[기초전자회로실험] 8. LED와 제너 다이오드의 특성

[기초전자회로실험] 8. LED와 제너 다이오드의 특성

1. 실험목적

LED(발광 다이오드)와 제너 다이오드의 전류와 전압을 계산하고 측정한다.

2. 실험이론

LED(발광 다이오드, Light Emitting Diode)는 충분히 에너지가 공급될 때 가시광선을 방출하는 다이오드이다. 순방향 바이어스 상태의 pn접합에서 접합부 가까이에서 정공과 전자가 재결합한다.(아래 그림 참고)

재결합은 구속되지 않은 자유전자가 가지고 있는 에너지가 다른 상태로 전달되는 것을 필요로 한다. 대표적인 LED 재료인 GaAsP 또는 GaP와에서 빛 에너지의 광자가 많이 방출되어 가시광선을 형성한다. 이런 과정을 전계발광(electroluminescence)이라고 한다. 빨간색, 노란색, 녹색에 관계없이 모든 LED에는 밝고 선명한 빛을 발생시키는 정해진 순방향 전압과 전류가 있다. 따라서 다이오드가 순방향 바이어스여도 전압과 전류가 일정한 레벨에 도달하지 않으면 빛이 보이지 않는다.

제너 다이오드는 제너영역을 이용하도록 설계된 pn접합 소자이다.(아래 그림 참고)

역방향 전압이 제너 영역에 도달하면 이상적인 제너 다이오드는 내부 저항이 없는 일정한 단자 전압으로 가정되나 실제로 모든 다이오드는 \(5\sim20\Omega\)의 내부저항을 가지고 있고, 이 내부저항에 의해 전류 레벨에 따라 제너 전압이 변한다.  

다음 순서에 따라 제너 다이오드의 상태를 결정한다. 대부분의 회로에서 제너 다이오드를 개방회로로 보고 결과적인 개방회로 양단의 전압을 계산함으로써 제너 다이오드의 상태를 간단히 결정한다. 개방회로 전압이 제너전압 \(V_{Z}\)이상이면, 제너 다이오드는 ON이고, 제너 전압과 동일한 직류 전압으로 대체할 수 있다. 이 방법을 이용하여 제너 다이오드가 포함된 회로의 나머지 전압과 전류를 쉽게 결정할 수 있다.

3. 실험

1) 사용장비 및 부품

DMM, \(100\Omega,\,220\Omega,\,330\Omega,\,2.2\text{k}\Omega,\,3.3\text{k}\Omega,\,1\text{k}\Omega\)저항, 실리콘 다이오드, LED, 제너 다이오드(\(10\text{V}\)), 직류전원

2) 실험과정

LED 특성곡선

(1) 다음과 같이 회로를 구성한다. 초기 공급전압 \(E\)를 \(0\text{V}\)로 설정하고, 저항값 \(R=R_{\text{meas}}\)를 측정한다.

(2) 빛이 처음으로 감지될 때 까지 공급전압 \(E\)를 증가시키고, DMM을 이용하여 빛이 처음으로 감지되었을 때의 \(V_{D}\), \(V_{R}\)의 값을 측정하고 기록한다. 측정한 저항값 \(R_{\text{meas}}\)과 \(\displaystyle I_{D}=\frac{V_{R}}{R}\)를 이용하여 다이오드에 흐르는 전류 \(I_{D}\)를 계산한다.

(3) 밝기가 처음으로 선명할 때 까지 공급전압 \(E\)를 계속 증가시킨다. 주의할 점은 회로에 과부하(과도한 전류가 흐름)가 걸리지 않게 해야 한다(이 레벨 이상 전압을 계속 증가시키면 최대 역방향 전압을 초과해서 LED가 손상된다). \(V_{D}\)와 \(V_{R}\)의 값을 측정하고 기록하고, 다이오드에 흐르는 전류 \(\displaystyle I_{D}=\frac{V_{R}}{R}\)를 계산한다.

(4) 직류 전압원 \(E\)가 \(0,\,1,\,2,\,3,\,4,\,5,\,6\text{V}\)의 값을 가질 때의 \(V_{D},\,V_{R}\)의 값과 다이오드에 흐르는 전류 \(\displaystyle I_{D}=\frac{V_{R}}{R}\)의 값을 계산해서 기록한다. 

(5) 실험 (4)의 자료들을 이용하여 \(V_{D}\)(x축)에 대한 \(I_{D}\)(y축)의 곡선(그래프)을 그린다.

(6) 실험 (5)의 그래프에 선명한 밝기가 요구되는 전류 \(I_{D}\)에서 점선으로 수평선을 그리고, 실험 (5)의 곡선과 수평 점선이 만나는 점에서 수직선을 그린다. 이때 수직 점선과 수평축이 만나는 점은 실험 (3)에에서 측정한 \(V_{D}\)의 값에 가까워야 한다. \(I_{D}\)선 아래 부분과 \(V_{D}\)선 왼쪽을 동시에 만족하는 영역을 어두운 음영으로 표시하고(이 영역은 선명한 밝기를 원할 때 피해야 할 영역이다), 어두운 음영이 아닌 영역이 선명한 밝기 영역이다.

