상태 표시등 LED 여러 개를 저항 하나에 병렬로 물렸다가, 유독 LED 하나만 점점 밝아지더니 결국 타버리는 걸 본 적이 있습니다. 12편에서 빛을 전기로 바꾸는 포토다이오드를 다뤘다면, 이번 13편은 정반대로 전기를 빛으로 바꾸는 LED입니다. 그리고 이 마지막 편으로 12편에 걸친 다이오드 시리즈를 마무리합니다. LED는 그냥 저항 하나 물려서 켜면 되는 부품처럼 보이지만, 신뢰성 있게 오래 쓰려면 정전류 구동이라는 개념을 반드시 이해해야 합니다. [LED 작동 원리 및 구조, 회로] 왜 LED는 정전압이 아니라 정전류로 구동해야 하는가 1편에서 다이오드의 V-I 특성곡선을 다루며, 순방향 구간에서는 전압이 조금만 올라도 전류가 지수함수적으로 급증한다고 설명했습니다. LED도 결국 다이오드이기 때문에 이 곡선을 그대로 따릅니다. 문제는 이 곡선이 워낙 가파르다는 겁니다. LED에 정전압을 걸어놓으면, 전압이 아주 미세하게만 흔들려도 전류는 몇 배씩 요동칠 수 있습니다. 그래서 LED는 전압이 아니라 전류를 직접 관리하는 정전류 구동(Constant Current Driving) 방식이 사실상 표준으로 자리 잡았습니다. DigiKey 기술 포럼에서도 정전류 드라이버는 LED가 소모하는 전류에 따라 출력 전류가 고정되고 전압이 가변적으로 맞춰지는 방식이라고 설명하며, LED 조명 설계에서 정전류·정전압 방식을 상황에 맞게 구분해서 선택해야 한다고 정리하고 있습니다(출처: DigiKey 기술 포럼, 정전류 대 정전압 LED 드라이버, 어느 것이 적합한가? ). 한 줄 요약 LED는 전압 대비 전류 곡선이 매우 가파르기 때문에 전압을 고정하면 전류가 크게 요동칠 수 있습니다. 그래서 전류 자체를 직접 고정하는 정전류 구동이 표준으로 쓰입니다. LED 순방향전압의 음의 온도계수, 열폭주의 시작점 문제를 더 키우는 건 LED의 순방향전압(VF)이 온도가 오를수록 낮아지는 음의 온도계수 를 갖는다는 점입니다. LED가 켜져서 온...

공장 형광등이 깜빡이는 주파수 하나 때문에, 정상 제품을 계속 불량으로 오판정하던 비전 검사 설비를 고쳐본 적이 있습니다. 11편까지 신호 처리를 다뤘다면, 12편부터는 광학 및 센싱 영역입니다. 그 첫 주인공은 빛을 전기 신호로 바꿔주는 포토다이오드 입니다. 원리 자체는 간단하지만, 실제로 미세한 빛을 감지하는 회로를 만들다 보면 노이즈라는 복병을 반드시 만나게 됩니다. 오늘은 그 원리와 대응법을 함께 짚어보겠습니다. 포토다이오드, 빛을 전류로 바꾸는 원리 포토다이오드(Photodiode) 는 PN접합 구조에 빛이 들어올 창을 낸 다이오드입니다. 공핍층에 충분한 에너지를 가진 빛(광자)이 들어오면, 그 에너지로 전자-정공 쌍이 새로 생성됩니다. [포토다이오드 회로] 이렇게 생성된 전자와 정공은 공핍층 내부의 전계에 의해 각각 반대 방향으로 밀려나면서 전류를 만들어냅니다. 빛의 세기가 강할수록 더 많은 전자-정공 쌍이 생기니, 결과적으로 흐르는 전류(광전류)도 빛의 세기에 비례해서 커집니다. 이 광전류를 다시 전압으로 바꿔야 눈에 보이는 신호로 다룰 수 있는데, 이 과정을 어떻게 설계하느냐가 사실상 포토다이오드 회로 설계의 전부라고 해도 과언이 아닙니다. 한 줄 요약 포토다이오드는 공핍층에 흡수된 빛 에너지로 전자-정공 쌍을 만들어 광전류를 발생시키며, 이 전류는 빛의 세기에 비례합니다. 광기전력 모드 vs 광전도 모드, 바이어스에 따른 두 얼굴 포토다이오드는 바이어스를 어떻게 거느냐에 따라 성격이 완전히 달라집니다. 외부 전압을 걸지 않은 상태로 자체 광전류만으로 전압을 만들어내는 방식을 광기전력 모드(Photovoltaic Mode) 라 부릅니다. 태양전지가 바로 이 모드로 동작하는 포토다이오드의 일종입니다. 반대로 역방향 바이어스를 걸어놓고 쓰는 방식을 광전도 모드(Photoconductive Mode) 라 합니다. 1편에서 배운 것처럼 역방향 바이어스를 걸면 공핍층이 넓어지는데, 이 넓어진 공핍층 덕분에 접합 정...

