 값을 갖는다. 이와 같은 과정을 rectification라고 한다.

 

그러면 rectification을 하기 위해서는 어떻게 해야될까?

 

양의 전압만을 통과시키고 음의 전압은 통과시키지 않는 특징을 통해 다이오드가 사용되었음을 추측해 볼 수 있다.

여전히 우리가 목표로 하는 DC 전압은 구하지 못한 상태이다. 이를 위해서는 capacitor를 추가로 연결시켜주는데 이는 low pass filter의 꼴과 비슷한 형태로 나타난다.

 

Full wave rectifier

EX)

Ideal diode model을 이용해 아래의 회로에서 전류 값을 생각해 보자.

 

이러한 문제를 풀 때 상황을 가정한 후 그다음에 결과를 구하고 이 결과가 가정과 부합하는지 확인하는 방식으로 문제를 풀어보려고 한다.

 

현재는 Forward bias 상태로 보이므로 forward bias로 가정해 보자.

 

Vx가 음의 값을 갖는 경우 D1은 off 상태로 전류가 흐르지 않을 것이다. Vx가 양의 값을 가지면 D1은 forward bias로 on 상태가 된다. Ideal 한 상태를 가정했으므로 여기서 전류 값은 Vx를 R1으로 나눈 값으로 나올 것이다. 그리고 현재 이렇게 구한 전류의 값이 양의 값으로 우리가 앞서 가정한 forward bias 상태와 부합한다.

그럼 이번에는 D1이 Vx가 음의 값일 때 on이라고 가정하고 생각해보자.

Vx가 음의 값인 경우 D1이 short 상태가 되고 이를 통해 계산하면 Ix=Vx/R1임을 알 수 있다. 그럼 Ix는 음의 값으로 전류가 다이오드 cathod 부분으로 전류가 흘러 들어가는 역방향의 전류가 흐르는 상태로 다이오드의 특성과 모순된다. 그러므로 앞서 처음에 한 가정이 맞는 가정임을 다시 한번 확인할 수 있다.

 

EX)

Vx<0 인 상태에서 생각을 해보면 D1은 Off 상태가 된다.

그럼 위와 같이 회로를 그릴 수 있고 이는 단순히 옴의 법칙으로 구해줄 수 있다.

Vx>0 인 상태는 D1이 ON 상태가 되고 short 상태가 된다.

 

Short 상태면 저항이 0이므로 R2에서는 전류가 흐르지 않는다. 그러므로 위와 같이 구해주면 된다. 그럼 이를 바탕으로 그래프를 그려보면 아래와 같다.

EX)

이번에는 다이오드를 반대로 연결한 상태를 생각해보자.

Vx<0인 경우 D1이 on 상태로 short이 된다. Vout은 0이 되고 Ix는 Vx/R1이다.

Vx>0인 경우 D1이 off 상태로 open이 된다. 이렇게 되면 Ix가 0이 된다. 그러므로 Vout=Vx가 된다.

 

EX)

이번에는 앞서 예시와는 살짝 다르게 다이오드 위치를 바꾸어 주었다.

Vx<0일때는 reverse bias 상태로 D1이 open 상태이다.

이 상태에서 Ix=0으로 전류가 흐르지 않는 상태가 된다.

Vx>0이면 forward bias로 D1이 short 상태가 된다.

이렇게 되면 R1 R2가 직렬로 연결되어 있으므로 이를 바탕으로 Ix를 구하면 Vx/(R1+R2)가 된다.

이를 그래프로 그리면 아래와 같다.

그럼 이번에는 R2에서의 전압을 구해보자.

Vx<0 일때 open 상태로 전류가 흐르지 않는 회로이다. 그러므로 이때의 전압은 0이다. Vx>0이면 short 상태로 회로가 그려지고 이는 voltage divider로 간단히 구할 수 있다.

이를 그래프로 그리면 아래와 같다.

이번에는 diode에서의 전압을 구해보자.

Vx<0 이면 diode는 off로 open 상태가 된다. 이때 전류는 당연히 흐리지 않는다.

Vd1을 구하기 위해서 KVL을 이용하면 -Vx+Vd1=0으로 Vd1=Vx라는 결론을 얻는다.

Vx>0이면 diode가 on이 되고 short 상태가 된다. 이 상태에서 전류는 당연히 흐르고 short 상태에서 저항의 값이 0이므로 전압 또한 0이다.

그럼 다음에는 ideal model이 아닌 constant model을 이용해보자

Lecture 7.pdf

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V/R

 

윤