(7) 전원 \(E\)를 연결하지 말고 다음 그림과 같이 회로를 구성한다. 저항값 \(R=R_{\text{meas}}\)의 값을 DMM으로 측정하고, 두 다이오드의 방향이 적절한지 확인한다.

(8) 실험 (7)의 회로의 LED가 밝게 빛날 것인지 그렇지 않을 것인지에 대한 이유를 설명한다.

(9) 실험 (7)의 회로에 전원 E를 공급하고, 실험 (6)에서 도출한 결론을 보인다.

(10) 실험 (7)의 회로의 실리콘 다이오드의 방향을 반대로 하고 실험 (8)을 반복한다.

(11) 실험 (9)를 반복한다. LED가 ON이 되어 선명한 빛을 방출하면, \(V_{D},\,V_{R}\)의 값을 측정하고 해당되는 \(I_{D}\)를 계산한다. 실험 (5)의 그래프에서 \(I_{D}\)와 \(V_{D}\)의 교점(만나는 점)을 찾고, 그 점이 선명한 밝기 영역에 있는지 확인한다.

제너 다이오드 특성곡선

(1) 다음과 같이 회로를 구성한다. 저항값 \(R=R_{\text{meas}}\)을 DMM으로 측정하고 직류 전원 \(E\)를 \(0\text{V}\)로 설정한다.

(2) 다음 표에 있는 직류 전원의 값에 대한 \(V_{Z}\), \(V_{R}\)값들을 측정하고, 제너 다이오드에 흐르는 전류 \(\displaystyle I_{Z}=\frac{V_{R}}{R_{\text{meas}}}\)를 계산한다.

(낮은 \(V_{Z},\,V_{R}\)값들을 측정하려면 DMM의 mV범위를 사용해야 한다)

\(E\)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
\(V_{Z}\,(\text{V})\)
\(V_{R}\,(\text{V})\)
\(\displaystyle I_{Z}\,(\text{mA})\)

(3) 실험 (2)의 자료를 이용하여 제너 다이오드의 특성곡선을 그릴 것이다. 제너 영역은 완전한 다이오드 특성곡선의 3사분면에 있기 때문에, \(I_{Z}\)와 \(V_{Z}\)의 값에 음의 부호 -가 있어야 한다. 실험 (2)의 자료를 이용하여 그래프를 그리는데 변수값의 범위에 기초하여 \(I_{Z}\)와 \(V_{Z}\)에 대한 적절한 스케일을 선택한다.

(4) \(V_{Z}\)축으로부터 떨어지는 선형 영역에서 측정가능한 전류 \(I_{Z}\)범위에 대해서 \(V_{Z}\)의 평균값을 계산한다(실험 (2)의 자료를 이용한다).

(5) \(V_{Z}\)축으로부터 멀어지는 선형 영역에서 측정가능한 전류 \(I_{Z}\)범위에 대해서 식 \(\displaystyle r_{av}=\frac{\Delta V_{Z}}{\Delta I_{Z}}\)를 사용하여 제너 다이오드의 평균 저항을 계산한다. 여기서 \(\Delta V_{Z}\)는 제너 전류의 변화에 대응하는 제너 전압의 변화이다. 곡선의 선형 영역에서 적어도 \(20\text{V}\) 간격을 선택하고, 필요하면 실험 (2)의 자료를 이용한다.

(6) 실험 (4)와 (5)의 결과로부터 ON(선형) 영역에서 다음 그림의 제너 다이오드의 등가회로를 결정한다.(\(R_{Z},\,V_{Z}\)의 값을 구한다)

(7) 실험 (3)의 그래프 상의 점\((V_{Z},\,I_{Z}=0)\)에서 \(V_{Z}\)축으로부터 급격히 떨어지는 특성곡선의 점까지의 영역에 대해서 식 \(\displaystyle R_{Z}=\frac{\Delta V_{Z}}{\Delta I_{Z}}\)를 사용하여 제너 다이오드의 저항을 계산한다.(\(\Delta V_{Z}=V_{Z}-0\text{V}=V_{Z}\)이고 \(\Delta I_{Z}\)는 이 간격동안 일어나는 전류의 변화이다) 또한 이 계산값이 제너 다이오드의 OFF영역에서 기대한 값인지 확인하고, 이 영역에서 제너 다이오드의 적절한 근사회로인지 확인한다.

제너 다이오드 조정 회로

(1) 전원을 연결하지 않고 다음 그림과 같이 회로를 구성한다. 이때 DMM을 이용하여 저항값 \(R=R_{\text{meas}},\,R_{L}=R_{L(\text{meas})}\)과 제너 다이오드 전압 \(V_{Z}\)를 측정한다.