ADC 입력 핀 내부에 이미 다이오드가 들어있다는 사실을 모르고 설계했다가, 그 다이오드를 몇 밀리초 이상 혹사시켜 채널 하나를 서서히 망가뜨린 적이 있습니다. 10편에서 다이오드로 논리와 스위칭을 다뤘다면, 11편은 신호의 '모양'을 다루는 회로입니다. 신호 진폭을 자르는 클리퍼와, 모양은 그대로 두고 위아래 위치만 옮기는 클램퍼입니다. 이 둘은 회로도만 보면 비슷해 보이지만 하는 일은 완전히 다릅니다. 오늘은 원리부터 실무에서 가장 흔하게 마주치는 응용까지 짚어보겠습니다. 클리퍼, 신호의 특정 진폭만 잘라내는 회로 클리퍼(Clipper) 는 이름 그대로 신호 파형의 위쪽이나 아래쪽, 혹은 양쪽을 정해진 전압 이상 넘지 못하도록 잘라내는 회로입니다. 다이오드를 신호 경로에 병렬(션트)로 연결하고, 다이오드가 도통하기 시작하는 전압을 기준선으로 삼습니다. [클리퍼 회로] 가장 단순한 형태는 다이오드 하나만 접지에 병렬로 연결해 신호의 한쪽 극성만 VF 근처에서 자르는 방식입니다. 여기에 다이오드와 직렬로 기준전압(바이어스)을 추가하면, 0V가 아니라 원하는 임의의 전압에서 잘라내는 '바이어스 클리퍼'가 됩니다. 위아래를 모두 정해진 범위 안으로 묶고 싶다면 다이오드 두 개를 서로 반대 극성으로 병렬 배치하면 됩니다. 이렇게 하면 신호가 위쪽 기준을 넘으면 위쪽 다이오드가, 아래쪽 기준을 넘으면 아래쪽 다이오드가 도통하면서 신호를 정해진 창(window) 안에 가둬버립니다. 한 줄 요약 클리퍼는 다이오드의 도통 전압을 기준선 삼아 신호 파형의 위쪽·아래쪽·양쪽을 정해진 범위 안으로 잘라내는 회로입니다. 클램퍼, 파형은 그대로 두고 DC 레벨만 옮기는 회로 클램퍼(Clamper) 는 클리퍼와 정반대 성격입니다. 신호의 모양(진폭, 파형)은 하나도 건드리지 않고, 파형 전체를 위나 아래로 통째로 밀어 올리거나 내려서 DC 기준점만 바꿔줍니다. 그래서 클램퍼를 'DC 복원기(DC Restorer...

