University of Incheon HW#3 – Chapter.3 DI 전자공학과 이정근

University of Incheon– 2 – Chapter 2 Homework – DC Power Supply Design ☞ 220V 의 교류 전원으로부터 5V 또는 3V 의 DC Power 를 공급할 수 있는 회로 ( 두 가지 ) 를 설계하고 PSPICE 를 사용하여 성능을 검증하시오. ► Bridge Rectifier 사용하라 (Diode 는 D1N4148 사용 ) ► 입력신호 진폭 : 220√2=311V ► I lmax =20mA ~ 100mA 범위에서 선택 1. Zener diode model 을 사용 (V Z =5.1V, I Z =20mA, I zmin =5mA, r z =10Ω) for 5V 또는 (V Z =3.3V, I Z =20mA, I zmin =5mA, r z =10Ω) for 3V 2. 상용 zener diode 를 사용 D1N751 (Diode Library) for 5V 또는 D1N746 (Diode Library) for 3V

University of Incheon– 3 – DC Power Supply Design ▶ DC Power Supply (Block Diagram)

University of Incheon– 4 – DC Power Supply Design ▶ DC Power Supply (Ex. of Spice Model) Full-Wave Rectifier Peak Detector Voltage Regulator

University of Incheon– 5 – DC Power Supply Design ▶ Diode Spice Model (D1N4148).model D1N4148-X D( Is=2.682n N=1.836 Rs=.5664 Ikf=44.17m Xti=3 Eg=1.11 Cjo=4p M=.3333 Vj=.5 Fc=.5 Isr=1.565n Nr=2 Bv=100 Ibv=100u Tt=11.54n) ☼ Point 수동소자가 아닌 반도체류 (Diode, TR, FET..) 는 각각 고유의 Spice model 을 가지며 이 파라미터들이 실제 시뮬레이션이 사용된다..model 모델명 D(  다이오드 (D) + ( Is=2.682n N=1.836  한 줄에 1 파라미터 Rs=.5664 : Tt=11.54n)  끝부분 ) 닫음

University of Incheon– 6 – Design Using Zener Diode Model 1.Zener Diode Model 사용 본 설계과정에서는 DC POWER SUPPLY 부분별 설계과정을 세세하게 밝혔다.

University of Incheon– 7 – ▶설계의 개요 트랜스포머를 이용해 높은 전압을 낮은 전압으로 변환 하고 전파정류기를 이용해 0 보다 작은 음의 전압을 양 의 전압으로 정류시킨다. 커패시터의 충방전 원리를 이 용, 교류전압을 직류전압으로 변환한다. 적당한 소자의 값을 계산하여 5V 의 직류 전원을 공급하 는 전원공급기를 설계한다. 아래의 설계조건을 택하였다. Design Using Zener Diode Model (V Z =5.1V, I Z =20mA, I zmin =5mA, r z =10Ω) for 5V

University of Incheon– 8 – Design Using Zener Diode Model ▶ Design Power Transformer : Comparing Two Models XFRM_LINEA R XFRM_NONLINEAR COUPLING : 0.9 L1_VALUE=100mH L2_VALUE=1mH COUPLING : 0.9 L1_TURNS=1000 L2_TURNS=100 TRANSFORMER 는 전자기유도작용을 이용하여 교류전압을 변환하는 소자로서 PSpice 에서는 ‘XFRM_LINEAR’ 와 ‘XFRM_NONLINEAR’ 가 있으며 ‘XFRM_LINEAR’ 는 1 차 측과 2 차 측의 인덕턴스 값 비율로, ‘XFRM_NONLINEAR’ 는 1 차 측과 2 차 측의 권선 비로 전압 비가 결정된다. 연결계수는 1 차 측에서 2 차 측으로 에너지 전달되는 비율을 나타내는 것으로 0~1 범위의 값을 가진다. 연결계수가 0.9 이면 1 차 측에서 2 차 측의 에너지 전달효율이 90% 임을 나타낸다. 연결계수

University of Incheon– 9 – Design Using Zener Diode Model ▶ Design Power Transformer 차 권선 (LS2) 에 12V 전압유도  Ls1 : Ls2 = 2590 : 100 트랜스포머는 양측의 코일 권선비를 이용 우측코일에 유도되는 전압의 크기를 선택 할 수 있다.

