스위치로서의 트랜지스터
트랜지스터 스위치는 포화 또는 차단 상태의 트랜지스터를 사용하여 저전압 DC 장치(예: LED)를 켜거나 끄는 데 사용할 수 있습니다.
AC 신호 증폭기로 사용될 때 트랜지스터 베이스 바이어싱 전압은 항상 "활성" 영역 내에서 작동하는 방식으로 적용됩니다. 즉, 출력 특성 곡선의 선형 부분이 사용됩니다. 그러나 NPN 및 PNP 유형 바이폴라 트랜지스터는 트랜지스터를 스위치로 다르게 작동시키는 트랜지스터의 베이스 단자를 바이어싱하여 "ON/OFF" 유형의 고체 스위치로 작동하도록 만들 수 있습니다.
솔리드 스테이트 스위치는 DC 출력을 "ON" 또는 "OFF"로 전환하기 위해 트랜지스터를 사용하는 주요 애플리케이션 중 하나입니다. LED와 같은 일부 출력 장치는 논리 레벨 DC 전압에서 몇 밀리암페어만 필요하므로 논리 게이트의 출력에 의해 직접 구동될 수 있습니다. 그러나 모터, 솔레노이드 또는 램프와 같은 고전력 장치는 일반 논리 게이트에서 공급되는 전력보다 더 많은 전력을 요구하는 경우가 많으므로 트랜지스터 스위치가 사용됩니다.
회로가 바이폴라 트랜지스터를 스위치로 사용하는 경우 트랜지스터의 바이어스(NPN 또는 PNP)는 이전에 본 "IV" 특성 곡선의 양쪽에서 트랜지스터를 작동하도록 배열됩니다.
트랜지스터 스위치의 작동 영역은 포화 영역 과 차단 영역 으로 알려져 있습니다 . 이는 증폭에 필요한 작동 Q 포인트 바이어싱 및 전압 분배기 회로를 무시하고 트랜지스터를 "완전 OFF"(컷오프)와 "완전 OFF" 사이에서 앞뒤로 구동하여 스위치로 사용할 수 있음을 의미합니다. ON”(포화) 영역은 아래와 같습니다.
운영 지역
곡선 하단의 분홍색 음영 영역은 "컷오프" 영역을 나타내고 왼쪽의 파란색 영역은 트랜지스터의 "포화" 영역을 나타냅니다. 이 두 트랜지스터 영역은 모두 다음과 같이 정의됩니다.
1. 컷오프 지역
여기서 트랜지스터의 작동 조건은 제로 입력 베이스 전류( IB ) , 제로 출력 콜렉터 전류( IC ) 및 최대 콜렉터 전압( V CE )입니다. 이로 인해 공핍층이 커지고 장치를 통해 전류가 흐르지 않게 됩니다. 따라서 트랜지스터는 "완전히 OFF"로 전환됩니다.
컷오프 특성
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그런 다음 바이폴라 트랜지스터를 스위치로 사용할 때 두 접합 모두 역방향 바이어스되고 V B < 0.7v 및 IC = 0 인 "차단 영역" 또는 "OFF 모드"를 정의할 수 있습니다 . PNP 트랜지스터의 경우 이미터 전위는 베이스에 대해 음수여야 합니다.
2. 포화 영역
여기서 트랜지스터는 베이스 전류의 최대량이 적용되도록 바이어스되어 최대 콜렉터 전류가 발생하고 결과적으로 콜렉터 이미터 전압 강하가 최소가 되어 공핍층이 가능한 작아지고 트랜지스터를 통해 흐르는 최대 전류가 발생합니다. 따라서 트랜지스터는 "완전 ON"으로 전환됩니다.
포화 특성
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그런 다음 바이폴라 트랜지스터를 스위치로 사용할 때 두 접합 모두 순방향 바이어스, V B > 0.7v 및 IC = 최대인 "포화 영역" 또는 "ON 모드" 를 정의할 수 있습니다 . PNP 트랜지스터의 경우 이미터 전위는 베이스에 대해 양수여야 합니다.
