홍라이프 계산기제너 다이오드 정전압 회로 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
제너 다이오드와 직렬 저항으로 만든 회로는 가장 간단한 정전압 회로입니다. 입력 전압이 변해도 작은 부하에 거의 일정한 전압을 공급합니다. 이 계산기는 직렬 저항값과 저항 소비 전력, 제너의 최악 조건 소비 전력을 구해 기준 전압, 보호용 클램프, 소전류 전원의 부품 정격을 정하는 데 도움을 줍니다.
계산 방법
- 직렬 저항: R = (V_in − V_z) / (I_L + I_z,min)입니다.
- 저항 전력: P_R = (V_in − V_z)² / R입니다.
- 무부하 시 제너 전력: P_Z = V_z × (I_L + I_z,min)입니다.
V_in은 입력 전압, V_z는 제너 전압, I_L은 부하 전류, I_z,min은 제너가 정전압을 유지하는 데 필요한 최소 전류이며 전류는 mA로 넣습니다. 저항에는 부하 전류와 제너용 여유 전류가 함께 흘러야 합니다.
원리
역방향 항복 상태의 제너 다이오드는 넓은 전류 범위에서 전압이 V_z 근처로 유지됩니다. 직렬 저항이 V_in − V_z를 떠안으므로 전체 전류는 저항으로 정해집니다. 이 전류가 부하와 제너로 나뉘는데, 부하가 더 가져가면 제너가 덜 가져가서 출력 전압은 거의 변하지 않습니다. 제너 전류가 최솟값 아래로 떨어지면 정전압이 깨지므로 최대 부하에 I_z,min을 더해 저항을 정합니다. 부하를 떼면 모든 전류가 제너로 흐르므로 이때가 제너의 최악 조건입니다.
예제 풀이
- 저항 양단 전압: 12 − 5.1 = 6.9 V입니다.
- 전체 전류: 20 + 5 = 25 mA = 0.025 A입니다.
- R = 6.9 / 0.025 = 276 Ω입니다.
- 저항 전력: 6.9² / 276 ≈ 0.1725 W입니다.
- 무부하 시 제너 전력: 5.1 × 0.025 ≈ 0.1275 W입니다.
| 입력 전압 (V) | 직렬 저항 (Ω) |
|---|---|
| 3 | -84 |
| 6 | 36 |
| 9 | 156 |
| 12 | 276 |
| 15 | 396 |
| 18 | 516 |
| 24 | 756 |
결과 해석
276 Ω은 표준값이 아니므로 한 단계 낮은 E12 값인 270 Ω을 고르면 전류가 약 25.6 mA로 조금 늘어 정전압이 유지됩니다. 저항은 P_R의 2배 이상(여기서는 1/2 W), 제너는 P_Z보다 넉넉한 0.5 W급을 고르면 됩니다. 입력 전압이 변하는 경우 가장 낮은 V_in으로 저항을 정하고 가장 높은 V_in에서 소비 전력을 확인하십시오.
흔한 실수
- 공칭 입력 전압으로 저항을 정해 입력이 낮을 때 정전압이 깨지는 경우
- 한 단계 높은 표준 저항을 골라 전류가 최솟값보다 작아지는 경우
- 부하가 없을 때 제너가 전체 전류를 떠안는 경우를 잊는 경우
- 큰 부하에 제너 회로를 쓰는 경우(저항이 늘 전력을 소모해 효율이 낮습니다)
자주 묻는 질문
제너 최소 전류는 얼마로 잡나요?
항복 상태를 유지하는 데 필요한 전류입니다. 데이터시트의 시험 전류를 참고하며, 보통 몇 mA나 최대 전류의 약 10%를 씁니다.
출력 전압은 얼마나 안정적인가요?
제너 전류 변화에 동저항을 곱한 만큼 변하므로 수십 mV 정도 변동이 흔합니다.
제너로 입력 보호를 할 수 있나요?
직렬 저항과 함께 클램프로 쓸 수 있으며, 최악의 과전압 전류를 견딜 전력 정격이 필요합니다.
출처: Sedra, Smith, Microelectronic Circuits, 다이오드 장 · Horowitz, Hill, The Art of Electronics, 3판