현재 다이오드(Diode)의 역할과 종류는 굉장히 다양해 졌지만 일반적으로 정의할 수 있는 다이오드는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합해서 만들어지는 전자부품을 말합니다. 이는 주로 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게 하는 성질을 가지고 있습니다. 다이오드에 건전지 등으로 전류를 연결해주면 어떤 방향으로는 전류가 잘 흐르는데 반대로 연결하면 전혀 흐르지 않게 되는 것이죠. 이런 성질을 이용해서 교류를 직류로 바꾸는 전원장치 등에 많이 쓰입니다. 가정에서 사용하는 어댑터들에는 필수적으로 다이오드가 들어 갑니다.
제가 사용하던 5V 어댑터 분해 사진 입니다. 위와 같이 총 7개의 다이오드가 사용된 것을 볼 수 있습니다. 기판을 잘 보시면 다이오드가 붙은 부분에는 D1, D2 등의 문자가 쓰여 있습니다. 콘덴서는 C, 저항은 R 을 쓰는 것처럼 회로도에서 다이오드는 D 로 표시 합니다.
현대에는 이러한 다이오드의 종류가 다양해지면서 이런 정류작용 뿐만 아니라 특수한 목적으로 사용되는 다이오드들이 나오기 시작했습니다. 대표적으로 발광 다이오드라고 불리는 LED(Light Emitting Diode) 를 들 수 있습니다. 생활에서 광범위하게 많이 쓰이는 다이오드로 전류를 통하게 되면 빛을 내는 특성을 가지고 있으며 전력소모도 낮고 수명도 길어서 최근에는 형광등을 대체하는 조명으로 각광을 받고 있기도 합니다.
제가 아두이노에 연결해서 사용하고 있는 LED 입니다. 빨강, 노랑, 백색, 청색, 녹색 등등 전류를 통하면 다양한 색상의 빛을 만들어 냅니다.
이번 글에서는 이렇듯 전자산업에 있어서 없어서는 안될 다양한 다이오드들에 대해서 알아보겠습니다.
1. 정류(범용) 다이오드
가장 기본적이고 범용적인 다이오드로서 한 쪽 방향으로만 전류가 흐를 수 있게 만들어서 정류 작용을 하거나 역전류를 방지해서 회로를 보호하는 역할을 하는 다이오드 입니다. 위에서 말했듯이 가정용 어댑터 등에 많이 쓰입니다.
기호는 위와 같습니다. Anode 에 + 를 연결하고 반대인 Cathode 에 - 전류를 통할때에만 전류가 흐릅니다. 반대로 연결하게 되면 전류가 흐르지 않습니다.
정류용 다이오드의 실제 모습 입니다. 은색으로 띠가 있는 쪽이 Cathode 입니다.
다이오드의 규격은 다이오드에 쓰여진 품번으로 알 수 있습니다. 제가 가지고 있는 다이오드로 예를 들어보겠습니다.
자세히 보면 다이오드의 표면에 1N4007 이라고 쓰여 있습니다. 구글이나 http://www.alldatasheet.com/ 같은 전자부품 데이터시트 검색 사이트에서 1N4007 을 검색해보면 데이터시트가 나옵니다. 그것을 보고 다이오드의 규격을 알 수 있습니다.
실제 데이터시트를 검색해서 일부분을 발췌해 봤습니다. 제가 가진 1N4007 다이오드의 경우는 1000V, 1A 에 사용이 가능한 다이오드 라는 것을 알 수 있습니다. 허용전압에 따라서 1N4001~1N4007 까지의 다이오드들이 있네요.
정류 다이오드는 위와 같은 AC to DC 회로에 많이 쓰입니다. 가정용 교류인 220V를 원하는 전압과 전류의 직류로 바꾸어주는 회로 입니다. 이 회로에 대해서는 오픈튜터리얼스의 다음 동영상을 보시면 이해가 가실 겁니다. 저도 이해가 잘 안되었었는데 이 동영상을 보고 한 방에 이해가 갔거든요.
참고로 위의 회로에서 쓰인 4개의 다이오드를 하나의 소자에서 가능하도록 한 브릿지 다이오드라는 것도 있습니다. 이걸 사용하면 아무래도 회로가 간단해 지겠죠? Input 에서 +와 -가 계속 바뀌는 교류라도 Output 은 항상 직류가 나오도록 하는 작용을 하나의 다이오드 소자로 가능하게 하는 것입니다.
2. 제너다이오드(Zener Diode), 정전압 다이오드
미국의 물리학자인 Clarence Zener 라는 사람이 발견한 Zener 효과라는 현상을 이용한 다이오드 입니다. 주로 정전압 장치에 쓰이며 전압을 일정하게 유지하는 역할을 하는 다이오드 입니다. 일반 다이오드와 다르게 역방향으로 전압을 걸어서 사용합니다. 즉 Cathode에 +를 Anode에 - 전압을 걸어 줍니다. 역방향으로 일정 전압 이상을 가하면 Zener 항복 현상이라는 것이 일어나서 전류가 흐르게 됩니다. 하지만 전압은 일정하게 유지되는 특성을 이용해서 정전압 장치에 쓰이게 됩니다.
제너 다이오드의 모습 입니다. 까만 테두리가 있는 쪽이 Cathode, 반대편이 Anode 입니다.
제너 다이오드의 기호 입니다.
제너 다이오드를 이용한 Voltage Regulator 회로 입니다. 만약 회로의 V in 에 5V의 전압이 걸리고 제너 다이오드가 3.3V의 전압을 만들어주는 규격의 제너 다이오드라면 V out 에는 3.3V의 전압이 걸리게 됩니다.
