Diode 응용 - Half-wave & Full-wave rectifier(정류기) / Voltage limiter

Diode 는 회로에서 정류 작용을 합니다. 이 정류 작용 덕분에 다이오드는 현대 전자회로에서도 많은 부분에서 사용되고 있죠. 모두 다 알고 있는 사실이지만 간단하게 짚고 넘어가 봅시다.

다이오드는 일반적으로 pn-diode 혹은 np-diode로 이루어져 있습니다. 이러한 다이오드는 우리가 일반적으로 알 고 있는 수동소자인 저항과는 다르게 전압과 비례하는 전류를 흐르지 않습니다. 오히려 특정 전압 이하로는 Reverse bias 가 흘러 전류를 흘리지 않고, 특정 전압 이상에서는 Forward bias 가 걸려 전류를 흘리게 되죠. 이러한 다이오드의 특성은 일종의 switch 와 같죠. 이러한 특성을 이용해서 회로에서는 많은 유용한 circuit을 만들어 사용합니다.

 

1. Half-wave & Full-wave rectifier

아주 간단한 rectifier 의 경우 아래와 같습니다. Ideal voltage source에 다이오드와 저항을 직렬로 연결한 형태이죠. 이렇게 연결하고 input 전압으로 sine wave를 주게 되면 오른쪽과 같은 output 파형을 볼 수 있습니다. 여기서는 다이오드가 ideal 한 형태가 아닌 on 이 되었을 때 저항 값을 가지고 있다고 가정한 모델입니다. 따라서 저항에 걸치는 전압인 Vout이 Vin 보다 더 작은 amplitude를 가질 수 밖에 없죠. 일정 전압 이하로 내려간 경우에는 다이오드에 reverse bias 가 걸려 전압이 걸리지 않고 전류가 흐르지 않게 됩니다. 가운데를 기준으로 반의 파형만을 통과시켰으므로 이를 half-wave rectifier라고 합니다.

하지만 이러한 모델은 일반적으로 유용한 output 이 아닙니다. 이번에는 output 전압이 걸치는 소자를 저항에서 capacitor 로 바꿔봅시다. 그 경우에는 아래 오른쪽과 같이 훨씬 더 유용할 것만 같은 파형이 나옵니다. 다이오드에 forward bias 가 걸릴 때에만 cap 에 전하를 채우고 다이오드가 reverse bias 가 걸리면 다이오드는 off가 되어 cap 에 전하가 저장되게 되죠. 이러한 rectifier 는 앞의 저항을 이용한 rectifier 에 비해 보다 더 constant 한 output 전압을 만들 수 있죠.

물론 실제 모형은 위와 같이 ideal 하게 나오지 않습니다. ideal 한 capacitor 값이 아니라면 소자는 일정량의 resistance 를 가질 수 밖에 없고 이 resistive load 는 capacitor 에 저장된 전하가 빠져나가는 path를 마련해줍니다. 그 결과 아래 올른쪽과 마찬가지로 peak voltage를 기준으로 어느정도 방전되었다가 다시 충전되었다가를 반복하게 되죠. 방전되는 속도를 줄이기 위해서는 Time constant RC 를 늘리기 위해 Rl 을 키우거나 Cl 을 키워야합니다. 빠져나가는 path 의 저항성분이 클수록, 그리고 전하를 저장하는 cap 의 용량이 클수록  더 늦게 방전되기 때문이죠.

반면 full-wve rectifier 의 경우 아래와 같이 절댓값을 취하는 것처럼 모든 신호를 보낼 수 있어야합니다. 결국 Voltage transfer characteristic 을 그려보면 오른쪽 아래와 같이 특정 전압을 기준으로 y축 대칭의 그래프를 갖는 VTC 를 갖도록 해야하죠.

Full - wave rectifier 의 경우 아래와 같은 모양으로 생겼습니다.

각 단계서의 정류작용을 나타내면 아래와 같습니다. 이 작용을 통해 Full-wave rectifier는 전체 wave 에 대해 정류작용을 할 수 있죠.

 

 

2. Voltage limiter

다이오드를 응용한 다른 회로로는 Voltage limiter 가 있습니다. 일반적으로 안테나를 이용한 통신에서 송신원과 수신원의 거리가 먼 경우에는 신호가 작게 감쇄됩니다. 이러한 신호를 증폭시키기 위해 receiver 단에는 많은 amplifier 가 있죠. 따라서 먼 경우에는 괜찮지만, 거리가 가까운 경우 회로가 감당할 수 있는 dynamic range 보다 더 크게 신호가 증폭될 수도 있습니다. 이런 경우를 방지하기 위해서 필요한게 바로 limiter circuit 이죠.

이러한 limiter circuit을 만들기 위해서는 이번에는 저항을 먼저 위치시킨 뒤 output 전압을 다이오드 단에 걸리게 하면 됩니다. 그렇게 하면 다이오드에 forwardd bias 가 걸릴 때는 전류를 흘리게 돼 전압을 정상적으로 출력하고, reverse bias 가 걸릴 시에는 다이오드가 꺼져 open circuit 이 되어 전압을 유지하게 됩니다.

다이오드 방향을 반대로 한다면 반대 방향으로 신호를 limiting 시킬수도 있죠.

따라서 양방향의 다이오드를 병렬로 연결시킨다면 위아래로 signal 을 limiting 시킬 수도 있습니다.