University of Incheon– 10 – Design Using Zener Diode Model ▶ Design Power Transformer ▶ Properties of TX COUPLING=1 LS1_TURNS=2590 LS2_TURNS=100 트랜스포머의 세팅 Edit  Properties

University of Incheon– 11 – Design Using Zener Diode Model ▶ Design Full-Wave Rectifier [Bridge Type] D1N4148 소자를 사용한 브릿지 타입 전파정류회로 전파정류기는 입력 정현파의 음의 값을 반전시킴으로써 단극성 출력을 내보낸다. (+) 파형의 통과방향 (-) 파형의 통과방향

University of Incheon– 12 – Design Using Zener Diode Model D1N4148 소자의 고유 Parameter ▶ Design Full-Wave Rectifier [Bridge Type]

University of Incheon– 13 – Design Using Zener Diode Model ▶ Design Peak Detector 필터는 커패시터의 충방전의 원리를 이용 입력파의 피크값을 출력한다. 입력 출력

University of Incheon– 14 – Design Using Zener Diode Model ▶ Design Peak Detector 피크디텍터

University of Incheon– 15 – Design Using Zener Diode Model ▶ Design Shunt Voltage Regulator 전압조정기를 이용하여 발생된 리플값을 줄일 수 있다. 로드저항과 제너다이오드를 병렬로 구성 ( 제너병렬구성기 ) 함으로써 전압조정기를 설계할 수 있다. 본 참고 그림에서는 제너다이오드의 등가모델이 사용되었다.

University of Incheon– 16 – Design Using Zener Diode Model ▶ Zener Diode Modeling D1 은 Ideal 다이오드를 사용하여 순방향 특성을 모델링 D2 는 일반 다이오드를 사용하여 역방향 특성을 모델링 (V Z =5.1V, I Z =20mA, I zmin =5mA, r z =10Ω) Ideal Diode Regular Diode Zener Diode

University of Incheon– 17 – Design Using Zener Diode Model ▶ Zener Diode Modeling Ideal Diode Ideal Diode 는 Pspice Model Editor 에서 ‘n= ’ 즉 n=0 에 가까운 근사값을 추가해 준다.

University of Incheon– 18 – Design Using Zener Diode Model ▶ Voltage Regulator &Zener Diode Modeling 앞의 내용을 바탕으로 완성한 모델링 된 제너다이오드를 이용한 전압 조정기 제너다이오드 모델링 전압조정기

University of Incheon– 19 – Design Using Zener Diode Model ▶ Determine Resistance & Capacitance 저항값 계산 커패시터값 계산 (f=60Hz)

University of Incheon– 20 – Design Using Zener Diode Model ▶ DC Power Supply : 회로도 Transformer Peak Detector Shunt Voltage Regulator Full Wave Rectifier Rload 200

University of Incheon– 21 – Design Using Zener Diode Model ▶ DC Power Supply : Simulation Settings

University of Incheon– 22 – Design Using Zener Diode Model ▶ DC Power Supply : Simulation Graph Smoothing Capacitor Voltage Vc Load Voltage Vo

University of Incheon– 23 – Design Using Zener Diode Model ▶결론 구분가정(이론)값시뮬레이션 값오차비고 Vripple0.5V0.38V24% Vout5V4.957V0.97% Vcmin9.9V9.679V2.23% 리플전압 Vr  가정한 0.5V 값에 근사한 값 0.42V 발생 출력전압 Vo  가정한 5V 값에 근사한 4.957V 출력 (4.957 값은 Vomax, Vomin 의 평균값으로 계산함 ) 실제 Dbreak 값의 n 값을 더욱 0 에 가깝게 놓고 회로를 설계한다면 오차가 작아질 것으로 예상됨.

