6. 병렬 및 직병렬 다이오드 회로, AND/OR게이트, 정현파입력

6. 병렬 및 직병렬 다이오드 회로, AND/OR게이트, 정현파입력

위 회로에서 두 다이오드는 순방향 바이어스이므로 ON이다. $V_{o}=0.7\text{V}$, $V_{R}=E-V_{o}=9.3\text{V}$이고 $\displaystyle I_{1}=\frac{V_{R}}{R}=\frac{9.3\text{V}}{0.33\text{k}\Omega}=28.18\text{mA}$, 두 다이오드는 같은 특성의 다이오드이므로 $\displaystyle I_{D_{1}}=I_{D_{2}}=\frac{1}{2}I_{1}=14.09\text{mA}$이다.

극성감지기는 양의 전원전압일 때 초록색 빛($V_{K}=1.8\text{V}$)이 나고, 음의 전원전압일 때 빨간색 빛($V_{K}=2.2\text{V}$)이 난다. 다이오드가 ON일 때, $20\text{mA}$전류가 흐르게 하는 저항 $R$을 구하면(두 다이오드의 역방향 항복전압은 $3\text{V}$)

초록색 LED가 ON일 때, 빨간색 LED는 OFF이고, 이때 빨간 LED에는 역방향으로 $2\text{V}$가 걸린다. $2\text{V}<3\text{V}$이므로 아무런 문제가 없고 $\displaystyle I=20\text{mA}=\frac{E-V_{\text{LED}}}{R}=\frac{8-2}{R}=\frac{6\text{V}}{R}$이므로 $\displaystyle R=\frac{6\text{V}}{200\text{mA}}=300\Omega$이다.

여기서 초록색 LED를 파란색 LED($V_{K}=5\text{V}$)로 바꾸면, 빨간 LED에는 역방향으로 $5\text{V}$가 걸리고, $5\text{V}>3\text{V}$이므로 빨간 LED가 손상된다.

이 문제에 대한 해결책은 전체 역방향 항복전압보다 큰 다른 다이오드를 추가한다. 그렇게 되면 빨간 LED와 직렬로 연결된 Si다이오드에 역방향 바이어스 전압이 $8\text{V}$걸리고, 역방향 항복전압이 $20\text{V}$인 Si다이오드가 빨간 LED에 $8\text{V}$전압이 걸리는 것을 방지할 수 있다.

전류방향으로만 판단하면 두 다이오드는 ON이어야 하나 동시에 둘 다 ON이 될 수 없다. Si의 $V_{K}$는 $0.7\text{V}$, 초록색 LED의 $V_{K}$는 $2.2\text{V}$이므로 Si 다이오드는 ON, 초록색 LED는 OFF이어야 한다. 이때 $V_{o}=12-0.7=11.3\text{V}$이다.

위 회로에서 두 Si 다이오드 모두 ON이며, $\displaystyle I_{1}=\frac{V_{K_{2}}}{R_{1}}=\frac{0.7\text{V}}{3.3\text{k}\Omega}=0.212\text{mA}$, $\displaystyle I_{2}=\frac{E-V_{K_{1}}-V_{K_{2}}}{R_{2}}=\frac{(20-1.4)\text{V}}{5.6\text{k}\Omega}=3.32\text{mA}$, $I_{D_{2}}=I_{2}-I_{1}=3.32-0.212=3.11\text{mA}$이다.

 

다음은 디지털 공학에서 자주 이용되는 AND, OR 논리게이트이다.

 

왼쪽의 다이오드회로는 다이오드를 이용하여 나타낸 OR게이트이다.

1) $E_{1}=10\text{V}(1)$, $E_{2}=0\text{V}(0)$이므로, $D_{1}$은 ON, $D_{2}$는 OFF이고, $V_{o}=E_{1}-0.7=9.3\text{V}(1)$.

2) $E_{1}=0\text{V}(0)$, $E_{2}=10\text{V}(1)$이므로, $D_{1}$은 OFF, $D_{2}$는 ON이고, $V_{o}=E_{1}-0.7=9.3\text{V}(1)$.

