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1. 트랜지스터 스위칭 회로란?
트랜지스터 스위칭 회로는 현대 전자기기에서 중요한 기능을 담당합니다.
이 회로는 디지털과 아날로그 신호를 처리하고 제어함으로써 전자 장치의 동작을 조절합니다.
디지털 시스템에서는 트랜지스터 스위칭 회로가 0과 1과 같은 이진 상태를 나타내며, 이를 통해 컴퓨터 및 다른 디지털 장치의 작동을 제어합니다.
예를 들어, 트랜지스터는 스위치로 작동하여 전기적으로 연결된 부품들 간의 데이터 및 제어 신호의 흐름을 조절합니다.
아날로그 회로에서는 트랜지스터 스위칭 회로가 연속적인 전압과 전류를 다룹니다.
이 회로는 전압 및 전류의 크기를 조절하여 음성, 영상, 전원 등 다양한 신호를 처리합니다.
예를 들어, 트랜지스터는 오디오 신호를 증폭하거나 전력 변환기에서 전류를 제어하는 등의 역할을 수행합니다.
이러한 트랜지스터 스위칭 회로는 전자기기의 핵심 부품 중 하나로, 디지털 및 아날로그 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
이를 통해 전자기기의 기능을 효과적으로 제어하고 신호를 처리하여 다양한 용도에 활용할 수 있습니다.
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2. 트랜지스터 스위칭 회로 동작 원리
2-1) 트랜지스터 스위칭 회로 동작 원리
트랜지스터를 AC 신호 증폭기로 사용할 때, 우리는 일반적으로 트랜지스터를 “활성” 영역에서 작동하게끔 설계합니다.
이것은 트랜지스터의 출력 특성 곡선에서 선형 부분에 해당합니다.
이렇게 함으로써 입력 신호가 증폭되고 출력이 왜곡되지 않도록 보장합니다.
그러나 트랜지스터는 스위치로도 사용될 수 있습니다.
이때, 트랜지스터의 베이스 바이어싱을 다르게 설정하여 트랜지스터를 “ON” 또는 “OFF” 상태로 전환할 수 있습니다.
이는 고체 상태 스위치로서의 기능을 수행하게끔 만들어줍니다.
고체 상태 스위치는 DC 출력을 “ON” 또는 “OFF”로 전환하는 데 사용됩니다.
예를 들어, LED와 같은 저전력 장치는 논리 수준의 DC 전압에서 작동하며, 논리 게이트의 출력과 직접 호환될 수 있습니다.
그러나 모터, 솔레노이드 또는 램프와 같은 고출력 장치는 표준 논리 게이트의 출력 전력으로는 충분하지 않으므로 트랜지스터 스위치가 필요합니다.
트랜지스터가 스위치로 사용될 때는 전형적으로 “I-V” 특성 곡선의 양쪽에 걸쳐서 작동합니다.
이때 트랜지스터는 “포화(Saturation)” 영역과 “차단(cut-off)” 영역에서 작동합니다.
이 접근 방식을 통해 우리는 증폭을 위한 Q-포인트 바이어싱 및 전압 분배기 회로를 우회할 수 있으며, 트랜지스터를 “완전히 OFF” (차단) 및 “완전히 ON” (포화) 상태로 전환하여 트랜지스터를 스위치로 사용할 수 있습니다.
2-2) Cut-Off(차단) 영역
차단 영역”은 트랜지스터 작동 중 트랜지스터가 사실상 꺼진 상태를 나타내는 특정한 작동 상태를 의미합니다.
이 상태에서는 베이스-에미터 접합과 베이스-콜렉터 접합 모두 역방향 바이어스가 걸려 있어 트랜지스터를 통한 유의미한 전류 흐름을 방지합니다.
2-2-1) 트랜지스터가 차단 영역에 있을 때
- 베이스-에미터 접합: 베이스-에미터 접합은 역방향 바이어스 상태이며, 즉 베이스 터미널이 에미터 터미널보다 높은 전압을 가지고 있습니다.
이로 인해 주요 캐리어(양극성 트랜지스터의 경우 전자, 음극성 트랜지스터의 경우 홀)가 접합을 횡단하지 못하게 되어 에미터에서 베이스로의 전류 흐름이 억제됩니다.
즉, 베이스-에미터 전압 VBE < 0.7V입니다. - 베이스-콜렉터 접합: 마찬가지로 베이스-콜렉터 접합도 역방향 바이어스 상태이며, 이때 콜렉터 터미널이 베이스 터미널보다 높은 전압을 가집니다.