규격은 정류 다이오드 보는 방법과 같습니다. 품번을 데이터시트 검색 사이트에서 검색해 보면 데이터시트가 나옵니다. 중요한 것은 허용 전력(W) 과 전압(V) 정도 되겠습니다. 종류가 많다보니 위와 같이 시리즈별로 그룹 지어서 데이터시트가 만들어져 있습니다.
3. 발광 다이오드 (LED, Light-Emitting Diode)
순방향으로 전류를 가하면 빛을 내는 특징을 가지는 다이오드 입니다. 각종 전자, 전기 장치의 표시부분이나 요즘은 조명용으로도 많이 사용합니다. 여러가지 색상의 빛을 내고 종류도 다양합니다.
다리가 긴 쪽이 Anode (+) 이며 짧은 쪽이 Cathode (-) 입니다. 역방향으로 전류를 흘리면 빛이 발생하지 않습니다. 전류의 크기에 따라 밝기가 결정되며 정격전류 이상을 가하게 되면 고장이 날 수 있습니다.
아두이노에도 많은 SMD(기판에 직접 납땜되는 방식) 방식의 발광 다이오드들이 붙어 있습니다.
발광 다이오드의 기호 입니다. 빛이 발산되는 모습을 하고 있습니다. 화살표가 반대로 되면 포토 다이오드가 됩니다.
LED의 종류와 규격도 무수하게 많습니다. 그 중에서 일반적인 직경 5mm 의 LED의 규격은 대략 아래와 같습니다.
전압(forward voltage): 1.8~2.2V
적정 전류(suggested using current): 16~18mA
최대 전류(forward current): 20mA
만약 LED를 켜고자 하는데 공급 전원과 맞지 않을 경우에는 옴의 법칙에 의거하여 적절한 저항을 달아주면 됩니다. 적절 저항값의 계산은 다음과 같이 합니다.
(공급전압 - LED 전압) / LED 전류 = 저항값
예를 들어 공급전압이 5V 이고 5mm 직경의 LED 하나를 켜려고 한다면 155옴을 넘어가는 저항을 달아주면 되는 것입니다.
(5 - 2.2) / 0.018 = 155Ω
※LED 전류와 전압은 최대값으로 계산 했습니다. LED 종류에 따라 다를 수 있습니다.
4. 포토 다이오드 (Photo Diode)
포토 다이오드는 발광 다이오드 와는 반대로 빛 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 소자 입니다. 빛의 강도에 비례하는 전압을 만들어 냅니다. 그러므로 빛의 세기를 감지하는 센서로 사용이 가능 하며 리모컨의 수신부, 화재경보기 등에 쓰입니다.
포토 다이오드 특징
- 포토다이오드는 응답속도가 빠르고, 감도 파장이 넓으며, 광전류의 직진성이 양호하다.
- 작은 바이어스 전압에도 동작이 가능하다.
- 수명이 길며, 고속의 응답성을 가지고, S/N의 특성이 좋다.
포토 다이오드의 기호 입니다. 발광 다이오드와는 화살표(빛)의 방향이 반대 입니다.
5. 쇼트키 다이오드 (Schottky Barrier Diode, Hot Carrier Diode)
독일의 물리학자인 Walter H. Schottky 의 이름을 딴 다이오드 소자 입니다. 쇼트키가 발견한 금속과 반도체의 접촉면에 생기는 장벽(쇼트키 장벽)의 정류 작용을 이용하여 만들어 졌으므로 쇼트키라는 이름이 붙었습니다. 일반 다이오드에 비해 마이크로파(고주파)에서의 특성이 좋고 매우 좁은 쇼트키 장벽 내에서 전류제어작용이 행해지기 때문에 고속동작(고속 스위칭)에 적합하며, 마이크로파 수신 혼합기, 고속 논리용 다이오드 등에 사용됩니다.
다양한 쇼트키 다이오드들, 외관상으로는 일반 정류용 다이오드와 별 차이가 없는 제품들도 있습니다. 이런 경우 품번에 의해서 쇼트키 다이오드를 판별 할 수 있겠죠.
범용적으로 많이 쓰이는 1N5819 쇼트키 다이오드의 규격을 알아보기 위해 데이터시트를 찾아 보았습니다. 위와 같이 40V, 1A 이내에서 사용할 수 있습니다.
6. 배리캡 다이오드, 가변용량 다이오드 (Variable Capacitance Diode)
역방향 전압 크기의 변화에 따라 PN 접합의 공핍층(캐리어가 존재하지 않는 영역) 의 두께를 변화시켜 정전 용량의 값을 증가 또는 감소시킬 수 있는 다이오드 입니다. 주로 전압의 변화에 따라 발진 주파수를 변화 시키는데 사용합니다. 과거 텔레비전의 UHF · VHF대 및 FM · AM 라디오의 전자 동조용 부품으로 사용이 됩니다.
베리캡 다이오드의 기호 입니다.
베리캡 다이오드의 실제 모습 입니다.
위의 배리캡 다이오드의 데이터시트 입니다. 대략 20~540pF 의 Capacitance 를 가지는 것을 볼 수 있습니다.
이외에도 많은 종류의 다이오드가 있지만 주로 많이 쓰이는 것은 이 정도 인 것 같습니다.
■ 이미지 출처 및 참고 사이트
http://lplagrangemaths.free.fr
https://en.wikipedia.org/wiki/Diode
https://solarbotics.com/product/dz5_1/
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