3) $E_{1}=10\text{V}(1)$, $E_{2}=10\text{V}(1)$이므로, $D_{1}$은 ON, $D_{2}$는 ON이고, $V_{o}=E_{1}-0.7=9.3\text{V}(1)$.

4) $E_{1}=0\text{V}(0)$, $E_{2}=0\text{V}(0)$이므로, $D_{1}$은 OFF, $D_{2}$는 OFF이고, $V_{o}=0\text{V}(0)$.

 

왼쪽의 다이오드회로는 다이오드를 이용하여 나타낸 AND게이트이다.

1) $E_{1}=0\text{V}(0)$, $E_{2}=0\text{V}(0)$이므로, $D_{1}$은 ON, $D_{2}$는 OFF이고, $V_{o}=0.7\text{V}(0)$.

2) $E_{1}=0\text{V}(0)$, $E_{2}=10\text{V}(1)$이므로, $D_{1}$은 ON, $D_{2}$는 OFF이고, $V_{o}=0.7\text{V}(0)$.

3) $E_{1}=10\text{V}(1)$, $E_{2}=0\text{V}(0)$이므로, $D_{1}$은 OFF, $D_{2}$는 ON이고, $V_{o}=0.7\text{V}(0)$.

4) $E_{1}=10\text{V}(1)$, $E_{2}=10\text{V}(1)$이므로, $D_{1}$은 OFF, $D_{2}$는 ON이고, $V_{o}=10\text{V}(1)$.

  

전류 또는 전압을 한 방향(일반적으로 +방향)의 값만 가지게 하는 작용을 정류라고 한다. 정류는 교류를 직류로 변환할 때 사용된다.

다음의 다이오드 회로는 반파정류기이다.

전도영역: $\displaystyle\left(0<t<\frac{T}{2},\,v_{i}>0\right)$ 

비전도영역: $\displaystyle\left(\frac{T}{2}<t<T,\,v_{i}<0\right)$

 

반파정류신호

입력신호의 직류값(평균값):

$\displaystyle V_{\text{dc}}=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}{v_{i}dt}=\frac{1}{T}\int_{0}^{T}{V_{m}\sin\omega tdt}=0$

반파 정류신호의 직류값(평균값):

$\displaystyle V_{\text{dc}}=\frac{1}{T}\int_{0}^{\frac{T}{2}}{v_{o}dt}=\frac{1}{T}\int_{0}^{\frac{T}{2}}{v_{i}dt}=\frac{V_{m}}{T}\left[-\frac{\cos\omega t}{\omega}\right]_{0}^{\frac{T}{2}}=\frac{V_{m}}{\pi}=0.318V_{m}$

Si다이오드인 경우:

$\displaystyle V_{\text{dc}}=\frac{1}{T}\int_{0}^{\frac{T}{2}}{(V_{m}-V_{K})\sin\omega tdt}=0.318(V_{m}-V_{K})$

(1) 이상적인 다이오드일 때: $\displaystyle V_{\text{dc}}=-\frac{V_{m}}{\pi}=-0.318\times20=-6.36\text{V}$

(2) 실리콘 다이오드일 때: $\displaystyle V_{\text{dc}}=-\frac{V_{m}-V_{K}}{\pi}=-\frac{20-0.7}{\pi}=-6.14\text{V}$

다이오드가 포함된 회로 내부에서의 다이오드의 PIV(PRV는 회로 내부 다이오드에 역방향으로 걸리는 최대 전압보다 커야 한다.

위 회로의 PIV는 $V_{m}$이다.(규격서 상의 PIV는 $V_{m}$보다 커야 한다)

참고자료:

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson

https://ko.wikipedia.org/wiki/OR_%EA%B2%8C%EC%9D%B4%ED%8A%B8

https://ko.wikipedia.org/wiki/AND_%EA%B2%8C%EC%9D%B4%ED%8A%B8