TR의 스위칭

출처: http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=lcw1318&logNo=50054160076

1. NPN TR을 이용한 스위칭 회로

 

 

 

NPN 트랜지스터를 사용한 기본적인 스위칭 회로입니다. 베이스에 작은 전류를 흘리면, 콜렉터- 이미터간이 도통해 큰 전류를 스위칭 할 수 있는 회로입니다. 

설 명

이 회로는 작은 베이스 전류로 큰 콜렉터 전류를 스위칭 할 수 있는 회로로서 여러곳에서 애용되고 있습니다. 이 회로에서 트랜지스터의 콜렉터는 전류를 흡입하는 기능이므로 이 회로는 전류를 출력 할 수 없습니다. 사용법은 「제어하고 싶은 것」의 플러스쪽을 전원에 연결하고 마이너스쪽을 트랜지스터의 콜렉터에 연결합니다. 그리고 베이스 전류를 ON/OFF 하면 부하(제어하고 싶은 것)의 전류를 ON/OFF 할 수 있습니다.

함 정

이 회로에는 뜻밖의 함정이 있습니다. 그것은 콜렉터- 이미터간 포화 전압과 직류 증폭율입니다. 예를 들어 이회로의 전원 전압이 5V 이고, 트랜지스터의 콜렉터- 이미터간 포화 전압이 0.2V 라면 부하에는 최대 4.8V의 전압밖에 가할 수 없습니다. 또한 직류 증폭율(Hfe)이 20인 트랜지스터를 사용할 경우 부하가 1A의 전류를 필요로 한다면 베이스 전류는 50 mA를 흘려야 합니다.

부하전류가 제데로 흐르지 않거나 부하에 걸리는 전압이 낮아서 그 원인을 알아보면 단지 베이스 전류와 Hfe가 부족한 경우가 대부분일 것입니다.

특히 초보자가 실수하기 쉬운것은 베이스에 직렬로 들어가는 저항이나 베이스-이미터간 저항을 빠뜨리는 것입니다.

 

베이스의 직렬의 저항은 왜 필요한가 ?

 

베이스의 저항을 빠뜨리면 최악의 경우 트랜지스터가 과열되어 타 버릴 수 있습니다.

왜냐하면 트랜지스터의 베이스와 이미터 사이는 어떠한 경우든 0.65 V이상으로 할 수 없습니다. (수천 A의 전류를 흘리면 수V가 될 수 있지만···) 0.65V 이상 될 수 없는 곳에 그이상의 전압을 가하면 어디선가 전압차를 소비해야 하며 소비된 전력많큼 열이 발생합니다. 그 때문에 베이스에 직렬저항이 필요하며 저항의 값은 적당히 결정해도 좋습니다. 베이스 전류를 너무 많이 흘리면 트랜지스터가 타 버리고 너무 적으면 콜렉터 전류도 적어 지므로 수백Ω에서 수10kΩ이 적당한 범위입니다.

 

스윗치가 아니고 디지탈 회로의 출력을 트랜지스터에 연결할 때도 베이스에 직렬저항을 넣지 않으면 안됩니다. 그렇지 않으면 트랜지스터와 디지탈 IC의 출력중 약한쪽이 고장날 것입니다.

 

베이스에 병렬 저항은 왜 필요한가 ?

 

트랜지스터의 입력에 오픈콜렉터 출력이나 트라이스테이트 출력, 또는 스윗치 등을 연결할 경우 그 신호가 오픈 될 가능성이 있습니다. 이러한 경우에 베이스·이미터간의 저항이 없으면 베이스 단자가 불안정하게 되며 그 때문에콜렉터 전류도 불안정하게 흐릅니다. 따라서 트랜지스터를 확실히 OFF로 하기 위해서 베이스·이미터간에 저항이 필요합니다. 그 값이 너무 낮으면 쓸모없는 전력 소모가 발생하며 너무 높으면 효과가 줄어들어 노이즈의 영향을 받을 수 있으므로 10kΩ전후의 저항을 사용하면 적당합니다.  디지탈 IC의 사용하지 않는 입력 단자를 pull-up 하는것 처럼 트랜지스터의 입력 단자도 오픈상태가 되지 않도록 해야 합니다.

결 점

이 회로는 그다지 고속 스위칭은 할 수 없습니다. 그 해결 방법은 3. 고속 스위칭 회로 를 참고해 주십시요. 또한 릴레이나 모터 등와 같이 코일을 포함하는 부하를 스위칭 할 경우는 4. 코일부하의 스위칭을 참고 하십시요.