(2) 측정한 저항값과 제너 다이오드 특성 실험의 (4)의 평균값 \(V_{Z}\)를 이용하여 위 회로의 제너 다이오드가 ON상태(제너영역에서 동작)에 있는지를 결정하는데 계산에서 \(R_{Z}\)의 영향은 무시한다. \(V_{L},\,V_{R},\,I_{R},\,I_{L},\,I_{Z}\)의 값들을 키르히호프 법칙을 이용하여 계산한다.

(3) 실험 (1)의 회로에 전원을 공급하고 \(V_{L}\)과 \(V_{R}\)을 측정하고, 이 값들을 토대로 하여 \(I_{R},\,I_{L},\,I_{Z}\)의 값들을 계산한다(옴의 법칙과 키르히호프 법칙 이용). 또한 실험 (2)의 결과자료와 비교한다.

(4) \(R_{L}=3.3\text{k}\Omega\)일 때, 실험 (2)를 반복한다.

(5) \(R_{L}=3.3\text{k}\Omega\)일 때, 실험 (3)을 반복한다. 또한 실험 (4)의 결과자료와 비교한다.

(6) 측정한 저항값과 제너 다이오드 특성 실험의 (4)의 평균값 \(V_{Z}\)를 이용하여 제너 다이오드가 ON상태에 있음을 보장하는 \(R_{L}\)의 최솟값 \(R_{L_{\min}}\)을 구한다.

(7) 실험 (6)의 결과로부터 \(2.2\text{k}\Omega\)의 부하저항이 실험하는 회로에서의 제너 다이오드를 ON상태에 있게 하는지 확인하고, 이 때의 \(V_{L}\)을 측정한다.

LED-제너 다이오드 조합 회로

이 실험은 LED와 제너 다이오드를 ON(LED의 밝기가 선명한 밝기)상태가 되기 위해 필요한 최소한의 공급전압을 결정하는 실험이다. 전압 \(V_{L}\)을 조정하기 위해 제너 다이오드를 사용했다. 제너 다이오드가 ON일 때, LED에서 빛이 방출되고, 이때 요구되는 공급전압이 최소값이다. (아래 회로의 저항값 \(R=R_{\text{meas}},\,R_{L}=R_{L(\text{meas})}\)를 DMM으로 측정한다)

(1) LED 특성곡선 실험의 (3)을 참고하여 LED가 선명한 밝기를 갖는 \(V_{D},\,I_{D}\)의 값을 찾고, 제너 다이오드 특성곡선 실험의 (4)의 평균값 \(V_{Z}\)를 찾는다. 여기서 구한 자료들을 이용하여 위 회로의 LED와 제너 다이오드 모두 ON이 되기 위한 전체 전압(점 \(a\)와 점 \(b\) 사이의 전압 V_{ab})을 결정한다.

(2) 실험 (1)의 결과와 회로에서 측정한 저항값을 이용하여 전압 \(V_{L}\)과 전류 \(I_{L}\)을 계산한다.

(3) 실험 (1)의 \(I_{D}\)의 값을 이용하여 키르히호프 전류법칙 \(I_{R}=I_{L}+I_{Z}=I_{L}+I_{D}\)을 이용하여 \(I_{R}\)을 계산하고, 옴의 법칙을 이용하여 \(V_{R}\)을 계산한다.

(4) 키르히호프 전압법칙을 이용하여 제너 다이오드를 ON시키고 LED에서 빛이 방출되게 하는 공급전압 \(E\)를 계산한다. 이때 측정한 저항값을 이용한다.

(5) 위 회로에서 LED가 선명한 밝기를 나타낼 때까지 공급전원 \(E\)를 증가시키고, 선명한 밝기를 나타냈을 때의 \(E\)의 값을 기록한다. 이때 실험 (4)의 공급전압값과 비교한다.

(6) 전압 \(V_{D},\,V_{Z}\)를 측정하고, 실험 (1)의 값과 비교한다.

(Pspice를 이용한 제너 다이오드 회로 실험)

다음은 Pspice를 이용하여 제너 다이오드 회로를 해석한 것이다.(제너 다이오드 D1N750의 제너 전압은 \(4.7\text{V}\)이고, 허용 전류는 \(20\text{mA}\)이다)

(1: \(6\text{V}\)전원)

(회로해석 전)

(회로 해석 후. \(-6\text{V}<-4.7\text{V}\)이므로 제너 다이오드는 ON이다.)

(2: \(15\text{V}\)전원)

(회로 해석 전)

(회로 해석 후. \(-15\text{V}<-4.7\text{V}\)이므로 제너 다이오드는 ON이고, 제너 다이오드에 흐르는 전류는 최대 허용 전류보다 작기 때문에 정상적으로 동작한다)

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

http://ee208.cankaya.edu.tr/uploads/files/lab7.pdf