먼저 회로와 용어를 확인합니다
클리퍼(clipper)는 입력 파형의 일정 전압 이상 또는 이하를 제한하는 회로입니다. 그림의 다이오드는 출력 노드에서 접지로 향하는 병렬 클리퍼(shunt clipper)입니다. 출력이 충분히 양의 전압이 되면 전류가 다이오드의 애노드(anode)에서 캐소드(cathode)로 흐릅니다. 애노드는 기호에서 막대가 없는 쪽, 캐소드는 막대가 있는 쪽입니다.
입력과 출력 사이의 저항 Rₛ는 전류를 제한하고, 출력과 접지 사이의 Rₗ은 부하입니다. 순방향 전압 V_F(forward voltage)는 다이오드가 전류를 흘릴 때 애노드가 캐소드보다 높은 전압입니다. V_F는 하나로 정해진 스위칭 전압이 아니라 전류와 온도에 따라 달라집니다.
커패시터(capacitor)로 파형 전체의 직류 기준을 옮기는 클램프(clamp) 회로와는 구분해야 합니다. 여기에는 그런 저장 커패시터가 없으므로 출력의 양의 피크를 직접 제한하는 회로입니다.
다이오드가 꺼졌을 때는 두 저항을 먼저 봅니다
Rₛ=1 kΩ, Rₗ=1 kΩ인 예시를 보겠습니다. 출력이 음의 전압이면 그림 방향의 다이오드는 역바이어스(reverse bias)되어 거의 전류를 흘리지 않습니다. 역방향 누설과 기생 성분을 무시할 수 있는 저주파 근사에서는 두 저항만 남습니다.
Vout ≈ Vin × Rₗ/(Rₛ+Rₗ) = Vin/2.
따라서 입력의 음의 피크를 설명용으로 −5 V라고 가정하면 출력은 약 −2.5 V입니다. 이는 다이오드가 음의 전압을 −2.5 V로 고정해서가 아닙니다. 두 1 kΩ 저항이 입력을 절반으로 나눈 결과입니다. 부하 저항을 바꾸면 음의 출력도 달라집니다.
다이오드가 막 켜지기 전의 양의 구간에도 같은 분압이 적용됩니다. 즉 입력 전체의 양의 반주기가 곧바로 일정 전압에 평평하게 붙는 것은 아닙니다. 무부하 분압 예상값이 실제 V_F 근처에 이를 때부터 다이오드 전류가 커지며 파형의 기울기가 바뀝니다.
다이오드가 켜지면 부하 전류를 따로 뺍니다
출력 Vout이 양으로 커져 다이오드가 도통하면, 입력 저항을 통과한 전류가 Rₗ과 다이오드 두 갈래로 나뉩니다. 전류를 단순히 (Vin−V_F)/Rₛ라고 구해 전부 다이오드에 배정하면 부하 전류를 빠뜨립니다.
Iₛ = (Vin−Vout)/Rₛ, Iₗ = Vout/Rₗ, I_D = Iₛ−Iₗ.
Iₛ는 입력 저항 전류, Iₗ은 부하 전류, I_D는 다이오드 전류이며 단위는 A입니다. Vout≈V_F라고 둘 때에도 그 V_F는 해당 I_D와 온도에서 다시 확인해야 합니다.
예를 들어 입력 양의 피크가 +5 V이고 그 동작점의 V_F가 0.75 V라고 가정하면 Iₛ≈4.25 mA, Iₗ≈0.75 mA, I_D≈3.50 mA입니다. 이 값들은 특정 부품의 보증된 측정값이 아닙니다. 설명용 고정 전압 모델에서 전류의 갈림을 보여 주는 계산입니다. 입력 저항의 순간 손실은 (5−0.75)²/1 kΩ≈18.1 mW이며, 사용 온도와 파형 전체에서의 손실·피크 전류를 따로 확인해야 합니다.
입력이 ±5 V, 1 kHz 정현파라고 가정하면 이 단순 모델의 출력 최고값은 약 +0.75 V, 최저값은 −2.5 V이고 그 차이는 약 3.25 V입니다. 출력의 실효값(RMS, Root Mean Square)은 한 주기 동안 각 순간 전압을 제곱해 평균을 내고 제곱근을 취한 값으로, 이 모델에서는 약 1.34 V입니다. 이는 조건을 명시한 파형 계산이지 다른 다이오드에서도 같은 상한과 실효값이 나온다는 뜻은 아닙니다. 주파수만 1 kHz라고 적혀 있어도 실제 입력 진폭이나 다이오드 모델을 알 수 없다면 이 숫자를 역으로 확정할 수 없습니다.
