제너 다이오드 저항 계산기
제너 다이오드로 간단한 전압 기준이나 레귤레이터를 만들 때 필요한 직렬 저항과 소비 전력을 구합니다.
최소 제너 전류는 데이터시트의 시험 전류(Izt)의 10~25% 정도로 잡습니다.
공식과 주의점
Rs = (Vs − Vz)/(IL + Iz). 계산값보다 조금 작은 표준값을 써야 전류가 부족하지 않습니다. 부하가 빠지면 모든 전류가 제너로 흘러서 제너 발열이 가장 커지니, 제너 정격은 무부하 기준으로 고릅니다.
풀이 예제: 12 V에서 5.6 V 만들기 (부하 20 mA)
- 직렬 저항: Rs = (Vs − Vz)/(IL + Iz) = (12 V − 5.6 V)/(20 mA + 5 mA) = 256 Ω → 바로 아래 표준값 240 Ω
- 전체 전류 26.7 mA, 저항 전력 171 mW → ½ W 저항
- 부하가 빠지면 제너가 149 mW를 받으니 그보다 정격이 큰 제너(예: 1 W)를 씁니다. 최소 부하 저항은 (Vz)/(It − Iz) = 258 Ω입니다.
제너 전압별 직렬 저항 표 (12 V, 20 mA)
| Vz | Rs | E24 | 전체 전류 | 저항 정격 | 무부하 제너 전력 | 최소 부하 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Vz3.3 V | Rs348 Ω | E24330 Ω | 전체 전류26.4 mA | 저항 정격½ W | 무부하 제너 전력87 mW | 최소 부하154 Ω |
| Vz5.1 V | Rs276 Ω | E24270 Ω | 전체 전류25.6 mA | 저항 정격½ W | 무부하 제너 전력130 mW | 최소 부하248 Ω |
| Vz5.6 V | Rs256 Ω | E24240 Ω | 전체 전류26.7 mA | 저항 정격½ W | 무부하 제너 전력149 mW | 최소 부하258 Ω |
| Vz6.2 V | Rs232 Ω | E24220 Ω | 전체 전류26.4 mA | 저항 정격½ W | 무부하 제너 전력163 mW | 최소 부하290 Ω |
| Vz9.1 V | Rs116 Ω | E24110 Ω | 전체 전류26.4 mA | 저항 정격¼ W | 무부하 제너 전력240 mW | 최소 부하426 Ω |
전원 12 V, 부하 20 mA, 최소 제너 전류 5 mA 기준입니다. 실제 회로에서 최소 부하 저항보다 작은 부하를 걸면 어떻게 되는지는 실측으로 확인했습니다. 직렬 저항 100 Ω, 10 V 회로에서 계산한 최소 부하는 약 127 Ω이었고, 100 Ω 부하에서 출력이 4.964 V로 떨어졌습니다(제너 정전압 가이드).
실험대에서 확인: 최소 부하 저항은 진짜다
아래 숫자는 이 사이트 운영자가 실험 수업에서 직접 기록한 값에서 계산했습니다. 측정값은 고치지 않았습니다.
실험 수업에서 10 V 전원, 100 Ω 직렬 저항, 5.6 V 제너 다이오드로 만든 레귤레이터에 부하를 바꿔 달며 잰 값입니다. 직렬 저항 전압과 출력 전압을 재서 R 전류(VR ÷ R)와 부하 전류(Vo ÷ RL)를 구했고, 제너 전류는 그 차입니다. 이 계산기의 식대로 보면 100 Ω 직렬 저항의 전체 전류는 44 mA이고, 계산기가 알려 주는 "최소 부하 저항"은 Vz ÷ 44 mA = 127 Ω입니다.
| 부하 RL | 출력 (실측) | IL | IZ (차) | 계산상 예상 |
|---|---|---|---|---|
| 부하 RL100 Ω | 출력 (실측)4.964 V | IL49.6 mA | IZ (차)460 µA | 계산상 예상정전압 깨짐 |
| 부하 RL470 Ω | 출력 (실측)5.617 V | IL12 mA | IZ (차)31.4 mA | 계산상 예상정전압 |
| 부하 RL1 kΩ | 출력 (실측)5.605 V | IL5.61 mA | IZ (차)37.6 mA | 계산상 예상정전압 |
| 부하 RL3.3 kΩ | 출력 (실측)5.672 V | IL1.72 mA | IZ (차)41.3 mA | 계산상 예상정전압 |
| 부하 RL없음 | 출력 (실측)5.668 V | IL0 | IZ (차)43 mA | 계산상 예상정전압 |
- 최소 부하보다 작은 100 Ω: 출력이 4.964 V로 떨어졌고, 제너 전류는 460 µA로 측정 오차 수준이라 사실상 꺼졌습니다. 출력은 그냥 두 저항의 분배(5.00 V)에 가까워졌습니다. 계산기의 경고와 같은 결과입니다.
