[기초전자회로실험] 3. 직, 병렬 다이오드 회로

[기초전자회로실험] 3. 직, 병렬 다이오드 회로

1. 실험목적

직렬 또는 병렬 다이오드 회로를 해석하고, 다양한 다이오드 회로의 회로전압과 전류를 계산하고 측정한다.

2. 실험이론

다이오드와 직류 입력으로 구성된 회로의 해석은 다이오드가 ON인지 OFF인지 부터 확인하고 해석을 해야 한다. 실리콘(Si) 다이오드가 ON이 되려면 다이오드의 양단의 전압이 적어도 무릎전압인 \(0.7\text{V}\)이상(게르마늄(Ge)의 무릎전압은 \(0.3\text{V}\)) 되어야 한다. 다이오드 양단의 전압이 \(0.7\text{V}\)에 도달하면, 다이오드는 ON이 되고, \(0.7\text{V}\)보다 낮거나 극성이 반대이면, 다이오드는 OFF이며, 다음과 같은 전기적인 등가회로를 갖는다.

인가되는 직류전압이 다이오드의 무릎전압을 넘어서는 대부분 회로에서는 다이오드를 무릎전압값에 해당하는 전원으로 대체한 후, 회로를 해석한다. 

다이오드를 이용한 논리게이트의 해석에서 다이오드의 상태를 가정하고, 여러 전압 레벨을 결정한 다음, 결정된 전압이 회로의 어떤 점(\(V_{o}\)와 같은)에서 전압 레벨이 오직 한 값만을 갖는 것과 같은 기본 법칙을 위배되는지를 확인한다. 다이오드를 ON시키기 위해서는 무릎전압과 동일한 순방향 바이어스 전압이 있어야 한다. \(V_{o}\)를 결정하고 가정된 상태에서 다이오드에 관련된 어떠한 법칙에도 위배되지 않으면, 가정된 상태가 회로에 대한 답이 될 수 있다.

3. 실험

1) 사용장비 및 부품

DMM, \(1\text{k}\Omega,\,2.2\text{k}\Omega\)저항, 실리콘 다이오드, 게르마늄 다이오드, 직류전원

2) 실험과정

다이오드의 무릎전압 측정

실리콘 다이오드와 게르마늄 다이오드에 대해서 DMM의 다이오드 검사 기능 또는 커브 트레이서를 사용하여 무릎전압을 측정한다. 이 실험에서 얻어진 결과는 각 다이오드의 등가적 특성을 나타낸다. 만약 다이오드 검사 기능 또는 커브 트레이서를 사용할 수 없다면, 실리콘의 무릎전압은 \(0.7\text{V}\), 게르마늄의 무릎전압은 \(0.3\text{V}\)로 가정한다.

직렬 다이오드 회로

I

(1) 다음의 그림대로 회로를 구성하고 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)의 값을 DMM으로 측정해 기록한다.

(2) 다이오드 무릎전압 측정과정에서 측정한 실리콘 다이오드의 무릎전압값을 이용하여 \(V_{o}\)와 \(I_{D}\)의 이론적인 값을 계산하고, \(\displaystyle V_{D}\)에는 무릎전압값을 기록한다.

(3) DMM을 이용하여 전압 \(V_{D},\,V_{o}\)를 측정하고, 측정값으로부터 전류 \(\displaystyle I_{D}=\frac{V_{o}}{R}\)의 값을 구한다.

II

(1) 다음의 그림대로 회로를 구성하고 저항 \(R_{1}=R_{1(\text{meas})},\,R_{2}=R_{2\text{meas}}\)의 값들을 DMM으로 측정해 기록한다.

(2) 다이오드 무릎전압 측정과정에서 측정한 실리콘 다이오드의 무릎전압값과 측정된 \(R_{1},\,R_{2}\)값들을 이용하여 \(V_{o}\)와 \(I_{D}\)의 이론적인 값을 계산하고, \(V_{D}\)에는 무릅전압값을 기록한다.

(3) DMM을 이용하여 전압 \(V_{D},\,V_{o}\)를 측정하고, 측정값으로부터 전류 \(\displaystyle I_{D}=\frac{V_{o}}{R_{2}}\)의 값을 구하고 실험 (2)의 결과와 비교한다.

(4) 위 회로도에서 실리콘 다이오드를 반대로 연결하고 \(V_{D},\,V_{o},\,I_{D}\)의 이론적인 값을 계산한다.

(5) 실험 (4)의 상태에서 DMM으로 \(V_{D},\,V_{o}\)를 측정하고, 측정값으로부터 전류 \(\displaystyle I_{D}=\frac{V_{o}}{R_{2}}\)의 값을 구하고 실험 (4)의 결과와 비교한다.

