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다이오드의 특성
다이오드는 그림에서 나타내듯이 ▶의 방향으로만 전류를 흐르게 할 수 있는 부품이다. 이것은 순방향 전압 \( V_{F} \) 이상으로 다이오드 양단에 전압이 인가되면 순방향 전류 \( I_{F} \)가 급격히 증가하는 비선형 관계이다. 또 순방향의 전류 \( I_{F} \)가 흐르면 반드시 순방향 전압 강하 \( V_{F} \)가 발생 한다.
이때 전력 손실이 발생 하기 때문에 대전류의 정류 회로에서는 부품 발열에 유의해야한다. 다이오드가 발열 되면 누설 전류가 증가하고, 열 폭주로 인한 화재의 위험성이 있다. 때문에 대부분의 다이오드 플라스틱 몰드는 UL94V-0 이상의 난연 규격을 만족 하고 있다.
브릿지 다이오드의 내압 \(V_{RM}\)선정
브릿지 정류회로에서는 다이오드가 도통하고 있는 동안에 각각의 다이오드 양단 전압 \(V_{D}\)의 인가 전압 \( e\)의 \(\sqrt{2}\times e_{rms}\)가 된다. 실제로는 AC의 입력 전압이 변동하면 그것에 비례 하여 \( e_{rms}\)도 변화하기 때문에 최대 입력 전압 시에도 \(V_{D}\)가 다이오드의 내압 \(V_{RM}\)을 초과하지 않도록 해야 한다.
또 실제 정류회로에서는 서지와 같은 외부 노이즈의 영향이 있기 때문에 \(V_{RM}\)을 충분히 여유가 있게 선정하여야 한다. 일반적으로 정류 전압의 2배의 내압을 선정하며, 인가 전압이 불안정하다면 더 높은 내압 선정이 필요하다.
브릿지 다이오드의 순방향 전류 \(I_{F}\)선정
일반적인 정류 회로에서는 다이오드를 흐르는 전류 \(i_{c}\)는 정현파가 아닌 펄스 파형으로 흐른다. 이 펄스 전류는 여러가지 조건으로 최대값이 변화한다.
우선 다이오드를 흐르는 \(i_{c}\)의 평균값 \(I_{ave}\)는 정류 후의 직류 전류 \(I_{O}\)와 같아야 하기 때문에 반사이클의 주기를 \(T\)로 하고, 전류가 흐르고 있는 기간을 \(t_{1}\)으로 하면 \(\frac{1}{T}\int_{0}^{t_{1}}i_{c}dt=I_{0}\)가 된다.
From O.H Schade, Proc. IRE, Vol. 31, 1943, p. 356
일반적으로 정류 다이오드의 순방향 전류 \(I_{F}\)는 이 \(i_{c}\)의 평균값에서 최대 정격이 정해져 있다. 그러나 이것은 전류가 직류로 흐른 경우의 값이고 펄스 전류는 정격값을 낮게 생각해야 한다. 이 펄스 전류의 최대값 \(i_{CP}\)는 O.H. Schade의 그래프로부터 구할 수 있다. 가로축의 \(n\omega CR_{L}\)의 \(n\)은 배전압 정류에서는 0.5, 반파정류에서는 1, 전파정류에서는 2의 계수를 가진다. \(C\)는 커패시터의 용량, \(R_{L}\)은 부하 저항 값이다.
다음에 세로축의 \(R_{S}/\left ( nR_{L} \right )\)은 부하 저항과 라인 임피던스의 비율을 의미한다. 라인 임피던스 \(R_{S}\)는 배선의 저항 값은 물론 전원 트랜스의 권선 저항도 포함하여 생각해야한다.
이러한 조건에서 아래 그래프에서 왼쪽 세로축의 수치를 읽는다. 이 수치에 출력 전류 \(I_{O}\)를 곱한 것이 전류의 최대값 \(i_{CP}\)이다.
서지 전류를 고려한 다이오드 선정
다이오드의 또 하나의 전류 조건은 서지 전류 \(I_{FSM}\)이다. 정류 회로에서는 처음에 전원 스위치를 동작하는 시점에 커패시터의 충전 전압은 0V로 되어 있다. 따라서 스위치를 동작한 순간에는 커패시터로 큰 충전 전류가 흐른다. 이것을 돌입 전류라고 하며 이 큰 충전 전류에 의하여 커패시터의 단자전압이 상승되고 그에 따라 서서히 충전의 전류값이 정상 상태로 된다.
일반적으로 정류 다이오드의 서지 전류 \(I_{FSM}\)는 순방향 전류 \(I_{F}\)의 10배 정도의 값을 가지고 있다. 그러나 이것은 1사이클의 보증값이고 다이오드의 온도가 높은 상태에는 값이 저하된다.
다이오드의 전력 손실
다이오드는 순방향 전압 강하 \(V_{F}\)와 순방향 전류 \(I_{F}\)에 의해 전력 손실이 발생 한다. 그리고 이것에 의하여 발열하여 온도가 상승한다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 실리콘 다이오드는 최대 정션온도 \(T_{j(max)}\)가 150℃이기 때문에 이것을 넘지 않도록 해야한다. 다이오드의 전류 정격은 정션온도에 도달하는 조건으로 정해져 있기 때문에 온도가 높은 경우에는 방열기를 설치하여 온도를 낮게하는 조치가 필요하다.
다이오드의 전력 손실을 엄밀하게 계산하는 것은 쉽지 않다. 간단하게 계산하는 방법으로는 순방향 전압 강하 \(V_{F}\)에서 정류 후 출력 전류 \(I_{O}\)와의 곱을 손실로 하여 계산한다. 또 브릿지 다이오드에서는 항상 2개의 다이오드에 전류가 흐르기 때문에 합계 손실은 2배로 하여야 한다.