- 470 Ω 이상: 부하가 7배 바뀌는 동안 출력은 5.605~5.672 V로 67 mV 안에서만 움직였습니다.
- 부하가 없을 때: 제너 전류 43 mA, 제너 전력 0.244 W로, 계산기가 말하는 '부하가 빠졌을 때 제너 전력'(0.246 W)과 거의 같았습니다. 제너 정격은 이 값을 기준으로 고릅니다.
부하 범위 전체의 분석과 PSpice 비교는 제너 레귤레이터 가이드에 있습니다.
제너 레귤레이터 설계 실전
부하 전류에서 직렬 저항까지
- 전원 전압(가장 낮아질 때 값), 제너 전압, 부하 전류를 입력합니다.
- 직렬 저항값과 그때의 제너 전류를 읽습니다.
- 저항과 제너의 전력을 확인합니다. 특히 부하를 뺐을 때를 보세요.
실패하는 제너 설계
- 부하가 있을 때만 보고 제너 고르기. 부하를 빼면 저항 전류가 전부 제너로 흐릅니다. 제너의 정격 전력은 이 최악의 경우를 감당해야 합니다.
- 제너 전류가 너무 작아지게 두기. 무릎 전류 아래로 내려가면 제너가 전압을 잡지 못하고 출력이 떨어집니다. 최대 부하와 최저 전원에서도 수 mA는 흐르게 하세요.
- 전원 공급용으로 쓰기. 제너 레귤레이터는 항상 전력을 낭비하고 작은 부하만 감당합니다. 수십 mA를 넘으면 선형 레귤레이터 IC를 쓰세요.
허용오차·잡음·정밀 기준전압
제너 전압에는 허용오차(흔히 ±5%)가 있고 전류와 온도에 따라 바뀝니다. 3~4 V 근처의 낮은 제너는 무릎이 특히 완만합니다. 제너 양단에 100 nF 커패시터를 달면 잡음이 줄어듭니다. 정밀한 기준 전압이 필요하면 TL431 같은 션트 레퍼런스가 같은 일을 훨씬 잘합니다. 제너 레귤레이터 가이드에서 부하가 크면 출력이 왜 무너지는지 숫자로 보여 줍니다.
계산 예: 전원 전압이 변할 때
5.1 V 제너(1N4733A)를 11 V에서 13 V 사이로 변하는 전원에 연결하고, 부하는 0에서 10 mA까지 씁니다. 먼저 최악의 경우, 즉 가장 낮은 전원과 가장 큰 부하에서 제너에 5 mA가 남도록 설계합니다. Rs = (11 V − 5.1 V)/(10 mA + 5 mA) = 393 Ω이므로 390 Ω을 씁니다. 11 V, 최대 부하에서 제너에는 5.1 mA가 남습니다.
그다음 반대쪽 끝, 가장 높은 전원에 부하가 없는 경우를 확인합니다. 저항 전류는 (13 − 5.1) ÷ 390 = 20.3 mA이고 모두 제너로 흐르므로, 제너 소비 전력은 5.1 V × 20.3 mA = 103 mW로 1 W 정격에 한참 못 미칩니다. 저항은 160 mW를 소비하므로 0.5 W 저항이면 열 걱정이 없습니다.
출력이 얼마나 움직이나
제너는 완벽한 전압원이 아닙니다. 무릎 전압 위에서는 전압원에 작은 동저항이 직렬로 붙은 것처럼 동작하며, 1N4733A는 시험 전류 49 mA에서 약 7 Ω이고, 여기처럼 몇 mA에서는 더 큽니다. 위의 양 끝 사이에서 제너 전류는 5.1 mA에서 20.3 mA로 바뀌므로 출력은 적어도 15.2 mA × 7 Ω ≈ 0.11 V 움직입니다. 비교기에 들어가는 기준 전압이라면 괜찮지만 ADC 기준 전압으로는 부족합니다. 0.1 V도 크다면 TL431 같은 션트 레퍼런스를 같은 회로에 쓰세요. 동저항이 1 Ω보다 훨씬 작습니다.
자주 묻는 질문
제너 전압이 예상보다 낮게 나오는 이유는?
제너에 흐르는 전류가 너무 적으면 전압을 유지하지 못합니다. 부하 전류가 최대일 때도 제너 전류가 충분히 남도록 직렬 저항을 정하고, 표준값은 계산값보다 조금 작은 것을 쓰세요.
제너 레귤레이터는 효율이 좋은가요?
좋지 않습니다. 부하가 없어도 입력과 출력의 전압 차만큼 저항과 제너에서 전력이 버려집니다. 기준 전압이나 작은 전류용으로 적합하고, 수십 mA 이상이면 리니어 레귤레이터나 스위칭 컨버터를 쓰세요.