이로 인해 소수 캐리어(양극성 트랜지스터의 경우 홀, 음극성 트랜지스터의 경우 전자)가 접합을 횡단하지 못하게 되어 콜렉터에서 베이스로의 전류 흐름이 추가로 억제됩니다.
즉, 베이스-콜렉터 접합은 역방향 바이어스 상태입니다. - 전류 흐름: 두 접합 모두 역방향 바이어스가 되어 있으므로 콜렉터에서 에미터로의 트랜지스터를 통한 유의미한 전류가 흐르지 않습니다.
트랜지스터는 사실상 열린 회로로 작동하며 입력 임피던스가 매우 높습니다.
즉, 트랜지스터는 완전히 차단된 상태이며(Cut-off 영역) 콜렉터 전류가 흐르지 않는다(IC = 0). - 출력 전압: 차단 영역에서 출력 전압(콜렉터-에미터 간의 전압)은 최고 수준으로, 일반적으로 전원 공급 전압과 거의 같습니다.
이는 트랜지스터를 통한 전류가 매우 적기 때문에 트랜지스터를 통해의 전압 강하도가 최소화되기 때문입니다.
즉, VOUT = VCE = VCC = “1”이고, 트랜지스터는 “스위치 Open”상태로 동작합니다.
차단 영역은 트랜지스터 회로에서 중요한 작동 상태이며, 트랜지스터가 스위치로 사용될 때 특히 중요합니다.
설계자들은 바이어스 조건을 제어하여 트랜지스터가 원하는 회로 동작을 위해 차단 영역(완전히 차단된 상태)과 포화 영역(완전히 켜진 상태) 사이를 필요에 따라 왔다갔다하도록 보장합니다.
2-3) Saturation(포화) 영역
포화 영역(Saturation Region)은 트랜지스터가 최대 전류를 허용하고 전압 하강이 최소화되는 상태를 나타냅니다.
트랜지스터가 스위치로 사용될 때 주로 이 영역에서 작동하게 됩니다.
- 베이스-에미터 접합: 이 접합은 전진 바이어스가 걸려 있으며, 즉 베이스 터미널이 에미터 터미널보다 높은 전압을 가집니다.
이로 인해 베이스에서 에미터로의 전류 흐름이 활성화되어, 주요 캐리어(양극성 트랜지스터의 경우 전자, 음극성 트랜지스터의 경우 홀)가 트랜지스터 내부를 횡단합니다.
즉, 베이스-에미터 전압 VBE가 0.7V보다 크고, 베이스-에미터 접합이 전진 바이어스 상태입니다 - 베이스-콜렉터 접합: 이 접합도 전진 바이어스가 걸려 있으며, 즉 콜렉터 터미널이 베이스 터미널보다 높은 전압을 가집니다.
이로 인해 콜렉터에서 베이스로의 전류 흐름이 활성화되어, 캐리어가 콜렉터와 베이스 사이를 횡단합니다. - 전류 흐름: 베이스-에미터 접합과 베이스-콜렉터 접합이 모두 전진 바이어스 상태이므로, 트랜지스터 내부에서 많은 전류가 흐릅니다.
이로 인해 트랜지스터는 전압이 거의 0V에 가까운 상태에서 최대 전류를 허용합니다. - 출력 전압: 포화 영역에서는 콜렉터와 에미터 간의 전압이 상대적으로 낮으며, 이는 트랜지스터를 통한 전류의 전압 강하도가 최소화됨을 의미합니다.
이는 전력 손실이 최소화되고 효율성이 향상됨을 의미합니다.
포화 영역은 트랜지스터가 스위치로 작동할 때 주요하며, 디지털 및 아날로그 회로에서 다양한 응용 분야에 사용됩니다.
이 영역에서의 작동은 트랜지스터의 출력 특성을 최대한 활용하여 정확한 동작을 보장합니다.
3. NPN 트랜지스터 스위칭 회로
3-1) NPN 트랜지스터 스위칭 회로란?
위의 회로는 이전 강좌에서 살펴본 공통 에미터 회로와 유사한 구조를 갖고 있습니다.
하지만 이번에는 트랜지스터를 스위치로 사용하기 위해 트랜지스터를 완전히 “OFF”(차단) 또는 완전히 “ON”(포화) 상태로 전환해야 합니다.