University of Incheon– 24 – Design Using Zener Diode Model ▶ Parametric Sweep Value of Rload Rload : 500, 250, 200, 150Ω 주의 : 로드저항의 Part Reference 가 아닌 Value 값을 {Rval} 로 지정해야 함.

University of Incheon– 25 – Design Using Zener Diode Model ▶ Parametric Sweep Value of Rload 160ms 부터 데이터 출력 Parametric Sweep  Global Parameter Parameter Name : Rval Value list : 500, 250, 200, 150

University of Incheon– 26 – Design Using Zener Diode Model ▶ Simulation Graph 500Ω 250Ω 200Ω 150Ω R=150Ω  Zener : Cut off

University of Incheon– 27 – Design Using Zener Diode Model ▶결론 RloadVo maxVo minVo meanI loadV ripple 500Ω5.0993V5.0835V A19.8mV 250Ω5.0069V4.9845V A22.4mV 200Ω4.9616V4.9403V A21.3mV 150Ω4.7861V4.5966V A189.5mV I Load  Vo/Rload 을 이용해 계산 V ripple  Vo max – Vo min 의 차값 R=150Ω, Vripple 및 I load 값에 큰 변화가 있음을 알 수 있다 Zener Diode 가 Cut off 되기 때문에 이런 현상이 발생한다.

University of Incheon– 28 – Design Using Zener Diode Model ▶고찰 Zener Diode Modeling 을 통해 220V 의 교류신호로 부터 5V 와 DC 를 뽑아내는 직류 전력 공급기를 설계해 보았다. 먼 저 트랜스포머의 2 차 권선에 전압값을 정해 권선비를 정하고, Vzo, Vcmin 값을 통해 R 을 계산하고 Vp/R 값을 통해 C 값을 구 해 회로의 파라미터를 계산하였다. Zener Diode Modeling 을 이용해 설계시에는 서플라이 부분 별 설계과정을 비교적 세세하게 밝혔다. Vout 의 값은 로드저항 R 값이 증가할수록 조금씩 크게 측정 됨을 보였고, 로드저항값이 작을 때에는 리플값이 조금씩 커 짐을 보았다. 결과적으로 제너다이오드가 Cut off 되지않는 Rload 에 한해서 DC 파워서플라이는 정상적으로 작동 하였 다. 챕터 3 다이오드의 소자를 이용하한 응용회로를 이해하고 직접 설계해 본다는 점에서 유익했다.

University of Incheon– 29 – Design Using Zener Diode Model 2. 상용 Zener Diode 사용 트랜스포머, 정류기, 피크디텍터는 앞의 회로의 설계과정과 동일하므로 생략하고, Voltage Regulator 설계부분만을 상세히 밝힘.

University of Incheon– 30 – Chong-Gun Yu Design Using Regular Zener Diode Model ▶ Design 개요 상용 Zener Diode 를 사용하여 설계 트랜스포머, 정류회로, 필터의 설계과정은 앞과 동일하므 로 생략 상용 제너 다이오드는 D1N751 소자 이용 아래의 설계조건을 택하였다 D1N751 (Diode Library) for 5V

University of Incheon– 31 – Chong-Gun Yu Design Using Regular Zener Diode Model ▶ D1N751 : Determine value of r z D1N751 소자의 Maximum Zener Impedence 의 값 :17Ω 즉, 제너다이오드 모델링에서의 rz 값을 17 옴 이하의 값으로 구성하여 R 과 C 값 을 구하면 제너다이오드는 정상적인 볼티지 레귤레이터 기능을 한다. 따라서 앞 의 설계된 DC POWER SUPPLY 는 rz=10 일때의 R 과 C 값이므로 별다른 소자값 변환 없이 다이오드 모델링 부분만 대체 하였다.