 

 

2. PNP TR을 이용한 스위칭 회로

 

설 명

이 회로는 작은 베이스 전류로 큰 콜렉터 전류를 스위칭 할 수 있는 회로로 잘 알려진 회로 입니다. 이 회로에서 트랜지스터의 콜렉터는 스윗치를 ON하면 전류를 출력합니다. 사용법은 부하의 마이너스측을 회로의 그라운드에 연결하고 플러스측을 트랜지스터의 콜렉터에 연결합니다. 베이스 전류를 ON/OFF 하여 부하를 제어할 수 있습니다.

이회로는 위에서 설명한 것과 기본적으로 같지만 NPN TR의 경우와 약간의 차이가 있습니다. NPN 트랜지스터를 사용한 스위칭 회로는 전류를 흡입하는 타입이지만 PNP 트랜지스터를 사용한 스위칭 회로는 전류를 출력하는 타입 입니다. 각 트랜지스터의 콜렉터-이미터간 포화 전압 Vce(sat)이 0.2 V인 경우 각각의 전압은 오른쪽그림과 같이 됩니다.

높은 전압을 ON/OFF 하려면

 

논리 전압보다 높은 전압을 제어하고 싶은 경우에 조심해야 할 일이 있습니다. PNP 트랜지스터를 동작 시키려면 베이스 전압은 이미터 전압보다 약 0.65V 낮지 않으면 되지 않습니다. 예를 들어 12V 의 전원을 사용하는 경우에 베이스 전압은 11 V 근처가 되며 이것을 저항을 통해 디지탈 회로에 연결하면 IC가 망가질지도 모릅니다. 그러므로 한번 NPN 트랜지스터를 통해서디지털 회로에 연결하는 버릇을 갖는것이좋으며 이 때도 베이스 저항의 사용을 잊지 말아야 합니다.

 

3. 고속 스위칭 회로

 

 

위에서 설명한 기본 스위칭 회로를 고속 스위칭이 가능하도록 한 회로입니다　기본적으로는 위에서 설명한 회로와 같지만 위의 회로는 수 10 kHz정도로 그이상의 고속 스위칭 동작을 할 수 없으며 트랜지스터를 OFF 하려고 해도 일정시간동안 전류가 계속 흐르게 됩니다.

그 이유는 베이스에 과잉 캐리어가 쌓여 있기 때문이지만 빠르게 움직이는 자동차를 갑자기 멈출 수 없는 것과 비슷한 이유라고 생각하면 됩니다. 베이스에 흘리는 전류를 멈추어도 베이스에 캐리어가 쌓여 있으므로 전류가 갑자기는 멈추지 않습니다. 이것을 해결하기 위해서는 베이스에 쌓인 캐리어를 고속으로 제거하고 과잉 캐리어 쌓이지 못하도록 해야 합니다.

베이스에 쌓인 캐리어를 신속히 제거하기 위해서 베이스에 직렬로 콘덴서를 삽입합니다. 콘덴서는 급격한 전압변화가 있을 때 전류가 흐르는 성질이 있기때문에 트랜지스터가 OFF 하는 순간에 베이스에 역전류를 가하여 쌓여있는 캐리어를 제거하게 되어 고속 ON/OFF가 가능합니다. 이 콘덴서의 값은 수백 pF 대에서 증감 하면 좋을 것이다.

 

4.코일부하의 스위칭

 

트랜지스터를 사용한 스위칭 회로로서 릴레이나 모터와 같은 코일 부하를 스위칭 할 때 사용하는 회로입니다.

기본적으로 위에서 설명한 것과 같지만 위와 같은 회로를 갖고 코일을 ON/OFF 하면 트랜지스터가 망가질지도 모릅니다. 코일에 흐르고 있던 전류를 갑자기 멈추면 매우 높은 역전압이 발생한다는 것은 중학생들도 알고 있는 사실입니다. 이러한 역전압이 트랜지스터의 최대정격을 초과하게 되면 트랜지스터가 어떻게 될지는 말할 필요가 없겠지요. 이러한 역전압은 상당히 높기 때문에 인접한 다른회로에 아주나쁜 영향을 주기 때문에 트랜지스터가 충분히 견딘다고 해도 반드시 억제해야 합니다.

역전압의 발생을 억제하기 위해 코일을 포함하는 부하를 ON/OFF 할 경우에 부하 양단에 역 방향으로 다이오드를 연결하는 버릇을 갖도록 하는 것이 중요합니다.

그리고 베이스에 직렬저항을 삽입하는 것도 잊지 말아야 하며 릴레이나 모터는 비교적 큰 전류가 흐르지만 대전류를 흘릴 수 있는 트랜지스터는 대개 Hfe가 낮기 때문에 베이스에 흘리는 전류를 크게해야 합니다. 이런 회로에서는 베이스 저항을 수백Ω정도로 하는 것이 좋습니다.