Transcript 전자회로(7판) - Tistory

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Chapter 11
사이리스터와 그 외의 소자들
Electronic Device (Floyd )- Ch. 11
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목
표
 Shockley 다이오드의 기본 구조와 동작
 실리콘 제어 정류기의 기본 구조와 동작 및 SCR의 응용
 다이악과 트라이악의 기본 동작
 SCS의 기존 동작
 UJT와 PUT의 기본 동작
 광 트랜지스터의 기본 동작
 LASCR의 기본 동작
 다양한 종류의 광 결합기
 IGBT의 기본 동작
 광 섬유 케이블에 대한 설명
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11-1. 기본적인 4층 소자
• 사이리스터 - 4층 다이오드(쇼클리 다이오드)는 4개의 반도체
층인 2개의 pn 접합 형태
• pnp TR(Q1)과 npn TR(Q2)로 구성
• 음극에 정(+)의 바이어스전압을 인가하면 접합 1과 3은 순방향,
접합2는 역방향 바이어스 – 두 개의 TR이 선형영역
그림에서 전류의 화살표 방향 반대
4층 다이오드
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4층 다이오드의 등가 회로
4층 다이오드 등가 회로의 전류
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순방향 브레이크 오버 전압
• 이 영역에서는 매우 높은 순방향저항에 의해
오프 상태
• 순방향 블로킹 영역은 VAK=0V~VBR(F)
• 특성곡선
- VAK가 0에서 증가하면 양극전류 IA도
점차적으로 증가하여 스위칭 전류 IS와
같아지면 VAK=VBR(F)이고 내부 트랜지스터가
포화되고 이때 순방향 전압 강하 VAK는 갑자기
낮은 값으로 감소하여 도통 영역으로 진입
- 이 때 소자는 온 상태로써 단락스위치로 작동
- 양극 전류가 유지값 IH 이하로 떨어지면 오프
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4층 다이오드의 특성 곡선
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응 용
• 이장 발진기(relaxation oscillator)
- 스위치가 ON되면 커패시터의 전압이 4층 다이오드의 순방향
브레이크오버 전압에 도달할 때까지 R을 통해 충전
- 순방향 브레이크오버 전압에서 다이오드는 도통이 되어 커패시터
는 다이오드를 통해 급속히 방전(유지 전류값 이하로 떨어질 때까지)
- 이 유지 전류값에서 다이오드는 Off 상태로 전환되고 커패시터는
다시 충전
4층 다이오드의 이장 발진기
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11-2. 실리콘 제어 정류기(SCR)
실리콘 제어 정류기(silicon-controlled rectifier ; SCR)
• 4층 다이오드와 비슷한 pnpn 소자 – 게이트 단자가 추가됨
실리콘 제어 정류기(SCR)
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SCR 등가 회로
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SCR Turn-on
• IG가 0이면 SCR은 OFF
• 정(+)의 전류펄스가 게이트에 인가되면 두 개의 TR은 ON
• 재생동작 – Q1의 컬렉터 전류가 Q2를 ON시키고 Q2의 컬렉터
전류는 Q1의 부가적인 베이스전류를 발생하여 트리거가 제거
되더라도 계속 ON (latch)
전류의 화살표 방향은 전부 반대
등가 스위치로서의 SCR의 Turn - on
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SCR의 특성곡선
SCR의 특성곡선
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SCR Turn-off
• 트리거 펄스가 제거된 후 게이트가 0V가 되어도 SCR은 오프되지
않고 순방향 도통 영역에 존재
• 턴-오프가 되기 위해서는 양극전류가 유지전류 IH이하로 감소
• 두가지 방법 – 양극 전류 중단과 강제전환
전류의 화살표 방향은 반대
양극 전류 중단법
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강제 전환법
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11-3. SCR의 응용
전류의 On-Off 제어
반파 전력 제어
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위상 제어 회로의 동작
전류의 화살표 방향은 반대
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정전을 대비한 조명 시스템
전류의 화살표 방향은 반대
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과전압 보호 회로
전류의 화살표 방향은 반대
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11-4. 다이악과 트라이악
• 다이악과 트라이악은 양방향으로 전류를 흘릴 수 있는
사이리스터의 한 유형
• 두 종류의 차이점 – 다이악은 두 개의 단자, 트라이악은 게이트를
세번째 단자에 연결된 점
다이악(diac)
• 다이악은 4층 다이오드 두 개를 반대방향으로 병렬 연결한 것
두 단자 양단의 어느 극성에서도 브레이크 오버 전압에 도달되면
다이악은 도통
• 브레이크오버가 일어나면 양단의 전압극성에 따라 전류의
방향이 결정되고 전류가 유지 전류이하로 떨어질 때 다이악은 턴
오프
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다이악
다이악 특성곡선
전류의 화살표 방향은 반대
다이악 등가회로와 바이어스 조건
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트라이악(triac)
• 게이트 단자를 갖는 다이악과 비슷
• 게이트 전류의 펄스에 의해서 턴-온 될 수 있고 다이악과 같이
도통을 시작하기 위한 브레이크 오버 전압은 필요 없음.
• 공통의 게이트 단자를 가진 SCR이 반대방향으로 병렬 연결한 것
트라이악
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트라이악 특성곡선
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전류의 화살표 방향은 반대
트라이악의 양방향 동작
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응 용
– 트라이악 위상제어 회로
기본적인 트라이악 위상 제어
트라이악 턴-오프 구간
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트라이악 위상 제어 회로
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11-5. 실리콘 제어 스위치(SCS)
• SCS는 구성에 있어 SCR과 유사(게이트 단자가 두 개)
• 두 게이트 단자중 하나를 사용하여 턴-온 및 턴-오프 가능
• SCS는 SCR보다 낮은 정격 전력에서 사용
실리콘 제어 스위치(SCS)
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SCS 동작
SCS의 다른 Turn-off 방법
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11-6. 단일 접합 트랜지스터(UJT)
• UJT - 단일 pn 접합 구조(이미터, 베이스 1, 2 단자)
JFET와 기호 상이, BJT와 FET와 특성 상이
전류의 화살표 방향은 반대
UJT 등가 회로
단일 접합 트랜지스터(UJT)
• 등가회로 해석 - 베이스 단자간의 총 저항 r ' BB  r ' B1 r ' B 2
Vr ' B1
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 r ' B1
 
