[햄린이의 무선공학] 다이오드
앞서 저항과 컨덴서 그리고 코일에 대해 얘기 했어. 근데 한달 내내 기본 소자이야기 만 하려니까 좀 지겹다. 글쓰는 사람도 지겨운데 글읽는 사람은 더 그럴거 같네. 기왕 하던 거니까 회로를 구성하는 기본 소자는 얼렁 끝내기로 할께. 이번 편에서 다이오드와 트랜지스터를 끝으로 기본 부품 얘기는 끝내기로 할께. 진공관은 구경하기도 힘든 물건이니까 생략 하겠어.
'반도체'는 이미 여러번 얘기 했던 것이니 다시 얘기하면 잔소리가 될 것 같아. 그래도 한마디 하자면 어떤 조건에서는 도체가 됐다가 어떤 조건에서는 부도체가 되는 요상한 물질이지. 그 조건이란 것이 뭐냐면 직류전압이야. 그러니까 일부러 전압을 가하지 않으면 그냥 돌덩어리인 물질이지. 뭐 이런 요상한게 있냐면 원래 없었지. 지난 세기 중반 쯤(1960년대) 인간이 만들어 낸거지. '일부러 전압을 가한다'를 '바이어스를 가한다'고 말해.
반도체는 P형과 N 형이 있는데, 전자(electron)가 넘쳐나는 물질을 N형, 전자가 모자라게(구멍이 많게) 만든 반도체를 P형 이라고 하지. 전지로 바이어스를 가할 때 N에다가 (-)극을 P에다가 (+)극을 연결한다고 외우자. N은 네가티브(Negative), P는 포지티브(Positive) 라고 하면 쉽지. 우리 '햄린이'가 반도체에 대해서 알아야 할 것은 이게 다야. 뭔가 좀 있는체 해볼겸 그래프 하나만 볼까봐. 간단한 수식을 읽기 그리고 그래프 보기를 익히면 남들한테 아는체 할때 어깨에 힘주기 좋다는거 잘 알지?
일단 도체든, 부도체든, 반도체든 모든 물질은 전류의 흐름을 막아선 저항체(Resistor)야. 전압과 전류의 관계는 옴의 법칙(Ohm's Law)으로 설명되지. 도체(Conductor)는 저항이 0에 가까워서(R→0) 전압을 가하면 전류가 순식간에 무한대(I→∞)로 흐르지. 부도체(Non-Conductor)는 저항이 무한대(R→∞)에 가까워서 전압을 아무리 높이 가해도 전류가 흐르지 않아((I→0). 반도체(Semi-Conductor)는 전압을 가하면 전압치에 따라 전류 흐름이 증가하는 물질이야. 그러니까 전압으로 전류의 흐름을 조절할 수 있는 가변저항이라고 할 수 있어. 그런데 이게 방향성이 있다는 거야.
반도체에 대해 더이상 알고 싶다면 검색해봐. 그런데 검색해봐야 더 알고싶진 않을꺼야. 더 알 필요도 없을거고. 이 물건을 도데체 어따 쓰는지 만 알아두자.
다이오드
다이오드(diode)는 P형 반도체와 N형 반도체를 붙여 놨어. 다리(-ode)가 두개(di-) 달린 반도체 소자라는 뜻이야. P형 반도체 측의 전압이 N 형 반도체 측의 전압보다 높으면 전류가 잘 흐르는데 반대로 하면 전류가 흐르지 않아.
반도체의 극성이 있다고 했잖아. 이게 바로 그 원리를 이용한 거지. 다이오드는 정류, 그러니까 교류에서 직류 성분 만 걸러내는 용도로 사용되지.
그런데 저렇게 절반만 걸러내면 빈공간이 너무 많잖아. 그래서 다이오드를 복수개로 써서 빈곳을 채우고 컨덴서를 써서 굴곡을 줄이면 직류를 만들 수 있어. 이때 교류 전압을 낮추기 위해 코일을 겹으로 감은 트랜스(transformer)를 쓰고 있어. 코일의 또다른 용도지. 코일을 근접시켜 놓으면 교류전류를 전달할 수 있어서 전선 없이도 전기장 유도작용으로 전력을 전달하는데 무선 충전기의 근본 원리야.
트랜스를 '변성기'라고도 하는데 교류의 성질을 바꿔 놓았다는 거야. 겹쳐감은 코일의 횟수 비로(n1/n2) 전압차(V1/V2)를 만들 뿐만 아니라 위상도 180도 바꿔 놓거든. 그래서 양파정류가 가능하지.
또다른 용도로는 광석 라디오에서 검파용으로도 쓰인다고. 왜 이렇게 다이오드로 직류성분만 잘라내냐면 말이지.... 스피커의 진동판(크리스털 진동판의 피에조도 마찬가지)을 울려서 소리를 내야 하는데 안테나에서 잡아낸 고주파 교류는 음의 전압과 양의 전압이 대칭인 신호잖아. 양쪽에서 진동판을 잡아 당기면 진동판이 떨지 못하지. 그래서 정류해서 양의 전압 진동만 사용하는거야. 다이오드 뒤의 컨덴서는 고주파 성분을 빼내고 포락선을 만드는 용도지. 어짜피 진동판은 고주파에 반응할 정도로 민감하지 못해서 이 컨덴서는 생략되기도 해.