다이오드의 방향을 반대로 놓으면 이번에는 음의 피크가 제한되고, 양의 반주기에는 다이오드가 꺼집니다. 예를 들어 입력과 출력 사이가 500 Ω, 출력에서 귀환까지의 부하가 1 kΩ이면, 다이오드가 꺼진 양의 구간에서 Vout≈Vin×1 kΩ/(500 Ω+1 kΩ)=2Vin/3입니다. 이때 출력 양의 피크를 입력과 같은 높이로 그리면 저항에 의한 분압을 놓친 것입니다. 음의 제한값도 다이오드의 해당 전류·온도에서의 순방향 전압에 따라 바뀌며, 입력 진폭이 제시되지 않았다면 실제 피크값은 정할 수 없습니다.
양·음의 제한 전압이 다르면 각 바이어스 가지를 따로 확인합니다
양쪽 피크를 서로 다른 전압에서 제한하려면 다이오드마다 별도의 바이어스 전압(bias voltage)을 직렬로 둘 수 있습니다. 바이어스 전압은 가지에 더한 기준 전압으로, 다이오드가 전류를 흘리기 시작하는 출력 전압을 옮깁니다. 입력과 출력 사이의 직렬 저항 Rₛ를 지나 출력 노드에 도달한 뒤, 양의 피크에서는 출력에서 D1을 거쳐 양의 기준 +V_B1로, 음의 피크에서는 음의 기준 −V_B2에서 D2를 거쳐 출력으로 전류가 흐르는 두 가지를 구별합니다. 각 전원의 극성과 공통 0 V 기준이 이 방향대로 연결되었다는 조건에서, 양쪽 제한 전압은 각각 대략 +(V_B1+V_F1), −(V_B2+V_F2)입니다. V_F1·V_F2는 해당 가지 전류와 온도에서의 순방향 전압이므로 고정된 0.7 V로 대입하지 않습니다.
먼저 각 다이오드의 애노드·캐소드와 바이어스 전원의 극성을 확인하고, 입력 피크가 해당 제한점에 실제로 닿는지 봅니다. 회로도에 R_L이라고 적힌 저항도 입력과 출력 사이에 있으면 이 글의 출력 부하 Rₗ이 아니라 직렬 전류 제한 저항입니다. 출력에 별도 부하가 연결되면 가지가 꺼진 동안의 분압과 켜진 동안의 부하 전류를 각각 계산해야 합니다. 입력·출력을 같은 기준에서 측정하고 직렬 저항의 피크 전류·손실, 바이어스 전원의 공급·흡수 가능 전류, 다이오드 정격과 후단 허용 전압을 확인해야 보호 성능을 판단할 수 있습니다. 여기에는 바이어스 전압의 수치, 실제 부하, 부품 모델과 측정 파형이 없으므로 특정 상·하한이나 보호 성능을 확정하지 않습니다.
양쪽 피크를 제한할 때는 제너 두 개의 전류 경로를 구별합니다
양의 피크만 제한하는 위 회로와 달리, 교류 신호의 양·음 피크를 모두 누르려면 입력과 출력 사이에 전류 제한 저항을 두고 출력과 귀환 사이에는 제너 다이오드(Zener diode) 두 개를 서로 반대 방향으로 직렬 연결할 수 있습니다. 출력이 한쪽 방향으로 충분히 커지면 한 제너는 역방향 항복, 다른 제너는 순방향 도통을 합니다. 반대쪽 반주기에는 두 소자의 역할이 바뀝니다. 각 방향에서 충분한 전류가 흐른다는 조건에서 제한 전압의 크기는 대략 VZ+VF입니다. 여기서 VZ는 그 전류에서의 제너 전압, VF는 다른 소자의 순방향 전압입니다. 두 소자가 모두 5 V 제너라고 적혀 있어도 출력이 언제나 정확히 ±5 V가 되는 것은 아닙니다.