 r'B2

VBB

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• 이탈비(stand-off ratio ; ) 는 비율 r’B1/ r’BB 을 의미
• 인가된 이미터 전압VEB1이 Vr’B1+Vpn보다 작으면 pn 접합은
순방향 바이어스 되지 않기 때문에 이미터 전류는 없음.
• 순방향되게 하는 이미터 전압을 VP(첨두전압)라 하면
VP= VBB+Vpn
UJT 특성곡선
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• UJT 응용 – SCR과 트라이악의 트리거 소자로 사용
비정파 발진기, 톱날파 발생기, 위상제어, 타이밍회로
• 턴-온과 턴-오프 조건
- 턴-온 조건 : VBB-VP>IPR1 , 턴-오프 조건 : VBB-VV>IVR1
- 적절한 턴-온과 턴-오프를 위한 R1의 범위 : VBB  VP
IP
UJT 이장발진기와 파형
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 R1 
VBB  VV
IV
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11-7. 프로그램 가능한 단일 접합 트랜지스터(PUT)
• 프로그램이 가능한 단일 접합 트랜지스터는 사이리스터의 일종
• UJT와 구조적으로 상이(같은 점 : 발진기에 응용 가능)
• 양극의 전압이 게이트 전압보다 높을 때 도통
• 게이트는 음극에 대하여 항상 정(+)으로 바이어스
• 양극전압이 게이트 전압보다 대략 0.7V정도 높을때, pn 접합이
순방향 바이어스되어 PUT는 턴-온
• 양극전압이 이 레벨에서 다시
떨어질 때까지 온상태에 있다가
턴-오프
PUT 구조와 기호
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트리거 전압 조정
응 용
- 이장발진기
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11-8. 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)
• IGBT는 FET와 BJT의 특성이 조합된 소자로 MOSFET의
입력특성을, BJT의 출력특성을 가짐.
• 고압, 고전류 스위칭 응용에 사용
IGBT 기호
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특성
IGBT
MOSFET
BJT
입력구동형태
전압
전압
전류
입력저항
높다
높다
낮다
동작주파수
중간
높다
낮다
스위칭속도
중간
빠르다(ns)
늦다(μs)
포화전압
낮다
높다
낮다
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11-9. 광 트랜지스터
• 광 트랜지스터는 베이스 전류가
전압대신에 빛으로 생성되는 것을
제외하면 BJT와 유사
• 빛 에너지를 전기신호로 변환
• 베이스와 컬렉터 사이의 pn
접합에 빛이 조사되면 빛의 양에
상응하는 베이스 전류 발생
광 트랜지스터
⇒ 컬렉터 전류 생성 IC=βDCIλ
광 트랜지스터 칩의 구조
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광 트랜지스터의 컬렉터 특성곡선
광 트랜지스터의 스펙트럼 응답
• 광 달링턴 – 높은 전류이득 때문에 많은
컬렉터 전류 생성하고 높은 감광성
광 달링턴
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광 구동 릴레이 회로
빛 차단 릴레이 회로
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빛 차단 경보 장치
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11-10. LASCR
• LASCR는 빛에 의해 트리거 될 수 있다는 점을 제외하고는 SCR과
동일하게 동작
• 대부분의 LASCR은 게이트 단지를 가지고 있어 일반 SCR처럼
전기적 펄스에 의해서도 트리거 가능
LASCR
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LASCR 회로
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11-11. 광 결합기
• 광 결합기는 LED나 레이저 다이오드와 같은 광 소자를 사용
• 입력회로와 출력회로 사이에 완전한 전기적 분리를 위해 사용
• 소자의 손상이나 잘못된 출력을 유발할 수 있는 고전압 천이,
서지 전압 또는 낮은 레벨의 잡음으로 부터의 보호
광 트랜지스터를 사용한 광 결합기
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광 결합기의 일반적인 유형
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11-12. 광 섬유(fiber optics)
• 광섬유는 사람 머리카락 굵기인 약 100μm 정도의 광
케이블을 통하여 정보를 전송하기 위하여 광펄스를 사용
• 이점 – 빠른 속도, 높은 신호전송 용량, 증폭기없이 장거리
통신가능, 간섭신호에 둔감하고, 유지보수에 경제적
광 섬유 케이블의 구조와 동작
광 섬유 데이터 통신 링크의 블록 구성도
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