제너 다이오드

한 줄 요약 — 역방향 항복(breakdown)을 이용해 전압을 고정합니다. 간단하지만 정확도와 노이즈가 나빠서 정밀 측정에는 쓰지 않습니다.

동작

역방향 전압을 올리면 특정 전압($V_Z$)에서 급격히 도통합니다. 이 영역에서 전류가 크게 변해도 전압은 거의 일정합니다.

💡 5~6 V 부근에서 두 메커니즘이 상쇄되어 온도계수가 거의 0이 됩니다. 그래서 정밀 기준으로는 5.6 V나 6.2 V 제너를 씁니다.

기본 션트 레귤레이터

제너는 반드시 역방향으로 답니다. 캐소드(막대 쪽)가 위, 애노드가 접지 쪽입니다. $R_S$ 가 전류를 제한하고, 제너가 남는 전류를 흘려 전압을 붙잡습니다.

설계 절차

1. 최악 조건 확인 — $V_{in}$ 최소일 때도 $I_Z$가 최소 유지 전류(보통 1~5 mA) 이상이어야 함
2. $R_S$ 계산 — 최소 입력, 최대 부하 기준
3. 전력 확인 — $V_{in}$ 최대, 부하 없음일 때 제너에 최대 전류가 흐름

계산 예제

12 V(±2 V) 입력에서 5.1 V를 만들고, 부하는 0~10 mA.

최악 조건 1 — 입력 최소(10 V), 부하 최대(10 mA): 제너에 최소 5 mA를 흘리려면

330 Ω 선택 (표준값이지만 여유가 없으니 300 Ω이 더 안전)

최악 조건 2 — 입력 최대(14 V), 부하 0:

→ 500 mW 정격 제너 필요 (디레이팅 고려)

→ 1/2 W 저항 필요

⚠️ 부하가 없을 때 제너가 가장 뜨겁습니다. 이 조건을 놓치면 제너가 탑니다.

★ 제너의 한계 — 왜 정밀 측정에 안 쓰는가

제너 노이즈

제너 항복은 애벌런치 과정이라 본질적으로 잡음이 큽니다. 항복 잡음(avalanche noise)은 광대역 백색 잡음에 가깝고, 5 V 제너에서 수십 µV(rms)/√Hz 수준입니다.

⚠️ ADC 기준전압(voltage reference)에 제너를 쓰면 그 잡음이 모든 측정에 그대로 들어갑니다. 12비트 ADC(±1 V, LSB = 488 µV)라면 제너 잡음이 LSB를 넘길 수 있습니다.

반대로 이 성질을 이용해 백색 잡음 발생기를 만들기도 합니다.

노이즈 완화: 제너 출력에 큰 커패시터(10 µF)를 병렬로 달면 고주파 잡음이 크게 줄어듭니다. 단, 저주파 잡음(1/f)은 남습니다.

시뮬레이션으로 확인

# examples/05-diode/zener-shunt-reg.yaml
meta:
  name: 제너 션트 레귤레이터
  lesson: docs/05-diode/03-zener.md
components:
  - {ref: V1, type: vdc,   value: 12}
  - {ref: RS, type: r,     value: 330, sweep: {min: 100, max: 1k}}
  - {ref: DZ, type: zener, model: 1N4733, params: {vz: 5.1}}
  - {ref: RL, type: r,     value: 1k, sweep: {min: 100, max: 10k}}
nets:
  VIN: [V1.p, RS.1]
  OUT: [RS.2, DZ.k, RL.1]
  GND: [V1.n, DZ.a, RL.2]
analyses:
  - {type: op}
  - {type: dc, source: V1, start: 6, stop: 15, step: 0.1}
expect:
  - {measure: v, node: OUT, value: 5.1, tol: 5%}
  - {measure: p, of: DZ, max: 0.5}

DC 스윕을 보면 입력이 6 V에서 15 V로 변해도 출력이 5.1 V 근처에 머무는 것을 확인할 수 있습니다. 다만 완전히 평탄하지 않고 조금씩 오르는데, 이것이 동적 저항 때문입니다.

⚖️ 부품 트레이드오프

제너를 쓰는 자리 vs 쓰면 안 되는 자리

💡 매립형 제너(buried zener, 예: LM399, LTZ1000) 는 표면이 아닌 실리콘 내부에서 항복시켜 잡음과 드리프트를 극적으로 개선한 제품입니다. 온도계수 0.05 ppm/°C급으로, 최고 정밀 계측기의 기준으로 쓰입니다. 대신 매우 비싸고 히터를 내장해 전력을 씁니다.

🔌 실제 쓰임새

⚠️ 이상과 실제의 차이

⚠️ 3.3 V 이하의 저전압 제너는 “무릎”이 매우 완만합니다. 정격 전압 아래에서도 상당한 누설이 흐르므로 클램프로 쓸 때 주의해야 합니다. 저전압에는 제너 대신 정방향 다이오드(diode) 여러 개 직렬이나 TL431 같은 조정 가능한 션트 레귤레이터가 낫습니다.

연습문제

문제 1. 9 V 입력에서 5.1 V 제너로 20 mA 부하를 구동합니다. 제너에 5 mA를 흘리려면 $R_S$는?

문제 2. 제너의 동적 저항이 20 Ω입니다. 부하 전류가 0에서 20 mA로 변하면 출력 전압은 얼마나 변합니까?

exercises/05-03-zener-dynamic-r.yaml

문제 3. 12비트 ADC(기준 2.5 V)의 기준전압으로 제너(잡음 100 µV rms)를 쓰면 어떤 문제가 생깁니까?

exercises/05-03-zener-noise.yaml

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