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 다이오드는 전기적으로 양방향 전류를 통과시키지 않는 반도체 소자입니다. "다이오드"라는 용어는 "두 개의 전극"을 의미하는 그리스어인 "디오드"에서 유래되었습니다. 다이오드는 양방향 전류의 흐름을 제어하여 전류가 한 방향으로만 흐를 수 있도록 합니다.

다이오드는 P-N 접합이라고 불리는 두 개의 반도체 소자로 구성되어 있습니다. P-N 접합은 양극성 (P)과 음극성 (N)의 반도체를 접합시킨 것을 말합니다. P-N 접합에서는 P층의 과잉 전하와 N층의 부족 전하가 만나 전극 간의 전위차를 형성합니다.

다이오드의 동작 원리는 다음과 같습니다. P-N 접합에서는 양극성 반도체인 P층에는 "도너"라고 불리는 자유 전자가 많이 존재하고, 음극성 반도체인 N층에는 "홀"이라고 불리는 자유 전자가 많이 존재합니다. 이때, P층의 도너와 N층의 홀이 만나면 상호 결합하여 전하를 상쇄시킵니다. 이 과정에서 전위차가 발생하며, 이를 "정방향 전압"이라고 합니다.

정방향 전압이 인가되면 다이오드는 전류를 통과시키는데, 이때는 전류가 P층에서 N층으로 흐릅니다. 그러나 반대로 N층에 양방향 전압이 인가되면 다이오드는 전류를 차단하게 되어 전류가 통과하지 않습니다. 이를 "역방향 전압"이라고 합니다.

따라서, 다이오드는 전류의 방향을 제어하여 교류를 직류로 변환하거나, 전류의 흐름을 특정 방향으로 제한하는 역할을 수행합니다. 다이오드는 전자기기, 전력 변환, 통신, 조명 등 다양한 분야에서 사용되며, 전기 회로에서 중요한 소자로 여겨집니다.

 다이오드는 매우 다양하게 회로 분야에서 사용되고 있습니다. 그 종류는 일반 다이오드(diode), 정전압 다이오드(Zener diode), 정전류 다이오드(Current limiting diode), 쇼트키 다이오드(schottky diode)등이 있습니다.

제너 다이오드(Zener diode)

제너 다이오드 (Zener diode) 는 다이오드의 한 종류로, 역방향 전압에 대한 특정한 전압 값을 유지하도록 설계된 반도체 소자입니다. 제너 다이오드는 PN 접합 다이오드와는 달리 역방향 전압에서도 특정한 전압 값을 유지하며 동작합니다.

제너 다이오드(Zener diode) 는 역방향 전압이 일정한 값을 초과할 때, 전류를 제한하고 전압을 일정한 값으로 유지합니다. 이러한 특성은 제너 다이오드(Zener diode) 를 전압 안정화 장치로 사용할 수 있게 해줍니다. 또한 제너 다이오드(Zener diode) 는 주로 전원 공급 회로나 전압 조절 회로에서 사용되며, 안정화된 전압을 제공함으로써 다른 소자들이 안정적으로 동작할 수 있도록 합니다.

제너 다이오드(Zener diode) 는 다양한 전압 값과 전력 등급으로 제공되며, 이를 통해 다양한 전압 안정화 요구에 맞춰 선택할 수 있습니다. 또한, 전압 안정화 기능 외에도 전류 제한, 보호 등의 역할을 수행할 수 있습니다.

