트랜지스터 스위칭 회로 - teulaenjiseuteo seuwiching hoelo

1. BJT(Bipolar Junction Transistor)의 선정 방법

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BJT는 크게 두 가지 종류가 있습니다. NPN형과 PNP형이 있습니다. 이 중에서 실무 회로설계에서는 NPN형의 적용이 거의 90%이상이라고 과감하게 말씀드릴 수 있겠습니다. 이러한 설계 환경을 나타내듯이 글로벌 전자부품 공급업체인 Digikey에서도 NPN형 트랜지스터 개수는 현재 포스팅 일자를 기준으로 11,628개이나 PNP형 트랜지스터 개수는 8,626개로 약 PNP형 트랜지스터 개수 대비 NPN형 트랜지스터의 개수가 약 34%가 많습니다.

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그렇다면 이렇게 많은 수의 BJT 트랜지스터를 어떻게 선정하는지에 대해서 알려드리도록 하겠습니다. 우선 트랜지스터의 구조를 살피면 다음과 같습니다. 우선 예로 설명드릴 것은 2N3904와 2N3906입니다. 2N3904는 NPN형 트랜지스터이며, 2N3906은 PNP형 트랜지스터입니다.

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위의 그림에서 첫번째에 있는 것이 NPN형의 2N3904이고 두번째에 있는 것이 PNP형의 2N3906의 회로도 기호입니다. 이 회로도 기호를 먼저 소개한 이유는 바로 BJT를 선정함에 있어서 가장 중요한 설계 지표를 확인하기 위해서 입니다.

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우선 2N3904에 주요 설계 지표입니다. NPN형 트랜지스터가 적용되는 부분에 각 상태를 확인하여 위의 설계 요건에 부합하는지 우선적으로 검토하여야 합니다. VCBO는 위의 회로도 기호에서 C와 B를 DMM으로 각각 +극과 -극으로 측정하였을 때의 전압이 60V를 넘지 않으면 되는 것입니다. 즉 60V 이내로 설계에 적용해 사용할 수 있다는 뜻이겠죠?

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마찬가지로 VCEO, VEBO는 설계에 적용하고자 하는 트랜지스터가 위치하는 부분의 C, B, E 단자를 DMM으로 측정하였을 때 나타나는 전압을 확인하여 해당 설계 지표 이내로 설계가 될 수 있도록 하여야 합니다.

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IC는 위의 회로도 그림에서 C 단자로 들어올 수 있는 최대의 전류값을 의미합니다. 이는 다시 조금 더 확장해서 말하자면, C 단자로 들어오는 전류는 E 단자로 방출될 수 있다는 것을 의미합니다. 즉 BJT를 하나의 수도꼭지라고 하였을 때 수도꼭지로 들어올 수 있는 최대의 물의 양이라고 할 수 있습니다. 수도꼭지로 들어온 물은 수도꼭지를 통과해 수도꼭지 밖으로 물을 흘려보내겠죠? 따라서 데이터시트에 명시된 내용을 참고하여 IC는 최대 200mA가 흐를 수 있는 것을 알 수 있습니다.

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Ptot는 총 소모전력으로 BJT 트랜지스터에서 소모되는 전력이 해당 전력 이내로 설계가 될 수 있도록 하면 됩니다. Ptot는 실제 설계에 적용된 IC와 트랜지스터 데이터시트에 명시된 VCE(sat)를 확인해 아래의 수식으로 산출할 수 있습니다.

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Tstg, Tj는 각각 소비전력, 저장 온도, 최대 동작 온도 등을 나타냅니다. 이는 설계 상황을 유심히 확인하여 적절하게 선택해 적용하시면 됩니다.

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2. NPN형 BJT(Bipolar Junction Transistor)의 스위칭 회로 설계 방법

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NPN형 BJT는 BJT 중에서도 가장 쉽게 스위칭 회로로 설계가 가능하며, 이러한 이유 때문에 가장 많이 사용되는 BJT라고 할 수 있습니다. 앞서 설명드린 바와 같이 디지키에서도 NPN형 BJT가 가장 많은 이유가 실무 설계에서 가장 많이 적용되기 때문입니다.

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그럼 NPN형 BJT를 어떻게 설계하는지 알아보도록 하겠습니다. 우선 데이터시트를 좀 더 확인하면 아래와 같은 사항을 확인할 수 있습니다. 우선 앞서 소개한 데이터시트의 내용 중 VCBO는 60V라 명시되어 있습니다. 이는 BJT를 ON / OFF 제어할 때 BJT의 Base단으로 입력되는 신호의 전압과 BJT의 Collector단의 전압이 60V 이상으로 벌어지게 되면, BJT가 소손될 수 있다는 것입니다. 즉 BJT가 OFF된 상태에서 해당 조건으로 회로가 동작될 수 있는지 검토하여야 합니다.

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다음으로 VCEO는 BJT가 OFF 상태일 때 BJT의 Collector단과 Emitter단을 DMM으로 측정하였을 때 40V 이상 벌어지게 되면, BJT가 소손될 수 있다는 것입니다. 앞서 소개드린 내용과 같이 BJT가 OFF된 상태에서 해당 조건으로 회로가 동작될 수 있는지 검토하여 설계해야만 합니다.