낡은 자동화 설비의 인터락 배전반을 열었다가, 트랜지스터 하나 없이 다이오드 수십 개만으로 논리 회로가 짜여 있는 걸 보고 놀란 적이 있습니다. 9편까지 부하 보호를 다뤘다면, 10편부터는 신호 처리 및 스위칭 영역입니다. 다이오드는 전원 회로뿐 아니라 디지털 논리와 초고속 아날로그 스위칭에서도 나름의 자리를 갖고 있습니다. 오늘은 다이오드로 만드는 논리 게이트의 원리와 한계, 그리고 완전히 다른 성격의 스위칭 다이오드인 PIN 다이오드까지 함께 짚어보겠습니다. 다이오드 논리게이트, 트랜지스터 없이 만드는 AND·OR 다이오드 여러 개와 저항 하나만 있으면 기본적인 논리 게이트를 만들 수 있습니다. 이런 회로를 다이오드 논리(Diode Logic, DL) 라 부릅니다. [다이오드로 만드는 AND/OR 논리게이트 AND 게이트는 각 입력에 다이오드의 애노드를 물리고, 공통 캐소드 지점을 저항으로 (+)전원에 풀업시켜 구성합니다. 입력 중 하나라도 낮은 전압(0V)이면 그 다이오드가 순방향이 되어 전류를 끌어가면서 출력이 낮게 묶입니다. 모든 입력이 높은 전압일 때만 어떤 다이오드도 도통하지 않아 출력이 높게 유지됩니다. OR 게이트는 반대로 다이오드 방향과 저항 위치를 뒤집어서, 입력 중 하나라도 높은 전압이면 그 신호가 그대로 출력으로 전달되도록 구성합니다. 국내에도 소개된 다이오드 활용 정리 자료에서 회로 보호, 정류, 신호 클램핑과 함께 이 논리 게이트 구성을 다이오드의 대표적인 실용 응용으로 꼽고 있습니다(출처: Hada.io, 다이오드로 할 수 있는 일들 ). 한 줄 요약 다이오드와 저항만으로 AND·OR 게이트를 구성할 수 있습니다. 입력 전압의 높고 낮음에 따라 다이오드가 선택적으로 도통하면서 논리 연산 결과를 만들어냅니다. 다이오드 게이트의 한계, 전압강하 누적과 NOT의 부재 다이오드 논리는 간단하고 저렴하지만 치명적인 약점이 두 가지 있습니다. 첫째는 1편에서 다룬 순방향전압(VF) 손실입니다. 다이오드 게...

제너 다이오드로 서지 보호 회로를 만들었다가, 정작 진짜 서지가 한 번 들어오니 다이오드가 흔적도 없이 타버린 걸 본 적이 있습니다. 5편에서 제너 다이오드, 8편에서 부하 보호를 다뤘습니다. 이번 편은 그 두 갈래가 만나는 지점, 바로 TVS 다이오드 입니다. 겉모습과 회로 기호는 제너 다이오드와 똑같이 생겼는데, 왜 서지 보호에는 TVS를 따로 써야 하는지, 실무에서 헷갈리기 쉬운 지점을 짚어보겠습니다. TVS 다이오드, 서지를 순간적으로 흡수하도록 태어난 다이오드 TVS 다이오드(Transient Voltage Suppressor) 는 이름 그대로 순간적인 과도전압, 즉 서지(surge)를 억제하기 위해 만들어진 소자입니다. 평소에는 회로에 거의 존재하지 않는 것처럼 조용히 있다가, 전압이 특정 기준(항복전압)을 넘어서는 순간 임피던스를 순식간에 낮춰 서지 에너지를 접지 쪽으로 빼돌립니다. [TVS 다이오드 실무 사용 예] 동작 방식만 보면 5편에서 다룬 제너 다이오드와 거의 같습니다. 둘 다 역방향 항복 현상을 이용하고, 항복전압을 넘으면 전압을 일정 수준으로 묶어두는 클램핑 동작을 합니다. 국내 부품 유통사 기술 포럼에서도 이 둘을 나란히 놓고 "클램핑 전압 이상으로 전압이 치솟을 때 과도한 에너지를 흡수하고 손상으로부터 회로를 보호한다"는 점은 같지만 목적이 다르다고 정리하고 있습니다(출처: DigiKey 기술 포럼, TVS와 제너 다이오드의 차이점 ). 제너는 전압을 '안정적으로 유지'하는 것이 목적이고, TVS는 '순간적으로 큰 에너지를 흡수'하는 것이 목적입니다. 한 줄 요약 TVS 다이오드는 제너 다이오드와 같은 항복 원리를 쓰지만, 목적이 '전압 안정화'가 아니라 '순간 서지 에너지 흡수'라는 점에서 근본적으로 다릅니다. 제너와 뭐가 다른가, 접합 면적과 설계 목표의 차이 겉보기 동작은 비슷해도 내부 설계는 완전히 다른 목표를...

