일렉트로닉스 격언집 (Ⅱ) - 전자부품 ① : CR 외

일렉트로닉스 격언집 (Ⅱ) - 전자부품 ① : CR 외

 

전자부품 ① : CR 외

 

 

전해 콘덴서에는 수명이 있다

 

 

오래 된 스피커 시스템(3way)을 오랜만에 다시 사용해 봤더니 주파수 특성이 완전히 흐트러져 있는 경우가 있었다. 자세히 조사해 보니 이상해진 것은 각 스피커 유닛(드라이버)이 아닌 디바이딩 네트워크(그림 1)라는 것을 알았지만, 그 중에서도 콘덴서가 열화됐던 것이. 한쪽 채널에는 3개의 전해 콘덴서가 사용되고 있어 스테레오로 합계 6개, 모두 용량이 초기값과는 완전히 달라져 있었다.

이러한 전해 콘덴서를 디지털 테스터 용량계로 측정했더니 표 1과 같이 현물에 표시되어 있는 값보다 극단적으로 크게 측정됐다. 이 값이 이상한 것은 당연하지만, 음을 들어본 느낌으로는 표의 값과는 전혀 다른 것이었다. 그래서 2.8㎌ 콘덴서 임피던스의 주파수 특성을 측정해 봤더니 콘덴서에서는 없어졌다.

 

 

그림 2에 나타난 것은 그 특성을 3.3㎌의 필름 콘덴서와 비교한 것이다. 임피던스가 높은 곳에서는 용량이 더 커야 할 3.3μ보다 낮은 임피던스로 되었다. 표 1은 이러한 특성을 반영한 결과일지도 모른다.

콘덴서의 임피던스는 주파수에 반비례해야 하지만, 열화된 물건은 임피던스의 저하가 완만하여 20kHz에서 변화가 없어졌다.

2.8㎌의 20kHz에서의 임피던스(이론값)는 2.84Ω이므로 8 Ω의 스피커에 대해서는‘통과’시키는 값이지만, 실제로는 20Ω정도로‘저지하는’값이 되었다. 이것이 스피커 시스템의 고음역이 떨어지는 원인이었다.

그러나 디지털 테스터로는 용량이 증가하는 것밖에 측정하지 못한다. 이것은 현실을 반영하지 않은 것이다. 전해뿐만 아니라 콘덴서의 임피던스는 디지털 테스터만으로 파악할 수 없다는 것도 알아둘 필요가 있을 것이다.

 

세라믹 콘덴서에는 왜곡이 있다

 

최근 부품의 소형화가 진행되고 있으며 콘덴서의 경우에도 특히 대용량 세라믹이 빠른 속도로 소형화되고 있다. 그러나 대용량 세라믹 콘덴서를 오디오나 측정기에 사용할 경우 신호 왜곡이 문제된다.

 

 

실제로 사용하는 방법에 따라 표 2에 나타난 바와 같이 상당한 값이 된다. 이것은 그림 3과 같은 미분 회로에서 나타나는 특성이며 특히 왜곡이 두드러진 경우지만, 그밖에도 신호를 통과시키는 방법으로 사용하면 왜곡이 발생한다. 표 2의 그래프를 그림으로 그린 것이 그림 4이다.

 

 

참고로 필름 콘덴서에서의 값도 표시했다. 이것도 약간 높은 값이지만 전압 진폭에 따라 변화하지 않는 것이 중요하다. 이 값은 신호원이 갖고 있는 왜곡률이지만 미분 작용으로 왜곡 성분이 강조됐다.

 

포토커플러의 순전류 I_F는 가급적 작은 값으로 하지 않을 경우 수명이 짧아진다

 

1. LED 발광 강도는 시간이 지나면 반드시 떨어진다

 

반도체 중 LED 발광강도는 확실히 수명이 있으며 시간이 지나면 열화한다. 시간 경과에 따른 변화의 원인은 LED 칩 온도 상승에 의한 것이므로, 포토커플러의 I_F를 가능한 한 작게 하거나 필요할 때에만 I_F를 흘리는 등과 같은 연구가 필요하다(그림 5).

 

 

10년 이상 전의 얘기인데, 그림 6에 나타난 바와 같은 교통량 정보 송신장치를 설치하여 조정했던 때의 일이다. 데이터속의 제2비트(무게 21)가 중앙 측 전송 시스템에 바르게 도달하지 않았다. 이쪽에 있는 장치는 오픈 컬렉터 출력에서 정상적으로 동작했다. 여러 가지 원인을 조사한 결과, 제2비트의 데이터를 입력하는 중앙 측 포토커플러 회로의 감도 불량으로 판명됐다.

그 기판은 당시에도 10년 이상 경과한 회로였다. 예전에는 LED 감도가 나빴기 때문에 상당한 전류를 흘렸을 것이다.

