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다이오드로 할 수 있는 일들

 (lcamtuf.substack.com)
1P by GN⁺ 9시간전 | ★ favorite | 댓글 1개
  • 다이오드의 구조와 동작 원리를 중심으로, 전자 회로에서의 다양한 활용 방식을 단계적으로 설명
  • p-n 접합의 형성과 전위 장벽, 순방향·역방향 바이어스 조건에서의 전류 흐름 특성 정리
  • 회로 보호, 전압 기준, 정류, 전압 배가, 신호 클램핑, 논리 게이트 구성 등 실용적 응용 회로 제시
  • 각 회로의 전압-전류 특성, 시뮬레이션 결과, 회로 구성 요소의 역할을 구체적으로 도식과 함께 분석
  • 단순한 반도체 소자 이상의 역할을 수행하는 다이오드의 기초 전자공학적 중요성 강조

다이오드의 기본 원리

  • 다이오드는 전자공학 교육에서 상대적으로 소홀히 다뤄지는 부품으로, 저항·커패시터·인덕터에 비해 수학적 모델링이 부족함
  • p형과 n형 반도체의 접합으로 형성되며, 접합부에는 전하 확산으로 인한 내부 전기장과 공핍층이 존재
  • 순방향 바이어스 시 약 0.6V(실리콘 기준) 이상에서 전류가 흐르며, 역방향에서는 거의 절연 상태 유지
  • 역전압이 충분히 높아지면 항복(breakdown) 현상이 발생해 전류가 급증하며, 이를 이용한 소자가 Zener 다이오드

회로 보호 응용

  • Zener 다이오드를 역방향으로 접속해 입력 전압이 한계를 넘을 때 전류를 흘려 과전압 보호 수행
    • 이 방식은 TVS(Transient Voltage Suppressor) 로 상용화되어 정전기나 유도성 부하의 전압 스파이크를 억제
  • 양극성 보호를 위해 두 개의 다이오드를 반대 방향으로 연결한 양방향 TVS 구성 가능
  • 전원 극성 반전 보호에는 순방향 다이오드를 직렬로 삽입해 역극성 시 회로 차단
    • 단점은 전압 강하와 발열이며, 저전압 회로에서는 트랜지스터 기반 보호 회로가 선호됨

전압 기준 회로

  • Zener 다이오드는 역방향 항복 전압에서 안정된 전압 유지 특성을 보여 전압 기준으로 활용
  • 저항을 통해 전류를 제한하면 입력 전압 변동에 비해 출력 전압 변화가 작음
    • 예시 회로에서 입력 1V 변동 시 출력은 약 45mV(5%) 변동
  • 다단(캐스케이드) 구성으로 안정도를 높일 수 있으며, 첫 번째 Zener 전압이 두 번째보다 높아야 함
  • 정밀 응용에서는 온도 보상 회로가 포함된 트랜지스터 기반 기준 회로가 사용되지만, Zener는 간단한 대안으로 유효

정류 및 신호 검출

  • 반파 정류기는 입력 AC의 양(+) 반주기만 통과시켜 커패시터에 충전, 출력에 DC 전압 형성
    • 커패시터와 저항을 조합하면 AM 신호의 포락선 검출기(envelope follower) 로 활용 가능
  • 전파 정류기(브리지 정류기) 는 네 개의 다이오드로 구성되어 입력의 양·음 반주기 모두를 이용
    • 출력 커패시터는 동일 극성으로 충전되어 효율적 DC 변환 가능

전압 배가 회로

  • 전압 배가기(voltage doubler) 는 두 개의 다이오드와 커패시터를 이용해 입력 파형의 양·음 피크 전압을 각각 저장
    • 출력 단자 간 전압은 입력 피크의 두 배(2×V_peak) 에 해당
  • 현대 회로에서는 다이오드 대신 트랜지스터 스위칭을 사용해 전압 강하를 줄이고 DC 입력에서도 동작 가능

클램퍼(DC 복원기)

  • 클램퍼 회로는 AC 신호의 DC 기준을 이동시켜 음의 피크를 0V 근처로 맞춤
    • 커패시터가 신호의 피크 전압만큼 충전되어 이후 파형 전체가 상향 이동
  • 부하 저항은 신호의 장기적 변화에 대한 응답 속도를 조절하며, 누설 전류만으로도 안정적 동작 가능
  • 실험 시 10~100 µF 커패시터와 1 MΩ 저항 조합이 권장됨