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마지막으로 VEBO는 Emitter단과 Base단을 DMM으로 측정하였을 때 6V 이상의 전압차가 발생하지 않도록 하여야 하며, IC역시 부하단을 지나 BJT를 관통해 흐르는 전류가 200mA 이상이 되지 않도록 설계 시 검토하여야 합니다.

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다음으로 검토해야하는 부분은 바로 VCE(sat), VBE(sat), hFE, fT입니다. 먼저 VCE는 해당 BJT가 실제 ON된 상태일 때 BJT의 Collector단과 Emitter단에 걸리게 되는 문턱전압을 의미합니다. BJT는 이름 그대로 내부에 N-P-N 접합이 이뤄진 상태이므로 동작 시 다이오드에서와 같이 문턱전압이 발생하게 됩니다.

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VBE(sat) 또한 BJT가 ON된 상태일 때 Base단과 Emitter단 사이에 문턱전압이 발생함을 나타냅니다. 따라서 Base단에 정확한 ON / OFF 신호를 전달하기 위해서는 반드시 문턱전압 보다 충분히 높은 전압의 신호가 전달되어야 합니다.

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hFE는 BJT의 증폭 이득입니다. 이를 증폭 이득이라기 보다는 수돗꼭지를 돌렸을 때 돌리는 횟수에 비례해서 물이 쏟아져 나오는 양이 많아지는 것을 우리는 너무도 잘 알고 있습니다. 그와 같이 Base에 입력된 전류량에 따라서 실제 BJT를 관통해 흐르는 IC가 정해지게 되는데, 이러한 수치를 나타낸 것이라고 생각하면 쉽습니다.

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위의 그림을 참고하면, B라고 쓰여있는 수돗꼭지를 돌리는 만큼 C를 통해 E로 흘러 나오는 물의 양이 조절되는 것과 같이 BJT의 IB를 조절하면, BJT를 통해 C를 통해 E로 나오는 IC가 조절되게 됩니다. 그림으로 이해하면 쉽습니다.

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마지막으로 fT는 BJT를 이용해 빠른 속도로 ON / OFF하는 경우에 BJT가 ON / OFF 동작을 얼마만큼의 속도까지 정확하게 ON / OFF할 수 있는지에 대해 나타낸 지표라고 할 수 있습니다. BJT는 앞서 설명드린 것과 같이 N-P-N의 반도체 조합이라 접합면에 캐패시턴스가 존재하기 때문에 이에 따른 ON / OFF 스위칭 주파수 또한 제품별로 상이하니 반드시 검토가 되어야 합니다.

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그럼 검토한 내용을 바탕으로 부하측으로 50mA의 전류를 흘릴 수 있으며, Base 단에는 5V 신호가 출력되는 MCU가 신호를 출력한다고 가정하고 설계를 해보도록 하겠습니다. 우선 NPN형 BJT를 이용하여 ON / OFF 회로를 설계하는데 사용되는 기본적인 회로를 아래에 나타내었습니다.

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이 기본회로의 R1과 R2의 저항값은 현재 선정되어 있지 않습니다. 우선 전류 제한용 저항인 R2를 설계해보도록 하겠습니다. 데이터시트에 IB가 5mA일 때 IC가 50mA가 흐른다고 명시되어 있으므로, 이를 이용해 설계를 진행하겠습니다.

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위와 같이 MCU의 제어 전원인 VCONTROL은 5V인 상태로 설계가 되었으며, 제어 전원에 BJT의 ON 상태의 문턱 전압을 빼준 것을 확인할 수 있습니다. 이렇게 계산된 전류제한 저항값은 810Ω이지만, 표준저항값에서 820Ω이 있므으로 820Ω으로 설계를 수행합니다.

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R1은 부하측 저항입니다. 여기에 저항으로 설계한 이유는 여러분들이 설계하는 회로가 어떤 회로가 될지 모르기 때문에 이와 같이 설계한 BJT 회로로 최대 드라이브할 수 있는 저항치를 안내해드리기 위해서입니다. 계산 수식이 그리 복잡하지 않기 때문에 부차적인 설명은 별도로 드리지 않겠습니다. 다만 여기서 중요한 것은 R1에 설계할 수 있는 최소 저항치입니다.

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R1은 부하측으로 현재 설계된 BJT 회로는 IC가 최대 50mA인 상황입니다. 따라서 236Ω 보다 더 작은 저항을 설계해봐야 이미 수돗꼭지가 50mA 만큼만 열려있는 상태이기 때문에 부하에는 여전히 최대로 흐를 수 있는 IC 전류인 50mA만 인가되게 됩니다. 따라서 236Ω 보다 더 큰 값을 가진 저항을 표준저항에서 찾으면 240Ω이며, 이 저항보다 더 큰 값의 저항을 부하측에 설계함이 바람직 합니다.

