실험 가이드
제너 정전압 회로가 무거운 부하에서 무너지는 이유
1N4734 시뮬레이션 결과로 최소 부하 저항과 제너·저항 발열을 계산합니다.
제너 다이오드 정전압 회로는 저항 하나와 제너 하나로 일정한 전압을 만듭니다. 그런데 부하를 너무 무겁게(저항을 작게) 걸면 출력이 갑자기 떨어집니다. 전원 10 V, 직렬 저항 100 Ω, 제너 1N4734(5.6 V)로 PSpice 시뮬레이션한 결과로 이유를 정리했습니다.
1. 제너는 아주 좁은 전압에서 켜진다
| 역방향 전압 | 전류 |
|---|---|
| 4.0 V | 90 nA |
| 5.0 V | 29.4 µA |
| 5.2 V | 95.2 µA |
| 5.3 V | 171 µA |
| 5.4 V | 313 µA |
| 5.5 V | 1.75 mA |
| 5.6 V | 44.9 mA |
5.4 V까지는 전류가 1 mA도 안 되다가, 5.5 V에서 5.6 V로 0.1 V 오르는 동안 전류가 약 26배 늘어납니다. 그래서 전류가 크게 변해도 전압은 거의 그대로입니다. 이게 정전압의 원리입니다.
2. 부하에 따른 출력
| 부하 RL | 출력 | 부하 전류 | 제너 전류 | R 전류 (Vs − Vo) / R |
|---|---|---|---|---|
| 100 Ω | 4.999 V | 50 mA | 29.1 µA | 50 mA |
| 470 Ω | 5.584 V | 11.9 mA | 32.3 mA | 44.2 mA |
| 1 kΩ | 5.592 V | 5.59 mA | 38.5 mA | 44.1 mA |
| 3.3 kΩ | 5.597 V | 1.7 mA | 42.3 mA | 44 mA |
| 없음 | 5.599 V | 0 A | 44 mA | 44 mA |
저항 R에 흐르는 전류는 (Vs − Vo) / R로 거의 일정한 약 44 mA이고, 이 전류를 부하와 제너가 나눠 갖습니다. 부하가 가벼우면 제너가 많이 가져가고, 무거우면 적게 가져갑니다. RL이 470 Ω 이상일 때 부하 전류가 0~11.9 mA로 변하는 동안 출력은 5.584~5.599 V로 15 mV만 변했습니다. 출력 저항으로 치면 약 1.26 Ω입니다.
3. 최소 부하 저항
부하 저항이 너무 작으면 제너를 빼고 R과 RL만의 분배 전압이 이미 5.6 V보다 낮아서 제너가 켜지지 않습니다. 경계는 다음과 같습니다.
RL,min = R · Vz / (Vs − Vz) = 100 Ω × 5.6 / 4.4 ≈ 127 Ω
시뮬레이션에서 100 Ω를 걸었을 때 출력이 4.999 V로 떨어지고 제너 전류가 29.1 µA뿐이었던 이유입니다. 실제 설계에서는 제너가 확실히 켜져 있도록 최소 제너 전류(데이터시트 시험 전류의 10~25%)를 남겨 두고 계산합니다. 제너 다이오드 저항 계산기가 이 조건으로 직렬 저항과 최소 부하 저항을 함께 구해 줍니다.
4. 부하가 없을 때가 가장 뜨겁다
- 제너: 부하가 없으면 R 전류가 전부 제너로 갑니다. 5.599 V × 44 mA ≈ 246 mW로, 1N4734 정격 1 W 안입니다.
- 저항: (Vs − Vo)² / R ≈ 194 mW입니다. 1/4 W 저항이면 정격의 77%라 뜨거워지니 1/2 W 이상을 쓰는 게 안전합니다.
5. 보고서에 쓸 때
- 부하 전류와 제너 전류의 합이 (Vs − Vo) / R과 같은지 확인하면 측정값 검산이 됩니다. 이 데이터에서는 모든 행이 0.1 mA 안에서 맞습니다.
- 정전압이 깨진 경우는 RL,min을 계산해 함께 적으면 고찰이 명확해집니다.
분배 전압은 전압 분배기 계산기, 저항 전력은 옴의 법칙 계산기로 확인할 수 있습니다.