1. 제너다이오드 장점

 - 낮은 전압 : 낮은 전압을 가지고 있어 전압 강하가 작아지고, 따라서 전력 손실이 감소함
 - 정확한 전압 레귤레이션:  상대적으로 안정된 정향 전압을 유지하는 경향이 있어 정확한 전압을 유지하는데 효율적임
 - 온도 안정성 :  온도에 대해 상대적으로 안정적인 특성을 가지고 있어 다양한 환경 조건에서도 일관된 성능을 유지할 수 있게 해줌
 - 다양한 패키지 및 크기 :  다양한 패키지와 크기로 제공되어 다양한 응용에 적용될 수 있어 설계자들이 공간 및 레이아웃 요구 사항에 따라 선택할 수 있는 유연성을 제공
 - 장기 안정성 : 오랜 기간 동안 안정된 성능을 유지할 수 있어 장기적으로 안정된 전압 레귤레이션이나 신뢰성이 뛰어남

2. 제너다이오드 단점

- 높은 역방향 전류 : 역방향 전류가 비교적 높은 편임 이는 역방향으로 흐르는 전류가 상대적으로 크다는 것을 의미하며, 일부 응용에서는 역방향 전류를 제어해야 하는데 어려움이 있음
- 높은 역전압 허용 한계 : 높은 역전압을 허용하지 않음 따라서 고전압 응용에서 사용하기에는 적합하지 않음
- 높은 역전압 효과의 변화 : 역전압이 커질수록 특성이 크게 변화하는 특성이 있어 역전압이 상승함에 따라 다이오드의 특성이 예측하기 어려워짐
- 고주파 응용에서의 한계 :  고주파 응용에서는 성능이 떨어질 수 있음 따라서 고주파 응용에 적합한 다이오드를 찾아야 하는 문제가 있음

정전류 다이오드(Current limiting diode)

정전류 다이오드(Current limiting diode) 는 CRD라고 흔히 부르는데 전류의 크기를 제한하는 역할을 하는 반도체 소자입니다. 정전류 다이오드는 일반적인 다이오드와는 조금 다른 동작 특성을 가지고 있습니다. 

정전류 다이오드(Current limiting diode)는 특정한 전류 값에서 전압을 일정하게 유지하는데, 이를 통해 전류의 크기를 제한하고 제어할 수 있습니다. 일반적으로 Zener 다이오드와 유사한 역할을 합니다. 전압과 관계없이 일정한 전류를 흘리기 때문에 전류제한 저항이 필요없거나 정전류회로가 필요없어 회로가 간단해지는 장점이 있습니다. 하지만 가격이 비교적 고가이기 때문에 상용화 적용에는 무리가 있는 소자입니다.

1. 정전류 다이오드(Current limiting diode) 장점

- 과전류 보호 : 과다한 전류가 흐를 때 이를 제한하고 장치를 보호합니다. 이는 단락이나 단락 상태에서 발생하는 과전류로부터 장치를 보호함
- 단순한 회로 구성 :  별도의 전류 제어 회로를 구성하지 않고도 과전류 보호가 가능함
- 빠른 반응 속도 : 과전류 상태에서 빠르게 반응하여 회로 보호가 가능함
- 낮은 전압 강하 :  전류가 흐를 때 전압 강하가 낮은 특성을 가지고 있어 전원 회로에서의 전압 손실을 최소화 할 수 있음

2. 정전류 다이오드(Current limiting diode) 단점

- 고가 및 제한된 성능 범위 : 전류 제한 다이오드는 비용이 높다는 단점이 있음 특정 전류 범위 내에서만 효과적으로 작동하므로, 다양한 전류 요구 사항이 있는 응용에는 제한이됨
- 열 문제 : 과전류를 제한하기 위해 일부 전력을 소비하므로, 이는 열에너지로 변환됨 특히 고전류 응용에서는 열 문제가 더 커질 수 있어 적절한 열 관리가 필요함
- 전류 제한 값의 변경 어려움 : 제한된 범위에서만 조절이 가능하며, 원하는 특정 전류 값으로의 조절이 어려움

쇼트키 다이오드( Schottky diode )

쇼트키 다이오드(Schottky diode)는 전기적으로 연결된 두 개의 단자를 갖는 반도체 소자입니다. 이 다이오드는 정상적인 방향에서는 전류가 흐르지 않지만, 역방향으로 연결될 경우에는 전류가 흐릅니다. 이로 인해 쇼트키 다이오드는 역방향 전압에 대한 보호 기능을 제공하고, 전류의 흐름을 특정 방향으로 제한하는 역할을 합니다.