그런 다음 트랜지스터는 "단극 단투(SPST)" 고체 스위치로 작동합니다. 트랜지스터 베이스에 제로 신호가 적용되면 개방 스위치처럼 작동하여 "OFF"되고 제로 콜렉터 전류가 흐릅니다. 트랜지스터의 베이스에 양의 신호가 적용되면 닫힌 스위치처럼 작동하여 "ON"이 되고 최대 회로 전류가 장치를 통해 흐릅니다.
보통 수준에서 높은 수준의 전력으로 전환하는 가장 간단한 방법은 오픈 컬렉터 출력이 있는 트랜지스터와 접지에 직접 연결된 트랜지스터 이미터 단자를 사용하는 것입니다. 이러한 방식으로 사용하면 트랜지스터 오픈 콜렉터 출력이 외부에서 공급된 전압을 접지로 "싱크"하여 연결된 모든 부하를 제어할 수 있습니다.
릴레이를 작동하는 데 사용되는 스위치로 NPN 트랜지스터의 예가 아래에 나와 있습니다. 릴레이 또는 솔레노이드와 같은 유도성 부하의 경우 플라이휠 다이오드가 부하 전체에 배치되어 트랜지스터가 "OFF"로 전환될 때 유도성 부하에 의해 생성된 역기전력을 소멸시켜 트랜지스터가 손상되지 않도록 보호합니다. 모터, 히터 등과 같이 부하가 매우 높은 전류 또는 전압 특성을 갖는 경우 부하 전류는 그림과 같이 적합한 릴레이를 통해 제어할 수 있습니다.
기본 NPN 트랜지스터 스위칭 회로
회로는 이전 튜토리얼에서 살펴본 Common Emitter 회로와 유사합니다. 이번 차이점은 트랜지스터를 스위치로 작동하려면 트랜지스터를 완전히 "OFF"(차단) 또는 완전히 "ON"(포화)으로 설정해야 한다는 것입니다.
이상적인 트랜지스터 스위치는 "완전히 꺼진" 상태에서 컬렉터와 이미터 사이에 무한한 회로 저항을 가져서 전류 흐름이 0이 되고 "완전히 켜진" 상태에서 컬렉터와 이미터 사이의 저항이 0이 되어 최대 전류 흐름이 발생합니다.
실제로 트랜지스터가 "OFF" 상태가 되면 작은 누설 전류가 트랜지스터를 통해 흐르고, 완전히 "ON" 상태가 되면 장치의 저항 값이 낮아져 전체에 작은 포화 전압( V CE )이 발생하게 됩니다. 트랜지스터가 완벽한 스위치는 아니지만 차단 영역과 포화 영역 모두에서 트랜지스터에 의해 소비되는 전력은 최소입니다.
베이스 전류가 흐르기 위해서는 베이스 입력 단자를 실리콘 장치에 필요한 0.7V 이상으로 높여 이미터보다 더 양극으로 만들어야 합니다. 이 베이스-이미터 전압 (V BE ) 을 변경함으로써 베이스 전류도 변경되고 결과적으로 앞서 설명한 대로 트랜지스터를 통해 흐르는 콜렉터 전류의 양이 제어됩니다.
최대 컬렉터 전류가 흐를 때 트랜지스터는 포화 상태 라고 합니다 . 베이스 저항의 값은 트랜지스터를 완전히 "ON"으로 전환하는 데 필요한 입력 전압과 해당 베이스 전류를 결정합니다.
스위치로서의 트랜지스터 예제 No1
이전 튜토리얼의 트랜지스터 값인 β = 200, Ic = 4mA 및 Ib = 20uA를 사용하여 입력 단자 전압이 2.5v를 초과할 때 부하를 완전히 "ON"으로 전환하는 데 필요한 기본 저항( Rb ) 값을 찾습니다 .