이상적인 트랜지스터 스위칭 회로는 “완전히 OFF”로 전환될 때 콜렉터와 에미터 사이에 무한 전기 회로 저항을 나타내어 전류가 흐르지 않도록 해야 합니다.
반면, “완전히 ON”으로 전환될 때는 콜렉터와 에미터 사이에 전기 회로 저항이 없어야 하며, 최대 전류가 흐를 수 있어야 합니다.
실제로는 트랜지스터가 “OFF” 상태일 때에도 소량의 누설 전류가 발생합니다.
그 반대로, “ON” 상태일 때는 장치가 낮은 저항 값을 가지며, 이로 인해 트랜지스터에는 작은 포화 전압(VCE)이 발생합니다. 비록 완벽하지는 않지만, 차단 및 포화 영역에서 트랜지스터가 소비하는 전력은 최소화됩니다.
베이스 전류가 흐르려면 베이스 입력 단자를 에미터보다 더 양성으로 만들어야 합니다.
일반적으로 실리콘 장치에 필요한 0.7볼트를 초과해야 합니다.
이 베이스-에미터 전압(VBE)을 조절함으로써 베이스 전류가 조절되며, 이에 따라 트랜지스터를 통한 콜렉터 전류의 양이 조절됩니다.
최대 콜렉터 전류가 흐를 때, 트랜지스터는 포화 상태에 있다고 합니다.
베이스 저항 값은 트랜지스터를 완전히 “ON”으로 전환하기 위해 필요한 입력 전압과 해당하는 베이스 전류를 결정합니다.
3-2) 예제 1
트랜지스터의 β 값은 200이고, 콜렉터 전류(Ic)는 4mA, 베이스 전류(Ib)는 20μA입니다. 이 값들을 사용하여 입력 단자 전압이 2.5V를 초과할 때 Load를 완전히 “ON”으로 전환하기 위해 필요한 베이스 저항(Rb)의 값을 계산해 보겠습니다.
트랜지스터를 완전히 “ON”으로 전환하기 위해 필요한 베이스 전류 (Ib)는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
Ib = Ic / β
- 주어진 값
- Ic = 4mA
- β = 200
값을 대입하면 Ib = (4mA / 200) = 20μA
이제 베이스 전류 (Ib)가 20μA임을 알았습니다.
베이스 저항 (Rb)을 계산하기 위해 오옴의 법칙을 사용할 수 있습니다.
Rb = (Vin – Vbe) / Ib
- 주어진 값
- Vin = 2.5V
- Vbe = 0.7V
값을 대입하면
Rb = (2.5V – 0.7V) / 20μA
Rb = 1.8V / 20μA
계산하면 Rb = 90kΩ
따라서 입력 단자 전압이 2.5V를 초과할 때 로드를 완전히 “ON”으로 전환하기 위해 필요한 베이스 저항 (Rb)의 값은 90kΩ입니다.
3-3) 예제 2
동일한 값들을 사용하여 입력 전압이 5.0V로 증가할 때 트랜지스터를 완전히 “ON”으로 전환하기 위해 필요한 최소 베이스 전류를 찾고, 입력 전압이 증가함에 따라 Rb의 새로운 값도 계산해 보겠습니다.
먼저, 입력 전압이 5.0V일 때 로드가 200mA의 전류를 필요로 한다고 가정합니다.
따라서 Load의 콜렉터 전류 (Ic)는 200mA가 됩니다.
또한, 베이스 전류 (Ib)는 트랜지스터를 완전히 “ON”으로 전환하기 위해 필요한 최소 베이스 전류입니다.
베이스 전류 (Ib)는 다음과 같이 계산
Ib = Ic / β
여기서 β는 200이고, 주어진 값인 Ic는 200mA입니다.
Ib = (200mA / 200) = 1mA
따라서 입력 전압이 5.0V일 때 트랜지스터를 완전히 “ON”으로 전환하기 위해 필요한 최소 베이스 전류는 1mA입니다.
이제 새로운 Rb 값을 계산할 수 있습니다.
마찬가지로 오옴의 법칙을 사용하여 Rb를 계산하겠습니다.
Rb = (Vin – Vbe) / Ib
입력 전압 (Vin)은 5.0V이고, 기존의 베이스-에미터 전압 (Vbe)는 0.7V입니다.
새로운 베이스 전류 (Ib)는 1mA입니다.