쇼트키 다이오드(Schottky diode) 는 주로 고주파 회로에서 사용되며, 정류기로서의 역할을 수행합니다. 즉, 역방향 전압이나 역전류가 발생할 경우에는 전류의 흐름을 차단하여 다른 소자들을 보호합니다. 또한, 쇼트키 다이오드는 저손실과 빠른 스위칭 속도를 가지고 있어서 고주파 신호 처리에 효과적으로 사용됩니다. 특히, 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 는 전압 강하가 낮아서 작동 전압이 상대적으로 낮아 전력 손실을 최소화하고 효율적인 에너지 변환을 가능하게 합니다.

1. 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 장점

- 빠른 스위칭 속도 :  전압이 낮을 때도 낮은 전압 강하(Voltage Drop)를 제공하여 손실을 최소화하고 효율을 향상시킬 수 있음
- 낮은 역전류 : 역전류(Reverse Current)가 낮은 특성을 가지고 있어 역방향 전류로 인한 손실을 줄여줌
- 작은 스위칭 손실 : 스위칭 손실은 스위칭 동작 중 발생하는 전력 손실을 의미하며 쇼트키 다이오드는 스위칭 손실이 효율성이 높음
- 높은 작동 주파수 : 고주파 응용에서 사용하기에 적합하며, 높은 주파수에서도 효과적으로 작동할 수 있음

2. 쇼트키 다이오드(Schottky diode) 단점

- 열 안정성 : 쇼트키 다이오드는 높은 온도에서는 역전류가 증가하고, 이는 전압 강하 및 손실의 증가로 이어짐
- 저전압 특성 :  전압이 낮을 때 더 효과적으로 작동함 높은 전압 응용에서는 전압 강하가 커질 수 있음

  FPGA는 "Field-Programmable Gate Array"의 약어입니다. FPGA는 사용자가 디지털 논리 회로를 프로그래밍하여 구성할 수 있는 반도체 칩입니다. 이러한 칩은 맞춤형 디지털 논리 회로를 구현하고, 프로토 타이핑, 가속화, 신호 처리 등 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있습니다.

FPGA는 미리 설계된 일련의 게이트, 레지스터 및 논리 블록의 배열로 구성되어 있습니다. 이러한 블록은 사용자가 원하는 방식으로 연결되고 프로그래밍될 수 있으며, 이를 통해 사용자는 소프트웨어적으로 하드웨어를 구성할 수 있습니다. FPGA는 다양한 소자와 시스템을 연결하고, 복잡한 논리 회로를 구현하는 데 사용됩니다.

FPGA는 다양한 산업 분야에서 사용되며, 특히 신호 처리, 통신, 영상 처리, 네트워킹, 자동차, 항공우주 등의 분야에서 널리 사용됩니다. FPGA를 사용하면 하드웨어를 수정하지 않고도 빠르게 디자인을 변경하고 프로토타입을 개발할 수 있으며, 성능과 유연성을 높일 수 있습니다.

그러나 FPGA는 전력 소모가 크고, ASIC(응용 특수 집적 회로)에 비해 제한된 리소스를 가지고 있으므로 모든 응용 분야에 적합하지는 않을 수 있습니다. FPGA는 특정한 요구사항에 맞게 프로그래밍할 수 있는 유연성과 속도를 제공하는 동시에, 제한된 리소스와 전력 소모에 대한 고려가 필요합니다.

 ASIC는 "Application-Specific Integrated Circuit"의 약어입니다. ASIC는 특정 응용 분야에 맞게 설계되어 제작된 특수 목적 칩입니다. 이러한 칩은 특정 기능을 수행하기 위해 최적화되어 있으며, 주로 고성능이 필요한 응용 분야에서 사용됩니다.

ASIC는 특정 애플리케이션에 최적화된 하드웨어 솔루션을 제공합니다. ASIC는 맞춤형 디자인이므로 특정 응용 분야에서 요구되는 기능을 정확하게 수행할 수 있습니다. 이를테면, 디지털 신호 처리, 암호화, 네트워킹, 센서 인터페이스 등 여러 분야에서 사용됩니다.