다음으로 선호되는 가장 낮은 값은 82kΩ 입니다 . 이는 트랜지스터 스위치가 항상 포화 상태임을 보장합니다.
스위치로서의 트랜지스터 예 No2
다시 동일한 값을 사용하여 입력 전압이 5.0V로 증가할 때 200mA 의 전류 가 필요한 부하에 대해 트랜지스터를 "완전히 ON"(포화)하는 데 필요한 최소 베이스 전류를 구합니다 . 또한 Rb 의 새 값을 계산합니다 .
트랜지스터 베이스 전류:
트랜지스터 베이스 저항:
트랜지스터 스위치는 모터, 릴레이 또는 램프와 같은 대전류 또는 고전압 장치를 저전압 디지털 IC 또는 AND 게이트 또는 OR 게이트와 같은 논리 게이트에 인터페이싱하는 등 다양한 애플리케이션에 사용됩니다 .
여기서 디지털 논리 게이트의 출력은 +5V에 불과하지만 제어할 장치에는 12V 또는 심지어 24V 공급이 필요할 수 있습니다. 또는 DC 모터와 같은 부하는 일련의 펄스(펄스 폭 변조)를 사용하여 속도를 제어해야 할 수도 있습니다. 트랜지스터 스위치를 사용하면 기존 기계식 스위치보다 더 빠르고 쉽게 이 작업을 수행할 수 있습니다.
디지털 로직 트랜지스터 스위치
논리 게이트의 출력 전류를 제한하려면 기본 저항 Rb 가 필요합니다.
PNP 트랜지스터 스위치
PNP 트랜지스터를 스위치로 사용할 수도 있습니다. 이번에는 부하가 접지(0v)에 연결되어 있고 PNP 트랜지스터가 전원을 스위치로 전환한다는 차이점이 있습니다. 스위치로 작동하는 PNP 트랜지스터를 "ON"으로 만들기 위해 그림과 같이 Base 단자를 접지 또는 0V(LOW)에 연결합니다.
PNP 트랜지스터 스위칭 회로
베이스 저항, 콜렉터 전류 및 전압을 계산하는 방정식은 이전 NPN 트랜지스터 스위치와 정확히 동일합니다. 이번에 차이점은 NPN 트랜지스터(싱킹 전류)로 접지를 전환하는 대신 PNP 트랜지스터(소싱 전류)로 전원을 전환한다는 것입니다.
달링턴 트랜지스터 스위치
때때로 바이폴라 트랜지스터의 DC 전류 이득이 너무 낮아 부하 전류나 전압을 직접 전환할 수 없으므로 여러 개의 스위칭 트랜지스터가 사용됩니다. 여기서 하나의 작은 입력 트랜지스터는 훨씬 더 큰 전류 처리 출력 트랜지스터를 "ON" 또는 "OFF"로 전환하는 데 사용됩니다.
신호 이득을 최대화하기 위해 두 개의 트랜지스터는 "상보 이득 합성 구성"으로 연결되거나 증폭 요인이 두 개의 개별 트랜지스터의 곱인 " 달링턴 구성 "으로 더 일반적으로 불립니다.
달링턴 트랜지스터는 두 개의 개별 바이폴라 NPN 또는 PNP 유형 트랜지스터가 서로 연결되어 있어 첫 번째 트랜지스터의 전류 이득이 두 번째 트랜지스터의 전류 이득과 곱해 매우 높은 전류를 갖는 단일 트랜지스터처럼 작동하는 장치를 생성합니다. 훨씬 더 작은 베이스 전류에 대한 이득.
Darlington 장치의 전체 전류 이득 베타(β) 또는 hfe 값은 트랜지스터의 두 개별 이득의 곱이며 다음과 같이 제공됩니다.