University of Incheon– 32 – Chong-Gun Yu Design Using Regular Zener Diode Model ▶ Determine Parameter Value

University of Incheon– 33 – Design Using Regular Zener Diode Model ▶ D1N751 Diode Model D1N751 소자를 이용하여 Zener Diodel Model 을 이용했던 모델링 부분을 대체한다 Zener Diode

University of Incheon– 34 – Design Using Regular Zener Diode Model ▶ D1N751 Diode Model : Pspice Model Bv, 즉 Breakdown Voltage 값이 5.1V 이므로 원하는 출력 전압 5V 의 전압을 역바이어스 영역에서 출력해 낼 수 있다. (BV 값 설정 불필요 ) Series Resistance Ideally Zero

University of Incheon– 35 – Design Using Regular Zener Diode Model ▶ DC Power Supply : 회로도 Transformer Shunt Voltage Regulator Full Wave Rectifier Peak Detector Rload 200

University of Incheon– 36 – Design Using Regular Zener Diode Model ▶ DC Power Supply : Simulation Graph Smoothing Capacitor Voltage Vc Load Voltage Vo

University of Incheon– 37 – Design Using Regular Zener Diode Model ▶결론 리플전압 Vr  가정한 0.5V 값에 근사한 값 0.38V 발생 출력전압 Vo  가정한 5V 값에 근사한 5.034V 출력 (5.034V 값은 Vomax, Vomin 의 평균값으로 계산함 )

University of Incheon– 38 – Design Using Regular Zener Diode Model ▶ DC Power Supply : 회로도 Transformer Shunt Voltage Regulator Full Wave Rectifier Peak Detector

University of Incheon– 39 – Design Using Regular Zener Diode Model ▶ Parametric Sweep : Rload 500Ω 250Ω 200Ω 150Ω R=150Ω  Zener : Cut off

University of Incheon– 40 – Design Using Regular Zener Diode Model ▶결론 I Load  Vo/Rload 을 이용해 계산 V ripple  Vo max – Vo min 의 차값 R=150Ω, Vripple 및 I load 값에 큰 변화가 있음을 알 수 있다 Zener Diode 가 Cut off 되기 때문에 이런 현상이 발생한다.

University of Incheon– 41 – Design Using Regular Zener Diode Model ▶고찰 이번 직류전원공급기는 앞의 제너다이오드 모델링을 통해 완 성한 회로의 볼티지 레귤레이터 부분을 상용제너다이오드를 통해 모델링 함으로써 그 출력을 보았다. 제너다이오드를 모델링 하여 회로를 구현했을 때와 동일하게 Vout 값은 Rload 의 값이 증가하면서 조금씩 증가함을 보였고, Vripple 값은 반대로 Rload 의 값이 작아질수록 커짐을 보였다. 제너다이오드를 모델링 했을때보다 소수점 이하 미세값의 Vout 증가를 보였다.

University of Incheon– 42 – Design Using Regular Zener Diode Model ▶성능비교 Zener Diode Modeling vs. D1N751 (Rload=200) 비교 파라미터 Zener ModelingD1N751 Vout,mean4.957V5.034V Vc,ripple0.38V Vo,ripple19.5mV21.2mV 상용 제너 다이오드를 모델링 했을 때의 출력값이 조금 더 크다. 그리고 원하는 출력전압 5V 에 더 가깝다. 이는, 레귤레이터의 기능을 하는 제너다이오드 자체를 사용하였을 경우와 이 기능을 하는 등가회로를 모델링 하여 사용하였을때의 차이로 볼 수 있 는데 등가모델링의 경우 동일한 기능을 하는 회로를 구성하였다 하더라도 그 기능면에서는 실제의 원 소자보다는 떨어진다는 것을 알 수 있다.

University of Incheon– 43 – -The End-