ASIC는 특정 응용 분야에 맞게 설계되기 때문에 매우 고도로 최적화되어 있습니다. 이는 ASIC가 높은 성능, 낮은 전력 소모, 작은 크기, 높은 신뢰성 등을 제공할 수 있는 이유입니다. ASIC는 대량 생산되는 경우에 비로소 경제적인 선택이 될 수 있으며, 특히 대규모 시스템이나 제품에 적합합니다.

그러나 ASIC는 디자인과 제작에 많은 비용과 시간이 소요되기 때문에, 초기 개발 비용이 높고 수정이 어렵습니다. 또한, 일반적으로 재사용성이 낮고 유연성이 부족한 단점도 있습니다. 이에 반해 FPGA는 프로그래밍 가능하고 재구성이 가능한 특성을 가지므로 개발 및 수정이 상대적으로 용이하며, 작은 규모의 생산이나 프로토타이핑에 적합합니다.

따라서 ASIC와 FPGA는 각각의 장단점을 가지고 있으며, 사용하고자 하는 응용 분야와 요구 사항에 맞게 선택되어야 합니다.

1. 프로그래밍 가능성:
FPGA: FPGA는 필드에서 프로그래밍 가능한 장치로, 사용자가 소프트웨어를 사용하여 특정 디지털 논리 회로를 구현할 수 있습니다. 이는 유연성을 제공하며, 디자인이나 프로토 타이핑 단계에서 적합합니다.
ASIC: ASIC는 특정 응용 프로그램을 위해 고정된 하드웨어로 설계되기 때문에 프로그래밍 가능하지 않습니다. 따라서 ASIC를 개발하려면 새로운 디자인을 위해 새로운 칩을 제조해야 합니다.

2. 생산 비용과 양산 시간:
FPGA: FPGA는 일반적으로 ASIC에 비해 생산 비용이 낮고 양산 시간이 짧습니다. 이는 빠른 프로토타이핑과 시장 진입을 가능케 합니다.
ASIC: ASIC는 생산 비용이 높고 초기 양산 시간이 길지만, 대량 생산 시에는 FPGA에 비해 비용이 낮아질 수 있습니다.

3. 성능:
FPGA: FPGA는 프로그래밍 가능한 특성으로 인해 일반적으로 ASIC에 비해 느린 속도와 낮은 에너지 효율성을 가질 수 있습니다.
ASIC: ASIC는 특정 응용에 최적화되어 있으므로 일반적으로 높은 성능과 높은 에너지 효율성을 제공할 수 있습니다.

4. 용도:
FPGA: FPGA는 프로토타이핑, 검증, 빠른 시장 진입 등의 용도로 사용됩니다. 또한 동적인 디지털 논리 회로가 필요한 응용 분야에서 유용합니다.
ASIC: ASIC는 특정 응용 분야에서 최적의 성능이나 에너지 효율성이 필요한 경우에 사용됩니다. 특히 대량 생산 시 경제적입니다.

요약하면, FPGA는 프로그래밍 가능하며 유연한 장치로, 빠른 프로토타이핑과 다양한 용도에 적합합니다. ASIC는 고정된 하드웨어로 설계되어 최적의 성능과 에너지 효율성을 제공하지만, 생산 비용이 높고 양산 시간이 길다는 특징이 있습니다.

 변압기란(Transformer) 말 그대로 전압을 바꾸는 기기를 뜻합니다. 전압의 압력을 변화시키는 기기라고 생각하면 될 것 같습니다. 영어로는 Transformer 혹은 Trans라고 부르며, 과거에는 일본에서 넘어오면서 도란스라고 불렸으나 정확한 용어는 트랜스포머(Transformer)입니다. 변압기(Transformer)의 구성으로는 실리콘 스틸 또는 비정질의 철심과 권으로 구성되어 있으며, 교류 전력을 받아 전자 유도 작용에 의해 전압으로 바꿀 수 있습니다. 철심에 두 권선을 감고 한쪽에 권선에 교류 전압을 인가하면, 철심 내부에 교번 자계가 발생하는 전자기 유도에 의해 다른 쪽의 코일에 교번 전압을 발생시킵니다. 변압기(Transformer)는 하나의 회로에서 교류 전압을 받아 변성된 전압을 다른 회로에 공급하지만 변압기를 사용하여 주파수는 바꿀 수 없습니다.