다이오드 논리 회로

  • 다이오드만으로 단순 논리 연산(OR, AND) 구현 가능
    • OR 회로: 입력 중 하나라도 양전압이면 출력이 상승
    • AND 회로: 모든 입력이 양전압일 때만 출력이 양전압
  • 그러나 이러한 회로는 출력 전류 구동 능력 부족으로 다단 논리 구성에는 부적합
    • 예시 회로에서 입력 조합에 따라 중간 전압 상태가 발생해 명확한 논리값 유지 불가

결론

  • 다이오드는 단순한 전류 차단 소자를 넘어 전압 제어, 보호, 변환, 신호 처리, 논리 연산 등 다방면에서 핵심 역할 수행
  • 복잡한 트랜지스터 회로가 보편화된 오늘날에도, 간단하고 신뢰성 높은 전자 회로 구성의 기본 요소로 여전히 중요함
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GN⁺ 9시간전  [-]
Hacker News 의견

  • 아날로그 회로 응용 중 빠진 부분이 보여서 내가 좋아하는 세 가지를 소개함

    1. 주파수 믹서 — Frequency mixer, 라디오에서 중요한 heterodyning에 사용됨
    2. 로그 변환기 — Log converter, 입력 전압의 로그에 비례하는 출력 전압을 생성함
    3. 다이오드 링 — Neve 33609 같은 아날로그 컴프레서에 쓰이는 가변 이득 회로임. 나도 33609 클론을 가지고 있음
      다이오드는 비선형 소자라서 동작점에 따라 동적 저항이 달라지고, 이를 변조하면 저항 자체를 변조하는 효과가 생김
    • Varactor도 추가하고 싶음 — Varicap. 역바이어스를 조절하면 접합 정전용량이 변함. 라디오의 가변 필터 등에 사용됨
    • 아날로그 음악/기타 전자 회로에서 두 가지를 더 꼽고 싶음
      1. 링 변조기 — Ring modulation, 두 아날로그 신호를 시간 영역에서 곱하는 장치로, 1960년대 Doctor Who의 Dalek 음성으로 유명함. 전원 없이도 작동 가능함
      2. 다이오드 클리퍼 — Clipper, 반대 극성의 다이오드 두 개로 AC 신호를 ±다이오드 전압에서 잘라냄. 앞단에 고이득 앰프를 두면 클래식한 기타 디스토션 톤을 얻을 수 있음. 게르마늄 다이오드가 이상적이지만, 다른 종류를 섞어도 좋은 음색을 냄
    • 로그 변환기에는 다이오드를 쓰면 안 됨. 기생 전류가 지수 의존 전류를 가려버림. 대신 바이폴라 트랜지스터를 써야 함. 트랜지스터의 컬렉터 전류는 베이스-이미터 다이오드의 이상 전류에만 의존하므로, 전류 범위가 넓은 구간에서 로그 관계를 유지함
    • 고속 신호 샘플러도 만들 수 있음 — Sampler
    • 제너 다이오드를 이용하면 양자 난수 생성기도 구현 가능함 — 논문 링크

  • 요즘 전자공학 커리큘럼에서 이런 내용이 정말 빠졌는지 궁금함. 예전엔 학부 EE 2XX/3XX 과목에서 다 배웠음. 요즘은 다이오드 대신 IC 중심 설계가 많아진 걸까 하는 의문이 있음

  • 브라우저에서 바로 여러 다이오드 회로를 CircuitLab으로 시뮬레이션할 수 있음

  • 다이오드를 여러 개 직렬로 연결하면 저렴한 전압 강하기로 쓸 수 있음. 예를 들어 PC 팬 속도를 낮춰 조용하게 만드는 용도임

  • 내가 늘 흥미롭게 봐온 회로 중 하나는 Diode Ladder Filter임 — YouTube 링크

    • 이런 다이오드 래더 필터는 오래된 아날로그 신시사이저의 핵심 회로로, 소리가 정말 멋짐

  • 온라인에서 회로 시뮬레이터로 직접 실험해볼 수도 있음 — Falstad CircuitJS

  • 오늘 마침 Digi-Key에서 다이오드 묶음을 받았음. 수영장 히터 제어보드의 브리지 정류기를 수리할 예정임

  • 보드에 다이오드로 작은 ROM을 구성할 수도 있음. 예를 들어 비트맵 데이터를 저장하거나, 심지어 다이오드를 비트맵 모양으로 배열해 스타일 포인트를 줄 수도 있음 — Computer Space 사례

  • 오늘 일반 다이오드를 써서 입력 전압을 약간 낮추는 용도로 사용했음. 단순히 0.7V 낮추기만 원했기 때문에 버크 컨버터보다 효율적이었음. 제너 다이오드도 가능하지만, 고전류에서는 발열이 너무 큼

  • Octaver 회로도 있음 — 회로도 링크

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