반도체 특성을 보이는 물질로 게르마늄, 셀렌, 아산화동 등이 있다고 해. 금속을 아산화('약간 산화') 시키면 반도체 물질의 특성을 보인다는 것은 아주 오래전부터 알려졌거든. 그래서 면도날을 불에 달궈 식히면(산소가 스며들어 시커멓게 됨) 반도체 성질을 띄게 되고 여기에 흑연(연필심)을 접촉 시켜 다이오드처럼 되서 전시 비상용 방송 수신기로 사용하는 맥가이버가 라디오가 되는거야. 폭스홀 라디오(Fox-hole radio)라고 아주 널리 알려져 있어. 동조회로가 큰 역활을 하는데 중파용 동조회로용 코일을 감으려면 힘개나 들껄? 그나저나 증파대에서 AM 방송이 조만간 끝난다고 하니 역사속으로 사라질 것 같네. 아 그리고 상식으로 알아둬. 금속이 녹슨다는 것은 산소를 머금어 굳어지는 거잖아. 원치 않게 검파회로가 만들어져서 그래. 근처에 강력안 전파원이 있다면 동조회로 없이도 검파 되버리거든. 그래서 RFI 방지 대책으로 오래된 앰프의 단자에 접촉부를 닦아주면 해결된다고 하지.
https://youtu.be/g4j1QsUNrM4
그리고.... SSB 변조와 복조 방식으로 평형 변조니 프로덕트 검파니 하는 소리 들어 봤을거야. 여기에서도 다이오드가 큰 활약을 하지. 이에 대해서는 나중에 송수신기 편에서 다뤄보기로 하자. 궁금하다면... 여기 참조 [링크]
제너 다이오드
제너 다이오드는 순방향 전압에 대해서 보통 다이오드와 같은데 역방향 전압이 걸리면 조금 이상한 행동을 하지. 역방향 전압이 걸리면 전류 흐름이 차단 되어야 하는데 특정 역방향 전압에서 갑자기 차단 능력을 잃어버리고 저항이 되버리는 거지. 아래 그림을 보자. a=3.3v 인 제너 다이오드가 역전압 5v에 걸려 있지. 역전압이 3.3 볼트를 넘었으니 마치 분압 회로처럼 작동 하게된다. 만일 외부전압이 5볼트에 고정되어 있지 않고 3.3볼트를 넘어서 오락가락 하더라도 제너 다이오드는 딱 3.3v 에 맞춰 차단저항 R_z이 급격히 떨어지거든. 그래서 이런 작동을 정전압 다이오드라고 불리지.
바렉터 다이오드
바렉터 다이오드는 역전압이 걸릴경우 P-N 접합 사이에 정전용량이 생기는 다이오드야. 마치 가변 컨덴서 처럼 작동해서 바렉터(VARACTER, Variable Capacitance Rectifier)라고 하지. 역전압의 전압 크기에 따라 정전용량이 미세하게 변해서 소량 트리머 대신 사용되고 있어.
사실 모든 다이오드는 역전압이 걸리면 약간의 정전용량을 가지게 되. 아래 회로는 Sputnik 라는 재생식 수신기의 회로도 거든. D3는 12볼트를 9.1볼트로 전압강하 시켜주는 역활을 하는 제너 다이오드야(녹색 표시). D4와 D5는 정류용으로 흔히 사용되는 다이오드 인데 역전압을 걸어서 마치 바렉터처럼 쓰고 있어(청색 표시). 바렉터용으로 만들어진 다이오드가 아니라서 한개로는 정전용량이 모자라니까 두개를 쓴거야.
그리고 D6과 D7은 좀 이상해 보이지? RF 감쇄기(atteneuator)용으로 달아놓은 것인데 사실 꼭 필요한 것은 아냐. 다이오드에 순방향 전압이 어느정도 넘어가면 마치 도체처럼 작동 하는데, 실리콘 다이오드는 0.6-0.7볼트 정도이며, 쇼트키 다이오드는 0.2~0.4볼트, LED의 경우에는 1.4볼트 정도(종류와 전류의 양에 따라 달라짐)이다[출처].
동조회로에서 맞춰진 고주파 신호의 전압은 아주 낮게 마련이지. 그래서 미약한 고주파 신호를 증폭하기 마련이야. 그런데 인근에 아주 강력한 송신기(방송국)가 있다면 증폭기가 폭주해서 발진해 버리는 수가 있거든. 그래서 감쇄기를 달아주는 거야. 위의 Sputnik 수신기에서 D7, D6은 송신기를 옆에 두고 무전기를 구성할 때 송신기에서 유입될 막강한 신호를 막아내려고 달아 놓은 거야.
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이런~ 이런~~~ 트랜지스터까지 마칠려고 했더니 분량조절 실패다. 이만 다이오드로 끝내고 트랜지스터는 다음 편으로 미뤄야 겠어. 기왕 트랜지스터를 다룰 거니까 증폭과 발진 회로까지 나가 볼까봐.... 그나저나 기왕 재생식 수신기 회로를 여러번 들여다 보는 중인데 다함께 만들어보는건 어때?
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[뱀발] 어느 햄린이가 아마추어 무선국 차릴려면 얼마나 있어야 하는지 물어보길래 최소비용 무선국 꾸미기 프로젝트도 생각중이야. 단일 밴드 전용 CW모드 저전력 무선국을 송신기, 수신기, 패들, 키어, 적정 SWR 감지기, 안테나 까지 모두 자작하면 십만원대로도 가능 하겠더라구. 사실 100와트 급이라 해도 교신이 이뤄지는 횟수 얼마 않되잖아. 차라리 1와트 미만(자작 송신기라도 변경신고 면제대상 이던데 무선국 개설 허가는 어떻게 될지 모르겠네....)의 저전력 무선국으로 수십~수백 킬로(운좋으면 천킬로!) 떨어진 인근 햄하고 교신 하는 희열의 즐겨보는건 어떨까 싶네. 아래 영상을 봐바...... 막 해보고 싶지 않아?
https://youtu.be/6rKpxAWZ7uM
https://youtu.be/35TRM-uGWsY
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