Rb = (5.0V – 0.7V) / 1mA = 4.3V / 1mA = 4.3kΩ
따라서 입력 전압이 5.0V로 증가할 때 트랜지스터를 완전히 “ON”으로 전환하기 위해 필요한 새로운 베이스 저항 (Rb)의 값은 4.3kΩ입니다.
4. pnp 트랜지스터 스위칭 회로
4-1) PNP 트랜지스터 스위칭 회로란?
PNP 트랜지스터를 스위치로 사용하는 경우, 전력을 적재로 공급하는 방식으로 작동합니다.
이 경우 적재는 지면 또는 0V에 연결되어 있고, PNP 트랜지스터는 적재로 전원을 공급합니다.
PNP 트랜지스터를 “ON”으로 동작시키려면 베이스 터미널을 지면 또는 0V로 연결합니다.
이것은 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이의 전압을 낮추어 전류를 유도하여 콜렉터와 에미터 사이의 전류 흐름을 활성화합니다.
이러한 작동 방식에서 베이스 저항, 콜렉터 전류 및 전압은 이전에 NPN 트랜지스터 스위치로 계산하는 방식과 동일합니다.
다만 이번에는 NPN 트랜지스터로 그라운드를 스위칭하는 대신 PNP 트랜지스터로 전원을 스위칭한다는 점이 다릅니다.
즉, PNP 트랜지스터는 전원을 공급하는데 사용되므로 콜렉터에서 에미터로의 전류 흐름이 발생합니다.
5. Darlington 트랜지스터 스위칭 회로
4-2) Darlington 트랜지스터
양극성 트랜지스터의 직류 전류 이득이 부하 전류나 전압을 직접 제어하기에 충분히 높지 않을 때가 있습니다.
그래서 여러 개의 스위칭 트랜지스터가 사용됩니다.
여기서 작은 입력 트랜지스터 하나가 훨씬 더 큰 전류를 다루는 출력 트랜지스터를 “ON” 또는 “OFF”로 전환하는 데 사용됩니다.
Darlington 트랜지스터는 단순히 두 개의 개별 양극성 NPN 또는 PNP 유형 트랜지스터가 함께 연결되어 첫 번째 트랜지스터의 전류 이득이 두 번째 트랜지스터의 전류 이득과 곱해져서 베이스 전류보다 훨씬 높은 전류 이득을 가진 단일 트랜지스터처럼 작동하도록 만듭니다.
Darlington 장치는 두 개의 트랜지스터가 결합되어 작동합니다.
이 때, 전체 전류 이득인 베타(β) 또는 hfe 값은 각 트랜지스터의 개별 이득을 곱하여 계산됩니다.
즉, 첫 번째 트랜지스터의 이득과 두 번째 트랜지스터의 이득을 곱한 값이 전체 장치의 전류 이득이 됩니다.
βtotal = β1 * β2
- 여기서,
βtotal은 Darlington 장치의 전체 전류 이득
β1은 첫 번째 트랜지스터의 전류 이득
β2는 두 번째 트랜지스터의 전류 이득
따라서 Darlington 장치의 전체 전류 이득은 두 개의 트랜지스터의 개별 이득의 곱으로 주어집니다.
이것은 각 트랜지스터의 개별적인 이득을 결합하여 단일 장치로 작동할 때 얻을 수 있는 총 이득을 나타냅니다.
이러한 형식은 신호를 증폭하는 데 사용됩니다.
일반적으로 한 개의 트랜지스터보다 더 큰 전류 이득을 갖는 장치가 필요한 경우에 유용합니다.
Darlington 장치는 입력 신호가 작은 경우에도 출력 신호를 효과적으로 증폭할 수 있도록 도와줍니다.
이는 입력 트랜지스터의 작은 이득과 출력 트랜지스터의 큰 이득이 결합되어 전체 장치의 전류 이득이 크게 향상되기 때문입니다.
Darlington 트랜지스터는 하나의 트랜지스터보다 더 높은 전류 이득을 갖고 있어서 더 큰 전원을 다룰 수 있습니다.
이를 예로 들어 설명하면, 첫 번째 작은 입력 트랜지스터가 전류 이득이 100이고 두 번째 큰 스위칭 트랜지스터가 50이라면, 이 두 개의 트랜지스터를 결합한 Darlington 트랜지스터의 전체 전류 이득은 100 * 50 = 5000이 됩니다.