 

 

2. 포토커플러 내장 LED는 순 전류 I_F 증가에 의한 온도상승으로 열화가 가속된다

 

포토커플러의 수명을 늘리기 위해서는 평균 I_F를 가급적 낮춰야 한다. 일반적인 반도체 디스플레이에서는 전류나 전력정격의 80% 이하로 하고 있지만 포토커플러의 I_F는 발열을 더 억제하는 설계가 필요하다.

 

 

그림 7은 포토커플러 PS2801-4(사진 1, 르네사스 일렉트로 닉스)의 발광 허용 손실을 나타낸 것이다. 주위온도 75℃에서의 허용 손실은 40mW이다. I_F의 지연을 0.8로 하고 순전압을 1.1V로 하면 75℃에서 흘릴 수 있는 I_F 값은 다음과 같다.

 

 

그러나 포토커플러의 전류 전달률 I_C/I_F(CTR)는 LED의 시간 경과에 따른 변화의 영향으로 연수와 함께 열화된다. 그림5와 같이 주위온도 상승이나 I_F 증가에 의한 내부 온도 상승의 영향으로도 CTR이 저하된다. 그림 5의 특성에서 I_F는 5mA 정도로 회로를 설계해야 한다.

 

3. 수명이 긴 포토커플러 회로의 설계 예

 

그림 8은 포토커플러 회로 예를 나타낸 것이다. 우선 전압 노이즈 마진을 확보하기 위해 포토커플러 입력에 병렬 저항기를 넣기로 했다. 이어서 접점 입력 시의 신뢰성을 높이기 위해 입력 전류는 5∼10mA 흘리기로 했다. 10년 후의 CTR 열화를 고려한 포토커플러 입출력 회로로 만들었다.

·전류 전달률(I_C/I_F) CTR : 최소 80%(I_F＝5mA, V_CE＝5V로)

·IN 단자에 흐르는 전류 I :

I_F가 5.66mA이므로 발광 허용손실은 7mW 이하이며 정격의 1/10 이하가 된다.

그림 5에서 CTR은 105시간(10년 이상) 후 20∼30% 저하될 가능성이 있지만, CTR 설계값은 CTR＝1mA/5.66mA＝20% 이하이다.

지연 기준값은 CTR 최소값 80%로 생각할 수 있으므로 충분히 여유가 있다.

 

다이오드의 성능이 나쁘다고 고주파에서 사용할 수 없는 것은 아니다

 

1. 다이오드를 사용한 신호 스위치 회로

 

 

다이오드를 사용한 신호 스위치로는 그림 9와 같은 회로가 사용된다.

1) ①의 단자에 5V 전원을 가하면 D₁에 순방향 전류가 흐르며 A-B간 교류 저항값이 내려가 ON 상태로 된다.

2) ①의 단자를 0V로 떨어뜨려 A-C 사이를 분리하고 이 스위치를 OFF시킨다.

 

 

그림 10과 같이 다이오드는 순방향 전류에 의해 동작 저항 (r_d)이 낮아지며, 역바이어스 시에는 단자간 소용량(C_T)이 남는다. 동작 저항 r_d는 손실이 되고, C_T는 신호 누설(아이솔레이션)이 된다. 그림 9에서는 OFF 시 R₄에서 다이오드에 역바이 어스를 걸어 아이솔레이션을 높였다.

 

 

이 스위치 회로의 다이오드에 다양한 종류의 다이오드를 시험해 보았다(사진 2).

·1S1588(소신호 고속 스위칭용, 실리콘)

·1SS356(고주파 소신호 밴드 스위치용, 실리콘)

·1N4004(전원 정류/역접속 보호 기타용, 실리콘)

·RN731V(고주파 소신호용, PIN)

·MI407(고주파 전력 스위치용, PIN)

·1SS351(검파/믹서용, 쇼트 키 배리어, 2개 들이)

 

2. 변환 스위치 용도에 적합하지 않은 다이오드가 있다

 

주파수 1MHz에서 스위치 회로의 통과 손실을 측정하면 그림 11과같이된다.

 

 

(1) 손실 : 순방향 전류를 10mA 흘리면 1dB 이하

 소신호 스위칭 다이오드 1S1588과 쇼트 키 배리어 다이오드 1SS351은 바이어스 전류가 적으면 손실이 커진다. 10mA정도 순방향 전류가 흐르면 어떤 다이오드도 손실이 1dB 이하로 되어 사용할 수 있을 것이다.

(2) OFF 시의 아이솔레이션 : 클수록 좋다

A-B 사이 OFF일 때의 아이솔레이션(isolation)을 측정했더니 20MHz 이하에서는 모든 다이오드가 20dB 이상 있었고, 10MHz 이하에서는 1N4004를 제외한 다른 것이 모두 30dB이상 있었다.

(3) 왜곡 : 소신호 스위칭 다이오드와 쇼트 키 배리어 다이오드는 크다

 

 

그림 12는 2배 고조파 왜곡이다. 소신호용 스위칭 다이오드와 쇼트 키 배리어 다이오드의 통과 신호에 왜곡이 커서 변환용도에 적합하지 않은 것 같다.

