Chapter 11 사이리스터와 그 외의 소자들

목 표 Shockley 다이오드의 기본 구조와 동작 실리콘 제어 정류기의 기본 구조와 동작 및 SCR의 응용 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

11-1. 기본적인 4층 소자 사이리스터 - 4층 다이오드(쇼클리 다이오드)는 4개의 반도체 층인 2개의 pn 접합 형태 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 Fig 11-1a&b construction and symbol 4층 다이오드 4층 다이오드의 등가 회로 4층 다이오드 등가 회로의 전류

이 영역에서는 매우 높은 순방향저항에 의해 오프 상태 순방향 블로킹 영역은 VAK=0V~VBR(F) 특성곡선 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 4층 다이오드의 특성 곡선 Fig 11-4 characteristic curve

이장 발진기(relaxation oscillator) 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

11-2. 실리콘 제어 정류기(SCR) 실리콘 제어 정류기(silicon-controlled rectifier ; SCR) 4층 다이오드와 비슷한 pnpn 소자 – 게이트 단자가 추가됨 Fig 11-7a&b scr construction and symbol 실리콘 제어 정류기(SCR) SCR 등가 회로

정(+)의 전류펄스가 게이트에 인가되면 두 개의 TR은 ON 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 Fig 11-7a&b scr construction and symbol 등가 스위치로서의 SCR의 Turn - on

SCR의 특성곡선 Fig 11-7a&b scr construction and symbol SCR의 특성곡선

트리거 펄스가 제거된 후 게이트가 0V가 되어도 SCR은 오프되지 않고 순방향 도통 영역에 존재 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 Fig 11-7a&b scr construction and symbol 양극 전류 중단법 강제 전환법

11-3. SCR의 응용 전류의 On-Off 제어 반파 전력 제어 Fig 11-13 SCR switching circuit

위상 제어 회로의 동작 Fig 11-13 SCR switching circuit 전류의 화살표 방향은 반대

정전을 대비한 조명 시스템 Fig 11-13 SCR switching circuit 전류의 화살표 방향은 반대

과전압 보호 회로 Fig 11-13 SCR switching circuit 전류의 화살표 방향은 반대

11-4. 다이악과 트라이악 다이악과 트라이악은 양방향으로 전류를 흘릴 수 있는 사이리스터의 한 유형 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 Fig 11-21a&b and 22

다이악 다이악 특성곡선 전류의 화살표 방향은 반대 Fig 11-21a&b and 22 다이악 등가회로와 바이어스 조건

게이트 전류의 펄스에 의해서 턴-온 될 수 있고 다이악과 같이 도통을 시작하기 위한 브레이크 오버 전압은 필요 없음. 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 Fig 11-24 triac 트라이악 트라이악 특성곡선

전류의 화살표 방향은 반대 Fig 11-24 triac 트라이악의 양방향 동작

응 용 – 트라이악 위상제어 회로 트라이악 위상 제어 회로 기본적인 트라이악 위상 제어 트라이악 턴-오프 구간 응 용 – 트라이악 위상제어 회로 트라이악 위상 제어 회로 기본적인 트라이악 위상 제어 Fig 11-28 triac phase control 트라이악 턴-오프 구간

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 Fig 11-30 SCS schematic diag. 실리콘 제어 스위치(SCS)

SCS 동작 Fig 11-30 SCS schematic diag. SCS의 다른 Turn-off 방법

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 Fig 11-33a&b construction and symbol UJT 등가 회로 단일 접합 트랜지스터(UJT) 등가회로 해석 - 베이스 단자간의 총 저항

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 Fig 11-34a UJT eq. circ. Fig 11-35 UJT curve UJT 특성곡선

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 : Fig 11-34a UJT eq. circ. Fig 11-35 UJT curve UJT 이장발진기와 파형

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 Fig 11-39 PUT construction and symbol PUT 구조와 기호

트리거 전압 조정 응 용 - 이장발진기 Fig 11-40a&b

11-8. 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) IGBT는 FET와 BJT의 특성이 조합된 소자로 MOSFET의 입력특성을, BJT의 출력특성을 가짐. 고압, 고전류 스위칭 응용에 사용 특성 IGBT MOSFET BJT 입력구동형태 전압 전류 입력저항 높다 낮다 동작주파수 중간 스위칭속도 빠르다(ns) 늦다(μs) 포화전압 Fig 11-42 IGBT 기호

11-9. 광 트랜지스터 광 트랜지스터는 베이스 전류가 전압대신에 빛으로 생성되는 것을 제외하면 BJT와 유사 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 ⇒ 컬렉터 전류 생성 IC=βDCIλ 광 트랜지스터 Fig 11-42a phototransistor schem. Symbol Fig 11-43 structure 광 트랜지스터 칩의 구조

광 달링턴 – 높은 전류이득 때문에 많은 컬렉터 전류 생성하고 높은 감광성 광 트랜지스터의 컬렉터 특성곡선 광 트랜지스터의 스펙트럼 응답 광 달링턴 – 높은 전류이득 때문에 많은 컬렉터 전류 생성하고 높은 감광성 Fig 11-44 phototransistor and curves 광 달링턴

광 구동 릴레이 회로 빛 차단 경보 장치 빛 차단 릴레이 회로 Fig 11-44 phototransistor and curves

11-10. LASCR LASCR는 빛에 의해 트리거 될 수 있다는 점을 제외하고는 SCR과 동일하게 동작 Fig 11-50a LASCR symbol LASCR LASCR 회로

11-11. 광 결합기 광 결합기는 LED나 레이저 다이오드와 같은 광 소자를 사용 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 Fig 11-52b Device with ext. connections 광 트랜지스터를 사용한 광 결합기

Fig 11-52b Device with ext. connections 광 결합기의 일반적인 유형

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 Figure 11-62 광 섬유 데이터 통신 링크의 블록 구성도