따라서 단일 트랜지스터 스위치에 비해 매우 높은 β 값과 높은 콜렉터 전류를 갖는 달링턴 트랜지스터가 가능합니다. 예를 들어, 첫 번째 입력 트랜지스터의 전류 이득이 100이고 두 번째 스위칭 트랜지스터의 전류 이득이 50인 경우 총 전류 이득은 100 * 50 = 5000이 됩니다.
예를 들어, 위의 부하 전류가 200mA 라면 달링턴 베이스 전류는 200mA/5000 = 40uA 에 불과합니다 . 단일 트랜지스터의 경우 이전 1mA 에 비해 대폭 감소되었습니다 .
달링턴 트랜지스터 구성의 두 가지 기본 유형에 대한 예가 아래에 나와 있습니다.
달링턴 트랜지스터 구성
위의 NPN 달링턴 트랜지스터 스위치 구성은 두 번째 트랜지스터의 베이스 단자에 연결된 첫 번째 트랜지스터의 이미터와 함께 연결된 두 트랜지스터의 컬렉터를 보여줍니다. 따라서 첫 번째 트랜지스터의 이미터 전류는 두 번째 트랜지스터 스위칭의 베이스 전류가 됩니다. "켜짐"입니다.
첫 번째 또는 "입력" 트랜지스터는 베이스로 입력 신호를 수신합니다. 이 트랜지스터는 이를 일반적인 방식으로 증폭하고 이를 사용하여 두 번째로 큰 "출력" 트랜지스터를 구동합니다. 두 번째 트랜지스터는 신호를 다시 증폭하여 매우 높은 전류 이득을 얻습니다. 달링턴 트랜지스터 의 주요 특징 중 하나는 단일 바이폴라 트랜지스터에 비해 전류 이득이 높다는 것입니다.
높은 증가된 전류 및 전압 스위칭 기능뿐만 아니라 "달링턴 트랜지스터 스위치"의 또 다른 장점은 높은 스위칭 속도로 인해 인버터 회로, 조명 회로 및 DC 모터 또는 스테퍼 모터 제어 애플리케이션에 사용하기에 이상적입니다.
트랜지스터를 스위치로 사용할 때 기존 단일 바이폴라 유형에 비해 달링턴 트랜지스터를 사용할 때 고려해야 할 한 가지 차이점은 직렬 연결로 인해 실리콘 장치의 베이스-이미터 입력 전압( V BE )이 약 1.4v로 더 높아야 한다는 것입니다. 두 개의 PN 접합 중 하나입니다.
스위치 요약으로서의 트랜지스터
그런 다음 트랜지스터를 스위치 로 사용할 때 요약하면 다음 조건이 적용됩니다.
- 트랜지스터 스위치는 램프, 릴레이 또는 모터를 전환하고 제어하는 데 사용할 수 있습니다.
- 바이폴라 트랜지스터를 스위치로 사용하는 경우 "완전히 OFF" 또는 "완전 ON"이어야 합니다.
- 완전히 "ON"인 트랜지스터는 포화 영역 에 있다고 합니다 .
- 완전히 "OFF"된 트랜지스터는 차단 영역 에 있다고 합니다 .
- 트랜지스터를 스위치로 사용할 때 작은 베이스 전류는 훨씬 더 큰 컬렉터 부하 전류를 제어합니다.
- 트랜지스터를 사용하여 릴레이 및 솔레노이드와 같은 유도성 부하를 전환하는 경우 "플라이휠 다이오드"가 사용됩니다.
- 큰 전류나 전압을 제어해야 하는 경우 달링턴 트랜지스터를 사용할 수 있습니다.
트랜지스터 에 관한 다음 튜토리얼에서는 일반적으로 JFET로 알려진 접합 전계 효과 트랜지스터의 작동을 살펴보겠습니다. 또한 소스 전압 대 게이트 전압의 함수로서 JFET 증폭기 회로와 일반적으로 연관된 출력 특성 곡선을 플롯할 것입니다.