현장 기술자가 전원 커넥터를 반대로 꽂았는데도 보드가 멀쩡했던 경험, 알고 보면 다이오드 하나가 그 사고를 대신 막아준 겁니다. 7편에서 인덕터가 만드는 역기전력을 다뤘다면, 8편에서는 전원 자체가 잘못 연결되거나 여러 전원이 서로 간섭하는 상황을 막는 회로를 다룹니다. 역류 방지 회로와 ORing 회로, 이름은 다르지만 사실 둘 다 다이오드의 '한쪽 방향으로만 전류를 흘린다'는 가장 기본적인 성질 하나로 해결하는 문제입니다. 역류 방지 회로, 전원 극성 오결선을 막는 안전장치 산업 현장에서는 전원 커넥터를 사람이 직접 꽂는 경우가 많습니다. 배터리 팩을 반대로 끼우거나, 극성이 다른 두 케이블을 헷갈려 연결하는 실수는 생각보다 자주 일어납니다. 역류 방지 회로(Reverse Polarity Protection) 는 이런 극성 오결선 상황에서 회로를 지켜주는 보호 장치입니다. 가장 단순한 구현은 전원 입력단에 다이오드 하나를 직렬로 넣는 것입니다. 정상 극성이면 다이오드가 순방향이 되어 전류가 그대로 흐르고, 반대로 연결되면 다이오드가 역방향이 되어 아예 전류를 차단해버립니다. [역류 방지 회로] 회로 하나 다이오드 한 알로 극성 오결선 사고를 원천 차단할 수 있다는 점에서, 특히 사람이 직접 배선을 만지는 산업용 컨트롤러나 배터리 장비에는 거의 기본으로 들어가는 보호 방식입니다. 한 줄 요약 역류 방지 회로는 전원 입력단에 다이오드를 직렬로 넣어, 정상 극성일 때만 전류를 흘리고 반대로 연결되면 회로를 원천 차단하는 보호 방식입니다. 직렬 다이오드 방식의 한계, 손실이라는 대가 문제는 이 간단한 방식에도 대가가 따른다는 겁니다. 다이오드가 항상 회로에 직렬로 물려있으니, 정상 동작 중에도 1편에서 다룬 순방향전압(VF)만큼 전압 손실과 발열이 계속 발생합니다. 전류가 크지 않은 소형 기기라면 이 손실이 무시할 만하지만, 전류가 큰 산업용 장비라면 VF 손실이 곧바로 전력 손실(P=V×I)로 이어져 발...

