PART7반도체 기본회로
실험 5 :LED 특성
이론
LED의 특성 : 발광 다이오드의 구조는 갈륨의 화합물인 갈륨비소(GaAs), 갈륨 인(GaP)등 발광하기 쉬운 성질을 갖고 있는 재료로 접합되어있으며, 이 다이오드에 순방향 전압을 걸면 전자와 정공이 재결합하여 녹색, 적색, 황색등의 빛이 난다.
극성 판별 방법 : 발광 다이오드 역시 다이오드와 같이 극성을 정확하게 판별하여 바르게 꽂아 납땜해야 빛이 난다. 극성이 반대로 되면 빛이 나지 않는다. 발광다이오드를 살펴보면 두 개의 리드선이다. 이 중 한 개의 리드선이 다른 한 개에 비해 짧게 되어 있는데 짧은 쪽이 N형 반도체로 캐소드(cathode : K)를 의미한다. 다리의 길이가 짧으면, led이 내부를 확인한다. (led는 투명해서 내부가 보임.) 그럼 다리 부분이 왼쪽 그림과 같이 보일 것임. 여기서 90%가 (+) 극성이고 10%은 (-)극성이다. 그리고 마지막으로 테스터기를 이용하여 극성을 판별할 수 있다.
LED 의 구성 요소
다이오드는 한 방향으로만 전류가 흐를 수 있으며, 전류가 흐를 때 다이오드 양단은 기본적으로 정전 압 특성을 보인다. 즉, 저항처럼 전류에 비례하는 전압강하가 생기는 것이 아니라, 전류가 얼마나 흐르느냐에 무관하게 일정한 전압강하를 보이게 된다. 그래서 다이오드의 전류-전압 그래프를 보면 전압이 0에서부터 증가하여 어느 선을 넘을 때까지는 전류가 거의 흐르지 않다가, 그 선을 넘으면서 전류가 거의 수직으로 급격히 증가하게 되는데, 마치 약간의 전압이 걸린 채로 단락된 것과 비슷하며, 이와 같은 정전압 강하 특성이 강한 다이오드를 특히 스위칭 다이오드라고 한다.
물론, 실제적인 다이오드는 전류가 증가함에 따라 아주 약간의 전압증가가 따르게 되며 전류가 어느 한도 이상으로 증가하게 되면 지나친 발열로 소자가 파손되기도 한다.
LED는 Light Emitting Diode의 약자로 번역을 하면 발광 다이오드이다. 이와 같은 이름에서 알 수 있듯이 LED도 원래 다이오드인데, 빛이 나오는 다이오드이다. 그래서 스위칭 다이오드보다는 약하지만, LED에도 기본적으로 전류에 무관한 전압강하를 보인다는 다이오드의 특성이 남아있으며, 그 빛의 밝기는 흐르는 전류에 비례한다. LED의 사양에는 항상 몇 V에 몇 mA라는 식으로 전류와 전압이 함께 표시된다. 제조업체에 따라 약간씩은 다르지만 적색의 다이오드는 대개 1.6V 정도의 전압에서 동작하는 반면 청색이나 백색은 그 보다 높은 3.5V 정도에서 동작하며, 대략 20mA 정도의 정격전류에서 동작을 한다. 여기서, 정격 전류란 소자의 성능이 최대한 발휘되면서 연속적으로 동작시켜도 안정성이 보장되는 전류를 의미한다.
앞에 언급하였듯이, LED는 다이오드의 특성을 가지고 있기 때문에 정격 동작전압보다 조금이라도 높은 전압이 걸리면 과전류가 흐르면서 파손될 수 있다. 예를 들어, 3V 20mA의 LED에 3.2V 전압을 연결하면 다이오드의 특성상 정격 전류보다 훨씬 많은 전류가 흐르면서 파손될 수가 있는 것이다.
실제의 경우에는, LED는 스위칭 특성이 약해서 전류가 증가함에 따라 스위칭 다이오드의 경우보다 좀 더 많은 전압이 올라가기 때문에, 앞의 예에서 처럼 3V 짜리에 3.2V를 연결한다고 해서 쉽게 망가지지는 않지만, 이와 같은 용법은 다이오드의 기본 특성을 무시한 것이기 때문에 권장하지 않으며, 전문가를 통한 충분한 신뢰성 테스트를 거친 후에나 생각해 볼 방법이다.
