안녕하세요! 이번에는 전압레귤레이터에 대하여 글을 작성해보자 합니다.
제가 작성할 글은 제너다이오드(zener diode)를 활용한 전압레귤레이터 입니다!
해당 회로는 간단한 구조로 출력단에 일정한 전압을 낼 수 있습니다.
따라서 일정 전압 이상의 정전압 전원을 인가해야할 때(ex. MCU, SBC, LDO) 사용됩니다.
글의 순서는 아래와 같습니다.
1. 제너다이오드를 활용한 전압레귤레이터 구조
2. 동작 원리
3. 시뮬레이션 결과
4. 결론
1. 제너다이오드를 활용한 전압레귤레이터 구조
제너다이오드를 활용한 전압레귤레이터 구조는 아래 사진과 같습니다.
NPN 트랜지스터와 제너다이오드를 사용하는 간단한 구조입니다.
500ohm은 트랜지스터의 base의 전류 제한으로 사용했습니다.
출력단 10uF 커패시터는 출력단의 전압을 갖도록 하기 위해 사용했습니다.
2. 동작 원리
동작 원리는 아래와 같습니다.
20V의 입력 전압이 인가되고 500ohm을 거쳐 NPN 트랜지스터의 base 전류(I_B)가 인가됩니다.
그러면 트랜지스터가 turn on되어 collector에서 emitter의 방향으로 전류(I_CE)가 흐르게 됩니다.
그러면 출력단 10uF 커패시터가 충전되고 출력 전압이 인가되게 됩니다.
다음 사진은 제너다이오드가 어떤 역할을 해서 출력단에 정전압이 인가되는지 나타내는 사진입니다.
아래 사진의 제너다이오드는 V_Z가 10V인 소자입니다.
그렇기 때문에 제너다이오드에 인가되는 전압(V_Z)은 10V가 되고 나머지 10V는 500ohm에 인가됩니다.
그리고 NPN트랜지스터의 base 전류(I_B)가 인가되어 트랜지스터는 turn on되고 I_CE가 흐르게 됩니다.
NPN 트랜지스터에서 Base-emitter 방향으로 내부 다이오드가 있습니다.
그렇기 때문에 Base-emitter로 0.3V(일반적)의 전압 드랍이 있습니다.
제너다이오드로 인해 Base에 10V가 인가되고 base-emitter에 0.3V 전압 드랍이 발생하고 9.7V의 전압이 출력단에 인가됩니다.
3. 시뮬레이션 결과
그렇다면 위의 회로가 제대로 동작하는 것인지 시뮬레이션을 통해 검증해보겠습니다.
사용할 시뮬레이션 툴은 LTspice라는 무료 시뮬레이션 툴 입니다.
Analog Devices에서 제공하는 무료 툴로 누구나 쉽게 다운받아서 사용할 수 있습니다.
혹시 다운받으시려는 분들은 아래 링크에서 받아주시면 됩니다~
https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html
LTspice Simulator | Analog Devices
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LTspice를 통해 회로를 아래와 같이 구성했습니다.
위에 설명드렸던 사진과 다른점은 출력단에 저항 10ohm을 추가한 것인데요. 10ohm은 출력단 부하 입니다.
저항 부하 값은 다른 값으로 변경해도 문제 없있습니다.(그냥 예시로 10ohm을 선정한 것 입니다!)
제가 사용한 제너다이오드는 BXZ84C10L이란 소자이고 NPN 트랜지스터는 2N2222 소자를 사용했습니다.
(해당 소자들을 사용한 이유는 LTspice에서 기본으로 제공해주는 소자 중 적절한 용량을 선정한 것 입니다!)
아래 사진은 위의 회로를 시뮬레이션 진행한 결과 입니다.
V(zener_voltage)는 제너다이오드에 의해 10.2V가 되고 출력은 base-emitter 전압 드랍인 1.2V가 발생해서 출력단에 9V가 인가되는 것을 볼 수 있습니다.
위에 기본적인 NPN 트랜지스터의 base-emitter 전압 드랍은 일반적으로 0.3V라고 했는데
제가 위에 사용한 2N2222 소자의 경우에는 더 큰 base-emitter 전압 드랍이 있는 것을 아래 datasheet를 통해 볼 수 있습니다.
제너다이오드의 V_Z에 관한 내용은 아래 datasheet에서 확인할 수 있습니다.
4. 결론
지금까지 제너다이오드를 사용한 전압레귤레이터에 대해 작성해보았습니다.
제너다이오드를 사용한 전압레귤레이터의 경우 간단한 회로와 적은 소자를 사용함으로써 사용도가 높은 회로라고 생각됩니다.
저의 글이 다른 분들에게 조금이라도 도움이 되었으면 좋겠습니다!
혹시 잘못된 부분이 있다면 댓글로 알려주시면 감사하겠습니다~
그럼 이만 글을 마치겠습니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다~
모두 좋은 하루 되세요~~
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