릴레이 코일에 다이오드 하나 안 붙였다고 트랜지스터가 순식간에 타버리는 걸 본 적이 있으신가요? 4편까지는 정류·전원 변환, 5~6편은 전압 제어를 다뤘습니다. 7편부터는 회로를 지키는 쪽, 즉 부하 보호와 노이즈 대책으로 넘어갑니다. 그 첫 번째 주인공이 릴레이나 모터, 솔레노이드 같은 인덕터성 부하를 스위칭할 때 반드시 따라붙는 프리휠링(플라이백) 다이오드 입니다. 프리휠링 다이오드, 역기전력을 막는 안전벨트 릴레이 코일이나 모터, 솔레노이드는 전기적으로 보면 전부 인덕터입니다. 인덕터는 흐르던 전류를 갑자기 끊으려 하면 그 변화를 거부하며 순간적으로 아주 높은 전압을 만들어내는 성질이 있습니다. 이를 역기전력(Back EMF) 이라 부릅니다. [역기전력을 막아주는 플라이백 다이오드] 역기전력이란 쉽게 말해, 인덕터가 "전류를 갑자기 끊지 말라"며 순간적으로 내지르는 고전압 반발이라고 보면 됩니다. 트랜지스터나 MOSFET으로 릴레이 코일을 스위칭 오프하는 순간, 이 반발 전압이 스위칭 소자에 그대로 걸리면서 소자를 순식간에 파손시킬 수 있습니다. 이 문제를 막기 위해 인덕터성 부하와 병렬로, 평소 전류 방향과는 반대 극성으로 다이오드를 붙여둡니다. 평소에는 역방향이라 전류가 흐르지 않다가, 스위치가 꺼지는 순간 역기전력이 이 다이오드를 순방향으로 만들어 전류가 다이오드를 통해 계속 순환(freewheel)하도록 우회로를 열어주는 겁니다. 그래서 이름이 프리휠링(freewheeling) 다이오드입니다. 한 줄 요약 프리휠링 다이오드는 인덕터성 부하와 병렬로 반대 극성으로 연결해, 스위치가 꺼지는 순간 역기전력 전류가 스위칭 소자 대신 다이오드를 통해 순환하도록 우회로를 열어줍니다. V=Ldi/dt로 보는 역기전력, 스위치가 빠를수록 위험한 이유 역기전력의 크기는 V = L × (di/dt) 공식으로 정해집니다. 여기서 L은 코일의 인덕턴스, di/dt는 전류가 변화하는 속도입니다. 이 공식이 무...

전압 하나만 살짝 바꿔줬을 뿐인데 회로의 발진 주파수가 그대로 따라 움직이는 걸 처음 봤을 때, 다이오드도 이런 일을 할 수 있다는 게 신기했던 기억이 있습니다. 5편까지는 전압을 일정하게 붙잡아두는 정전압 다이오드를 다뤘다면, 이번 편의 바랙터 다이오드 는 정반대로 전압에 따라 값이 계속 바뀌도록 만든 소자입니다. 다만 이 소자는 값이 바뀌는 게 저항이 아니라 정전용량(커패시턴스)이라는 점이 독특합니다. 오늘은 이 원리와, 실제 튜닝 회로에서 신경 써야 할 트레이드오프를 짚어보겠습니다. 바랙터 다이오드, 역방향 전압으로 커패시턴스를 조절하다 바랙터 다이오드(Varactor Diode) 는 'Variable Reactor'의 줄임말에서 온 이름으로, 국내에서는 가변용량 다이오드라고도 부릅니다. 겉보기에는 일반 PN접합 다이오드와 똑같지만, 순방향이 아니라 반드시 역방향으로 걸어서 씁니다. 1편에서 역방향 바이어스를 걸면 공핍층이 넓어진다고 설명했습니다. 바랙터 다이오드는 바로 이 공핍층을 하나의 커패시터로 활용합니다. 공핍층 양쪽의 P형·N형 영역이 커패시터의 두 극판 역할을 하고, 캐리어가 없는 공핍층 자체가 절연체(유전체) 역할을 하는 셈입니다. 역방향 전압을 키우면 공핍층이 더 넓어지고, 커패시터의 극판 사이 거리가 멀어진 것과 같은 효과가 나서 정전용량이 줄어듭니다. 반대로 역방향 전압을 줄이면 공핍층이 얇아지며 정전용량이 커집니다. 결국 전압 하나로 커패시턴스를 손쉽게 조절할 수 있는 부품이 되는 겁니다. [바랙터 다이오드의 역방향 전압에 따른 커패시턴스 제어] 한 줄 요약 바랙터 다이오드는 역방향 바이어스로 공핍층 두께를 조절해 정전용량을 바꾸는 소자입니다. 전압이 커질수록 공핍층이 넓어지며 커패시턴스는 반대로 줄어듭니다. 공핍층 두께가 곧 정전용량, Cj 공식으로 이해하기 이 관계를 수식으로 표현하면 접합 정전용량(C j )은 대략 다음과 같이 근사됩니다. C j = C j0 / (1 + V...