그대신, LED는 직렬로 저항을 연결하여 사용하는 것이 정석이다. 예를 들면, 3V 20mA 정격의 LED를 5V 전원으로 구동하고자 하는 경우라면, 정격을 초과하는 전압이 2V가 되므로, 20mA의 전류에서 2V의 초과 전압을 감당하게끔 R=2V/20mA=100옴의 저항을 직렬로 연결하여 사용한다.
이 저항은 기술적으로 표현하면 전압원을 전류원으로 바꾸어주는 trans conductance의 역할을 하는 것이다.
예를 들어, LED+직렬저항 양단의 전원전압이 변화한 경우, LED의 전압은 거의 일정하기 때문에 직렬저항 양단의 전압만 변화하게 되어 변화된 전압에 비례하는 만큼 전류가 변화하여 LED의 밝기를 조절할 수 있게 된다.
실험 과정
1. LED의 특성을 실험하기 위해 M07의 block a를 사용하여 그림 7-21과 같이 회로를 구성한다.
2. 별도의 디지털 멀티미터의 전류 측정 기능을 이용하여 LED에 흐르는 전류의 값이 1mA가 되도록 입력전압을 조절한다. 이 전류가 다이오드에 흐르는 순방향 전류(IF)이다.
3. LED의 양단에 DC 전압계를 연결하고, 표 7-9의 순방향 전류 변화에 따른 LED 전압을 측정하고 해당란에 기록하시오.
tab1실험 7-5.1 LED 특성 측정
1.결선방법(M07의 block a)
1.회로 결선
block a에서 R1 좌측단자와 VR1 센터(중간) 단자 간을 황색선으로 연결한다.
2.전원 결선
M07 보드의 Variable Power V1 단자와 block a의 VR1 위 단자 간을 적색선으로 연결하고, COM 단자와 접지 간을 흑색선으로 연결한다.
3.계측기 결선
전류계 결선
별도의 Digital Multimeter의 전류 측정 기능을 사용하여 측정한다.
LED에 흐르는 전류 IF 측정 : block a의 SW1 우측 단자에 Digital Multimeter의 적색선을 연결하고, LED 위 단자에 흑색선을 연결한다.
전압계 결선
입력 전압측정 : block a에서 저항 R2의 좌측 단자와 전면패널 Signal Input CH A의 A+ 단자 간을 적색선으로 연결하고, 접지 단자 와 A- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
LED 양단 전압 VF 측정 : block a에서 LED의 위 단자와 전면패널 Signal Input CH B의 B+ 단자 간을 적색선으로 연결하고, 접지 단자 와 B- 단자 간을 흑색선으로 연결한다.
2.결선도
flash
3.측정방법
- 1Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 variable power를 클릭하고, 3 CH DC 탭을 선택한다.
DC Voltage 1에서 오른쪽의 를 클릭하여 가 되도록 설정한다.
을 클릭하여 DC 10V의 출력을 Block a 입력에 가한다.
- 2Touch LCD 패널에서 좌측 메뉴에서 analog input를 선택하고 Voltage & Ampere Meter 탭을 클릭한다.
CH A, CH B 각각의 , , 를 클릭한다.
- 3VR1을 조정하여 표 7-9과 같이 별도 Digital Multimeter에서 지시되는 순방향 전류값 IF 일 때, Voltage & Ampere Meter 측정되는 입력전압(CH A)과 LED 양단의 전압(CH B)( VD )을 표 7-9에 기록한다.
- 4측정이 끝나면 을 클릭하여 출력을 차단한다.
실험 결과 보고서
1. 실험 결과표
2. 검토 및 정리
1) 표 7-9을 이용하여 I-V 특성곡선을 작성한다.
2) LED에 흐르는 전류을 이용하여 R2 저항 470의 전압강하를 계산하여 기록하고 전체 전압을 계산한다.
VR =470 x IF , VT =VR +VF