III

(1) 다음의 그림대로 회로를 구성하고 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)의 값을 DMM으로 측정해 기록한다.

(2) 다이오드 무릎전압 측정과정에서 측정한 실리콘 다이오드와 게르마늄 다이오드의 무릎전압값을 이용하여 \(V_{D}\)(두 다이오드 양단의 전압), \(V_{o},\,I_{D}\)의 이론적인 값을 계산한다.

(3) DMM을 이용하여 \(V_{D}\)와 \(V_{o}\)를 측정하고, 실험 (2)의 결과와 비교한다. 측정값으로부터 전류 \(\displaystyle I_{D}=\frac{V_{o}}{R}\)를 계산하고 실험 (2)의 값과 비교한다.

병렬 다이오드 회로

I

(1) 다음의 그림대로 회로를 구성하고 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)의 값을 DMM으로 측정해 기록한다.

(2) 다이오드 무릎전압 측정과정에서 측정한 실리콘 다이오드와 게르마늄 다이오드의 무릎전압값을 이용하여 \(V_{o},\,V_{R}\)의 이론적인 값을 계산한다.

(3) DMM을 이용하여 \(V_{o},\,V_{R}\)을 측정하고, 실험 (2)의 결과와 비교한다.

II

(1) 다음의 그림대로 회로를 구성하고 저항 \(R_{1}=R_{1\text{meas}},\,R_{2}=R_{2\text{meas}}\)의 값들을 DMM으로 측정해 기록한다.

(2) 다이오드 무릎전압 측정과정에서 측정한 실리콘 다이오드의 무릎전압값을 이용하여 \(V_{o},\,V_{R_{1}},\,I_{D}\)의 이론적인 값을 계산한다.

(3) DMM을 이용하여 \(V_{o},\,V_{R_{1}}\)을 측정하고, 이 측정값들을 이용하여 \(I_{R_{2}},\,I_{R_{1}}\)을 계산하고, \(I_{D}(=I_{R_{1}}-I_{R_{2}})\)를 결정한다. 이 결과를 실험 (2)의 결과와 비교한다.

III

(1) 다음의 그림대로 회로를 구성하고 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)의 값을 DMM으로 측정해 기록한다.

(2) 다이오드 무릎전압 측정과정에서 측정한 실리콘, 게르마늄 다이오드의 무릎전압값을 이용하여 \(V_{o},\,V_{R}\)의 이론적인 값을 계산한다.

(3) DMM을 이용하여 \(V_{o},\,V_{R}\)을 측정하고, 이 결과를 실험 (2)의 결과와 비교한다.

양논리 AND 게이트

(1) 다음 그림대로 회로를 구성하고, 저항 \(R=R_{\text{meas}}\)의 값을 DMM으로 측정해 기록한다.

(2) 다이오드 무릎전압 측정과정에서 측정한 실리콘 다이오드의 무릎전압값을 이용하여 \(V_{o}\)의 이론적인 값을 계산한다.

(3) DMM을 이용하여 \(V_{o}\)를 측정하고, 이 결과를 실험 (2)의 결과와 비교한다.

(4) 위 회로에서 각각의 입력단자에 \(10\text{V}\)를 인가하고 \(V_{o}\)의 이론적인 값을 계산한다.

(5) DMM을 이용하여 \(V_{o}\)를 측정하고, 이 결과를 실험 (4)의 결과와 비교한다.

(6) 위 회로에서 각각의 입력단자에 \(0\text{V}\)를 인가하고 \(V_{o}\)의 이론적인 값을 계산한다.

(7) DMM을 이용하여 \(V_{o}\)를 측정하고, 이 결과를 실험 (6)의 결과와 비교한다.

브리지 회로

(1) 다음 그림대로 회로를 구성하고, 저항 \(R_{1}=R_{1\text{meas}},\,R_{2}=R_{2\text{meas}},\,R_{3}=R_{3\text{meas}}\)의 값들을 DMM으로 측정해 기록한다.

(2) 다이오드 무릎전압 측정과정에서 실리콘 다이오드의 무릎전압을 이용하여 \(V_{o},\,V_{R_{3}}\)의 이론적인 값을 계산한다.

(3) DMM을 이용하여 \(V_{o},\,V_{R_{3}}\)을 측정하고(\(V_{o}\)를 측정할 때 낮은 전압 범위를 사용한다.), 이 결과를 실험 (2)의 결과와 비교한다.

(Pspice를 이용한 논리게이트 해석)

다음은 Pspice를 이용하여 D1N4148다이오드를 사용한 양논리 AND게이트의 출력전압을 측정한 것이다.

(측정 전)

(측정 후)

출력전압이 \(638.0\text{mV}\approx0\text{V}\)이므로 출력은 0이다.

참고자료:

Laboratory Manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Monssen, Pearson

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