서로 다른 표기 전압인 2 V·10 V 제너를 반대 방향으로 직렬 연결했다면 양쪽 제한점도 같지 않습니다. 2 V 소자가 역방향 항복하고 10 V 소자가 순방향으로 흐르는 쪽은 그 전류에서 약 2 V+V_F(10 V 소자), 역할이 바뀐 쪽은 약 10 V+V_F(2 V 소자)의 크기를 조건부로 예상합니다. 어느 쪽이 양의 피크인지는 두 소자의 실제 애노드·캐소드 연결로 결정해야 합니다. 표기값만으로 항복 전류·허용손실, 입력 진폭, 출력 부하를 알 수 없으므로 실제 상·하한이나 0–10 V 파형을 보증하지 않습니다.
이 연결을 시험할 때에는 입력 진폭과 신호원 저항, 직렬 저항, 출력에 연결한 부하, 각 제너의 전류·허용손실을 먼저 정한 뒤 양쪽 출력 피크를 측정합니다. 입력이 항복 전압에 닿지 않거나 부하가 전류를 빼앗으면 예상한 평평한 피크가 나오지 않을 수 있습니다. 이는 파형을 수동으로 제한하는 클리퍼(clipper)이며, 펄스의 켜짐 시간 비율인 듀티비(duty cycle)를 별도로 설정하는 펄스폭 변조(PWM, pulse-width modulation) 발생 회로는 아닙니다.
파형을 확인할 때는 다음 순서로 측정합니다
- 사용한 신호원의 피크 전압과 출력 저항, Rₛ·Rₗ의 실제 값을 기록합니다. 신호원 내부 저항이 크면 1 kΩ만으로 분압을 계산할 수 없습니다.
- 입력과 출력을 같은 접지 기준으로 동시에 봅니다. 출력의 음의 구간이 입력의 약 절반인지 확인해 저항 경로를 먼저 점검합니다.
- 양의 구간에서 출력이 완만하게 눌리기 시작하는 전압과 최대값을 봅니다. 이를 특정 다이오드의 고정
0.7 V규칙으로 옮기지 말고, 그때의 전류·온도·부품 특성과 맞춥니다. - 출력 피크에서 Rₛ 전류와 Rₗ 전류를 각각 계산한 뒤 차로 다이오드 전류를 구합니다. 다이오드와 두 저항의 정격, 역방향 피크, 측정기 입력 부하를 확인합니다.
파형 상한이 달라졌다면 먼저 입력 진폭과 부하를 확인합니다. 음의 구간만 달라졌다면 다이오드를 교체하기 전에 두 저항과 신호원 저항을 확인합니다. 이 병렬 다이오드 하나를 정밀한 기준 전압 또는 입력 보호 정격으로 취급해서는 안 됩니다.
정류와 클리핑은 출력의 목표가 다릅니다
양의 반파 정류기의 이상적 목표는 입력의 양의 구간을 전달하고 음의 구간을 0으로 만드는 max(Vin, 0)입니다. 양의 전파 정류기의 이상적 목표는 두 극성을 모두 양의 크기로 바꾸는 |Vin|입니다. 여기서는 이득을 1로 정한 기능 정의이며 실제 다이오드 방향·저항비·출력 극성을 대신하는 회로도가 아닙니다. 피크를 제한하는 클리퍼나 커패시터 전하로 기준을 옮기는 클램퍼와 구분합니다.
능동 정류 회로는 연산증폭기와 다이오드의 피드백을 이용해 작은 신호의 정류 오차를 줄일 수 있습니다. 그러나 어느 반주기에 어떤 피드백 경로가 닫히는지 확인해야 하며, 다이오드가 꺼질 때의 포화·회복, 입력 범위, 전원 레일, 부하와 주파수를 검토해야 합니다. 화면의 100 kV/V 같은 개방루프 이득은 정류 정확도·대역폭이나 출력 전압 정격이 아닙니다. 다이오드 방향과 합성점이 읽히지 않은 시뮬레이터 그림에서 특정 정류 배선이나 ±1 V·1 kHz 성능을 확정하지 않습니다. ADI의 절댓값·정류 회로 설명
한 입력점의 풀이도 가정한 다이오드 상태를 되검산합니다
앞의 1 kΩ 회로와는 별개로, +6 V 입력에서 출력까지 10 kΩ, 출력에서 켜졌다고 가정한 이상 다이오드 D1과 또 하나의 10 kΩ을 거쳐 +2 V 기준으로 이어지는 가지를 생각해 보겠습니다. 다른 가지 D2는 일단 전류가 없다고 가정합니다. 그러면 두 저항의 전류는 I=(6−2) V/(10+10) kΩ=0.2 mA이고, 출력은 +2 V+0.2 mA×10 kΩ=+4 V입니다. 이는 입력 vi=6sin(ωt)의 양의 피크 한 점에서 상태를 가정한 계산입니다.