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여기서 부하측에 저항을 설계하였지만, 만약 LED나 기타 IC 등을 설계한다면, IC 즉 부하전류 50mA를 초과해 소모할 경우 LED가 정상적인 밝기를 유지하지 못하거나, 설계된 IC가 동작하지 않는 상황이 발생하므로 반드시 IC, 부하전류가 충분히 공급될 수 있도록 설계가 되었는지에 대해서 검토하여야 합니다.

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마지막으로 설계가 완료된 회로를 나타내도록 하겠습니다. 계산한 저항값들이 실제 반영되어 아래의 NPN형 BJT를 이용한 회로에 모두 적용되어 있음을 알 수 있습니다.

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3. PNP형 BJT(Bipolar Junction Transistor)의 스위칭 회로 설계 방법

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PNP형 BJT는 NPN형 BJT와 완벽하게 정반대의 동작 특성을 갖고 있다고 생각하면 쉽습니다. 즉 앞서 설계해봤던 NPN형 BJT 스위칭 회로에서 각각 살펴봐야 했던 데이터시트의 각 주요 설계 파라메터를 정반대로 생각한다면, PNP형 BJT 스위칭 회로 또한 손쉽게 설계가 가능합니다. 아래에는 NPN형 BJT 2N3904와 완벽하게 정반대 동작을 하는 PNP형 BJT인 2N3906 BJT의 주요 설계 지표를 나타냈습니다.

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우선 PNP형 BJT를 이용한 기본적인 스위칭 회로는 아래와 같이 나타내었습니다. 위의 NPN형 BJT를 이용한 스위칭 회로와 비교하였을 때 완벽하게 반대로 설계된 것을 알 수 있습니다. 그 중에서 가장 특징적인 것은 바로 부하인 R1의 위치입니다. R1의 위치는 NPN형 BJT 스위칭 회로의 경우 Q1의 윗쪽에 설계되었으나, NPN형 BJT 스위칭 회로에서는 Q1의 아랫쪽에 위치해 있습니다. 다만, 잊지 말아야 할 것은 NPN형이건, PNP형이건 간에 상관없이 R1은 언제나 Collector단에 위치해야 한다는 것만 잊지 않으면 됩니다.

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설계 조건은 NPN형에서와 같이 부하측으로 50mA의 전류를 흘릴 수 있으며, Base 단에는 5V 신호가 출력되는 MCU가 신호를 출력한다고 가정하고 설계를 해보도록 하겠습니다. PNP형 BJT를 이용하여 ON / OFF 회로를 설계하는데 사용되는 기본적인 회로를 아래에 나타내었습니다.

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위에 나타낸 PNP형 BJT를 이용한 스위칭 회로는 ON/OFF CONTROL의 레벨이 정상적인 ON / OFF 스위칭을 위해서는 약 최소 11.3V이상의 전압레벨이 되어야만 합니다. 그러나 대부분의 MCU나 기타 제어 IC 등의 I/O 출력 전압의 레벨은 3.3V 내지는 5V이므로 PNP형 BJT를 이용하여 스위칭을 하기 위해서는 부가적인 회로가 더 필요하게 됩니다. 이렇게 부품의 개수가 늘어나는 이유 때문에 PNP형 BJT를 스위칭에 자주 사용되지 않는 것입니다.

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앞선 설계인 NPN형 BJT를 이용한 스위칭 회로를 추가하여 설계를 보완했습니다. NPN형 BJT를 이용한 스위칭 회로 설계 시 설계했던 820Ω의 저항 R3는 그대로 사용합니다. 그렇게 되면 Q2의 전류 IC는 최대 50mA까지 제어할 수 있으며, 궁극적으로 ON / OFF하기 위한 PNP형 BJT인 Q1의 IB는 -5mA이기 때문에 50mA의 전류를 제한해줄 R2 저항값을 다음과 같이 설계합니다.

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다음으로 부하측 저항인 R1은 ON 된 상태인 IC가 50mA 조건일 때 문턱 전압이 -0.4V이므로 이를 고려하여 R1을 설계하면, 아래의 수식과 같이 232Ω이 계산되며, 이를 표준저항에서 선정하면, 240Ω이 됩니다.

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PNP형 BJT를 이용하여 ON / OFF 스위칭 회로를 설계하는 것이 앞서 설계했던 NPN형 BJT를 이용한 ON / OFF 스위칭 회로보다 부품의 수가 더 많이 소요되고, 고려해야할 요소 또한 조금 더 복잡한 것을 느끼셨을 것입니다. 따라서 PNP형 BJT가 설계에 적용되는 경우가 실무에서는 매우 드뭅니다. 따라서 부득이한 경우가 아니라면, BJT를 이용한 스위칭 회로는 NPN형 BJT로 설계하는 것이 바람직하다고 할 수 있습니다. PNP형 BJT를 이용한 ON / OFF 스위칭 회로에 각 설계 사항을 반영한 최종 회로를 아래의 그림과 같이 나타내었습니다.

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[출처] m.blog.naver.com/ansdbtls4067/221348896393

실무 회로설계에서 BJT(Bipolar Junction Transistor) 스위칭 회로 설계법

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