예를 들어, 이전에는 1mA였던 단일 트랜지스터의 베이스 전류와 비교하여, Darlington 트랜지스터의 베이스 전류는 전체 전류 이득으로 나누어진 작은 값이 됩니다.
만약, 부하 전류가 200mA이면, Darlington의 베이스 전류는 200mA를 5000으로 나눈 40uA로 매우 작아집니다.
위 그림의 NPN Darlington 트랜지스터 스위치 구성은 두 트랜지스터의 콜렉터를 함께 연결하고 첫 번째 트랜지스터의 에미터를 두 번째 트랜지스터의 베이스 단자에 연결하여, 첫 번째 트랜지스터의 에미터 전류가 두 번째 트랜지스터를 “ON”으로 스위칭하는 베이스 전류가 됩니다.
첫 번째 또는 “입력” 트랜지스터는 베이스로 입력 신호를 받습니다.
이 트랜지스터는 일반적인 방식으로 입력 신호를 증폭하고, 이를 사용하여 두 번째 큰 “출력” 트랜지스터를 구동합니다.
두 번째 트랜지스터는 신호를 다시 증폭하여 매우 높은 전류 이득을 얻게 됩니다.
Darlington 트랜지스터의 주요 특징 중 하나는 단일 양극성 트랜지스터와 비교하여 높은 전류 이득을 갖는 것입니다.
높은 증폭된 전류와 전압 전환 능력 외에도 “Darlington 트랜지스터 스위치”의 또 다른 장점은 높은 전환 속도에 있어 인버터 회로, 조명 회로, DC 모터 또는 스텝 모터 제어 응용에 이상적입니다.
트랜지스터를 스위치로 사용할 때 Darlington 트랜지스터를 사용할 때 고려해야 할 한 가지 차이점은 두 PN 접합이 연속되어 있기 때문에 실리콘 장치의 베이스-에미터 입력 전압(VBE)이 약 1.4V로 더 높아야 한다는 것입니다.
6. 트랜지스터 스위칭 회로의 설계 및 최적화
6-1) 설계 시 고려해야 할 사항과 주의 사항
트랜지스터 스위칭 회로를 설계할 때에는 몇 가지 주의해야 할 사항과 고려해야 할 사항이 있습니다.
- 첫째, 트랜지스터의 작동 영역을 고려해야 합니다.
트랜지스터는 주로 삭감 영역과 포화 영역에서 동작하며, 각 영역에서 적절한 전압과 전류 조건이 필요합니다.
따라서 트랜지스터 스위칭 회로를 설계할 때 트랜지스터가 올바른 영역에서 작동하는지 확인해야 합니다. - 둘째, 전압 및 전류 요구 사항을 고려해야 합니다.
스위칭 회로의 부하에 필요한 전압 및 전류를 정확히 파악하고, 트랜지스터가 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는지 확인해야 합니다.
부하의 전원 공급 및 전압 강하 장치도 적절하게 선택해야 합니다. - 셋째, 트랜지스터 스위칭 회로 설계 시 스위칭 속도가 중요한 요소입니다.
트랜지스터가 빠르게 스위치되어야 하는 경우, 적절한 전압 및 전류 상승 및 하강 시간이 필요합니다.
스위칭 속도는 회로의 RC 시간 상수 및 트랜지스터의 스위칭 특성에 의해 결정됩니다.
6-2) 전류/전압 요구 사항, 스위칭 속도, 소비 전력 등의 요소 고려 사항
트랜지스터 스위칭 회로를 설계할 때 전류 및 전압 요구 사항을 고려해야 합니다.
이는 부하가 요구하는 전원 공급 및 전압을 충족시키기 위해 중요합니다.
또한 스위칭 속도를 고려해야 합니다.
스위칭 속도는 부하가 빠르게 전환되어야 하는 경우에 중요한 요소이며, 회로의 RC 시간 상수와 트랜지스터의 스위칭 특성을 고려하여 최적의 속도를 결정해야 합니다.
또한 트랜지스터 스위칭 회로 설계 시 소비 전력도 중요한 고려 사항입니다.
트랜지스터 스위칭 회로는 일정한 전력을 소비하며, 이를 최소화하기 위해 효율적인 회로 설계가 필요합니다.
특히 배터리 또는 이동식 전원과 같은 에너지 제한된 환경에서는 소비 전력을 최소화하여 전원 소모를 줄이는 것이 중요합니다.