계산이 끝나면 D1의 양극·음극 전압과 전류 방향이 ON 가정을 만족하는지, D2가 연결된 기준 전압·방향이 OFF 가정과 모순되지 않는지 확인합니다. D2의 기준도 4 V라면 이 점은 경계가 될 수 있으므로, 출력 4 V라는 숫자만으로 D2가 확실히 역바이어스됐다고 단정할 수 없습니다. 이상 모델의 경계에서 상태 이름이 모호하면 양쪽 가지의 전류와 작은 입력 변화까지 살펴봅니다.
한 점의 결과를 전 주기의 4 V 수평선으로 확장하려면 각 구간에서 같은 검사를 다시 해야 합니다. 실제 전원 극성·부하·다이오드 모델이 정해지지 않은 그림에 그 결과를 적용하지 않습니다. 전원의 위치를 바꾸면 조건도 달라지므로 기존 정답을 재사용하지 않습니다.
A conditional +6 V example gives 0.2 mA and +4 V through two 10 kOhm resistors toward +2 V. Recheck every diode's polarity and current; one point at a 4 V boundary does not establish the entire waveform.
직렬 바이어스 예시에서는 순방향 조건의 시간 구간을 계산합니다
병렬 클리퍼와 구별하여, 이상 다이오드의 순방향 조건이 10sin(100πt)>−5 V가 되는 직렬 바이어스 모델을 생각해 보겠습니다. 공통 0 V와 전지의 긴 판(+), 짧은 판(−)을 따라 기준이 실제로 −5 V인지 먼저 확인합니다. 부품의 배치 모양만 보고 전압 부호를 정하지 않습니다.
θ=100πt로 놓으면 sinθ>−1/2입니다. 0~360° 중 경계는 210°와 330°이고, 조건을 만족하는 구간은 0~210°와 330~360°로 합계 240°입니다. 주파수는 100π/(2π)=50 Hz, 주기는 20 ms이므로 그 시간은 20 ms×240/360≈13.33 ms입니다. 경계 두 점의 포함 여부는 연속 시간 길이를 바꾸지 않습니다.
이 계산은 이상 모델에서 순방향 바이어스가 가능한 시간 비율입니다. 엄밀히 무부하로 전류 경로가 열려 있다면 그 구간에 실제 부하 전류가 흐른다고 말할 수 없습니다. 도통 전류·출력 파형은 부하와 귀환 경로를 정한 뒤 구합니다. 실제 VF·온도·전원 내부저항이 있거나 전지 극성을 뒤집으면 문턱과 시간 구간을 다시 계산해야 합니다.
The ideal inequality 10sin(100pi t)>-5 holds for 240 degrees, or about 13.33 ms of a 20 ms cycle. It defines a forward-bias interval, not measured current through an unspecified or open load.
직렬 클리퍼는 신호가 부하에 도달하는 경로를 끊습니다
설명용 회로로 입력과 부하 저항 사이에 다이오드를 직렬로 놓고, 부하의 다른 끝을 접지에 연결하겠습니다. 애노드가 입력, 캐소드가 출력이면 충분히 양의 입력에서 전류가 부하로 흐르고, 반대 극성에서는 다이오드가 차단되어 출력은 부하 저항을 통해 접지 쪽으로 갑니다. 다이오드 방향을 뒤집으면 통과·차단되는 극성도 바뀝니다. 이상적인 경우의 전류 경로 설명이며 실제 도통 전압·누설은 소자와 전류에 따라 다릅니다.
이는 출력 노드를 기준 전압 쪽으로 우회시키는 병렬 클리퍼와 다릅니다. 기준 전압원을 추가한 직렬 회로는 방향과 기준의 부호를 다시 계산해야 합니다. 원본 표의 ‘양·음’ 이름만으로 연결을 추정하거나 두 구조의 저항을 같은 역할로 취급하지 않습니다. 전하를 유지해 기준선을 옮기는 클램퍼와도 구분합니다.