(4) 동작 저항 : 소신호 스위칭 다이오드와 쇼트 키 배리어 다이오드는 크다

 

 

그림 13은 순방향 전류를 충분히 흘렸을(10mA) 때, 1MHz에서 100MHz까지의 고주파 신호에 대한 동작 저항을 실제 측정한 값이다.

쇼트 키 배리어 다이오드나 소신호 고속 스위칭 다이오드는 주파수를 바꿔도 직류일 때와 거의 변함 없는, 비교적 높은 동작 저항으로 됐다. 고주파 소신호 밴드 스위치용 다이오드 1SS356은 고주파수가 되자 동작 저항이 내려갔다.

(5) 응답속도

 

 

그림 14에 나타난 것은 다이오드의 응답속도를 간단하게 관측한 것이다. 가해진 입력 신호는 60kHz의 구형파이다[그림14(a)].

주파수는 낮지만 다이오드의 응답이 부족하며, 마이너스쪽에 나타나는 전압에 의해 분명히 동작이 느린 것이 있다. 통과하는 전력이 크면 더 현저해져, 이른바 스위칭 전원의 정류 회로에서 문제가 되는 다이오드의 응답속도가 느리므로 일단ON되면 OFF하기 힘든 것과 같은 현상이다.

 

3. 다이오드의 2가지 용도‘스위치’와‘스위칭’

 

다이오드에 의한 스위칭에는 다음과 같이 2가지가 있다.

(1) 입력 신호에 의한 고속 스위칭 동작

·순방향 전압을 초과하는 높은 레벨의 신호에서 다이오드를 고속으로 ON/OFF한다

·주어지는 신호를 따른다

·신호의 직선성은 부족하다

·용도 : AM 검파, 믹서, 신호 리미터 등, 전원 정류와 동작도 모두 같은 동작(AC 전원, 스위칭 전원의 정류)

입력 신호에 비해 상당히 빠른 동작의 다이오드가 요구된다. 쇼트 키 배리어 다이오드나 소신호 고속 스위칭 다이오드는‘역회복 시간이 짧은’, 즉 동작이 빠르다는 특징이 있다. 그림 11∼그림 13과 같이 고주파 저항이 별로 내려가지 않아 손실이나 왜곡도 커진다.

(2) 신호 통과를 변환하여 사용하는 정적인 스위치

·ON/OFF는 다이오드의 직류 바이어스 전류로 제어한다.다이오드를 동작 저항이 낮은 영역에서 동작시키고 스위치하여 신호를 통과시킨다

·ON일 때에는 왜곡 없이 신호가 통과하는 것이 좋다

·신호를 통과하는 회로의 변환, 주파수(밴드) 변환, 송수신변환 등. 신호 ON/OFF의 정적 동작

속도가 빠른 다이오드는 동작 저항이 내려가 손실이나 왜곡면에서 유리하다. ON일 때의 고주파 동작 저항 면에서 봤을때 주파수가 너무 높으면 1SS356(밴드 스위치 용도), 1N4004와 같은 응답속도가 느린(역회복 시간이 긴) 실리콘 다이오드를 사용할 경우 가장 손실이 낮고 왜곡도 낮아진다.

마찬가지로 동작이 느린 PIN 다이오드에는 다음과 같은 특징이 있다.

·역회복 시간 t_rr이 크다(왜곡이 잘 안 된다)

·바이어스 전류를 바꿔 가변 저항소자로 사용할 수 있다 (AGC나 감쇠기로 사용할 수 있다)

·역바이어스일 때의 접합 용량 CT가 작다(높은 주파수까지 OFF일 때의 아이솔레이션이 높게 잡힌다)

·소신호용인 것은 고주파 저항이 비교적 높게 남는다(손실이약간많다)

속도가 빠른 다이오드라고 해도 용도에 따라서는 고주파 회로에서 사용한다. 회로에 필요한 특성의 다이오드를 찾아내는 것이 중요하다.

 

4. 분류와 호칭

 

다이오드는 그 특성을 이용하여 다양한 용도에서 사용되고 있다. 그러나 분류 및 호칭은 다음에 나타난 바와 같이 뒤섞여 사용되고 있다.

·용도에 따른 분류

정류, 검파, 믹서, 스위칭, 동조…

·재료, 구조에 따른 분류

게르마늄, 쇼트 키 배리어, 실리콘, 확산형, 에피텍셜 플레너, 메사, PIN…·

특성에 따른 분류

정전압, 가변 축전기, 패스트 리커버리, 스텝 리커버리…

회로를 설계할 때 필요한 것은 특성이다. 재료, 구조는 특성과 큰 관련이 있지만, 각각의 데이터시트에는 그 특성 모두가 기재되어 있지 않은 경우도 많으므로 용도에 맞춰 특성이 적합한 것, 더 고성능인 것을 선택하고 찾아내서 사용하는 것이 회로 설계의 중요한 포인트이다.

 

참고문헌

 

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=001&idx=10577