  전기는 발전소에서 만들어져서 일반 가정 또는 회사까지 오게 되는데 여라 가지의 과정을 거치게 됩니다. 이러한 과정을 거치는 이유는 발전소에서 일반 가정까지 전기를 보내기에는 전압이 너무 낮아서 낮은 전압으로 똑같은 전력을 보내기 위해서는 전선이 굵어지게 되고 중간에 많은 손실이 일어나기 때문입니다. 송전 방법으로는 발전소에서 대략 11KV 정도 만들어진 전압을 변전소를 통해서 765KV까지 승압을 시키고 먼 거리를 보내 다시 345,154KV로 강압을 시킵니다. 그다음 시내에 있는 변전소를 통해서 22.9KV로 낮추게 되면 전봇대에 전주를 통해 전기를 흘릴 수 있습니다. 일반 가정집은 220V를 사용하기 때문에 전봇대에서 다시 주상변압기를 통하거나 아파트 단지 같은 경우는 아파트 안에 있는 변압기를 통해서 가정에서 사용할 수 있는 220V를 만들어 줍니다.

 전기는 크게 AC(Alternating current), DC(Direct current)로 나누어집니다. AC(Alternating current)는 시간에 따라 주기적으로 크기와 방향이 변하는 전류 즉, 주파수를 가지고 있는 전류로 +,-단자를 구별하지 않습니다. DC(Direct current)는 연속 전류로 항상 같은 방향으로 흐르기에 별도의 주파수가 없고 +,-단자가 구분되어 있습니다. 그렇다면 교류 신호를 송전에 사용하는 이유는 뭘까? 변압기(Transformer)에 직류(DC) 전원을 걸었을 경우에는 자속의 변화가 없기 때문에 2차 측에 전압이 유도되지 않습니다. 그래서 과거에 에디슨과 테슬라가 논쟁을 했을 때 에디슨이 질 수밖에 없었던 이유는 테슬라의 이런 교류(AC) 시스템은 전압을 멀리 보낼 때 다운되더라도 변압기를 통해 승압을 시켜 멀리 보낼 수 있었습니다. 그리고 발전소를 시내 한가운데에 놓지 않고 산간지역 같은 먼 곳에서 전압을 오게 하고 다시 승압과 강압을 이용하여 전압을 사용할 수 있기에 현재 교류가 송전에 사용되었습니다. 

변압기(Transformer)의 주요 구성 재료로서 구리와 철이 있습니다. 금속 편인 철 덩어리에 구리선을 1차 측과 2차 측에 구리선을 감고 1차 측에는 전원을 2차 측에는 부하를 걸어주면 기본적인 구조가 됩니다. 전선은 전류가 흐르게 되면 자기장이 만들어지는데 앙페르에 오른손 법칙에 따라서 코일이 여러 번 감겨 있으면 그 자기장이 커지게 됩니다. 이러한 코일을 감은 수를 권선수라고 부르게 됩니다. 이렇게 생성된 자기장은 원래 라면 퍼지게 되는데 철이라는 금속편에 감게 되면 자기장은 강자성체인 철을 통해서 잘 이동을 하게 됩니다. 1차측 코일에서 생성된 전기는 2차 측에서 자기장의 변화를 감지하고 패러데이의 전자기유도 법칙에 따라서 전기가 생성되게 됩니다.  전압의 크기는 권수에 따라 달라지는데 1차 측에 감은 권수에 비해 2차 측을 2배로 감으면 전압은 2배로 가져갈 수 있습니다. 하지만 전력은 달라지지 않아 전류는 반절로 반감되게 됩니다.