오픈 컬렉터 출력

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오픈 컬렉터 출력

개방형 컬렉터 출력은 호환되지 않는 부하를 전환하는 데 매우 유용하지만 올바른 전환 동작을 보장하려면 풀업 또는 풀다운 저항이 필요할 수 있습니다.

개방형 컬렉터 출력은 디지털 칩 설계, 연산 증폭기 및 마이크로컨트롤러(Arduino) 유형 애플리케이션에서 다른 회로와의 인터페이스 또는 전기적 특성과 호환되지 않을 수 있는 표시 램프 및 릴레이와 같은 고전류 부하 구동을 위해 점점 더 보편화되고 있습니다. 제어 회로. 그러나 "오픈 컬렉터"는 무엇을 의미하며 회로 설계 내에서 이를 어떻게 사용할 수 있습니까?

우리는 이전 튜토리얼을 통해 바이폴라 접합 트랜지스터가 NPN 유형이든 PNP 유형이든 3단자 장치라는 것을 알고 있습니다. 이 세 개의 터미널은 Emitter , Base 및 Collector 로 식별됩니다 .

바이폴라 트랜지스터를 사용하여 증폭기(즉, 출력 신호가 입력 신호보다 더 큰 진폭을 가짐)로 작동하거나 더 일반적으로 고체 상태 "ON/OFF" 유형 전자 스위치로 작동할 수 있습니다.

BJT(양극성 접합 트랜지스터)는 3단자 장치이므로 세 가지 스위칭 모드 중 하나로 구성하고 작동할 수 있습니다. 이는 공통 베이스 (CB), 공통 이미터 (CE) 및 공통 컬렉터 (CC)입니다.

 

"공통 이미터" 구성은 증폭(활성 영역) 또는 스위칭(차단 또는 포화 영역)에 사용될 때 가장 일반적인 트랜지스터 구성입니다. 이것이 오픈 컬렉터 출력 에 대한 이 튜토리얼에서 살펴볼 트랜지스터 구성입니다 .

아래에 표시된 표준 공통 이미터 증폭기 구성을 고려하십시오.

공통 이미터 구성

 

 

이 단일 스테이지 공통 이미터 구성에서는 저항이 트랜지스터의 컬렉터 단자와 양극 공급 레일 V CC 사이에 연결됩니다 . 입력 신호는 트랜지스터 베이스와 이미터 접합 사이에 적용되며 이미터 단자는 접지에 직접 연결됩니다. 따라서 설명 용어 "공통 방출기"(CE)가 사용되었습니다.

트랜지스터를 "ON"시키는 데 필요한 바이어스 전류 I B 는 베이스 저항 R B 를 통해 NPN 트랜지스터의 베이스에 직접 공급되며 출력 신호는 입력 신호에 대해 180o 위상 반전 됩니다 . 컬렉터 및 이미터 단자.

이를 통해 트랜지스터 콜렉터 전류를 0(컷오프)과 최대값(포화) 사이에서 제어할 수 있습니다. 이는 클래스 A 증폭기 또는 논리 ON/OFF 스위치로 작동하도록 바이어스된 공통 이미터 구성의 표준 배열입니다.

여기서 문제는 트랜지스터와 콜렉터 부하 저항이 모두 하나의 공통 공급 전압에 연결된다는 것입니다. 여기서 콜렉터 저항 RC는 콜렉터 전압 V C가 트랜지스터 베이스 단자에 적용된 입력 신호에 응답하여 값을 변경하여 트랜지스터가 증폭된 출력 신호를 생성할 수 있도록 하기 위해 사용됩니다. RC 가 없으면 컬렉터 단자의 전압은 항상 공급 전압과 동일합니다.

앞서 언급한 바와 같이 바이폴라 접합 트랜지스터는 V BE 가 각각 0.7V(제로 베이스 전류)보다 훨씬 작거나 0.7V(최대 베이스 전류)보다 훨씬 클 때 차단 영역과 포화 영역 사이에서 작동할 수 있습니다.

이런 방식으로 NPN 바이폴라 트랜지스터는 반전 작업을 수행하는 전자 스위치로 사용될 수 있습니다. 왜냐하면 트랜지스터가 "OFF"일 때 그 컬렉터 단자, 즉 V CE 는 V CC 레벨에서 "HIGH"이고, 트랜지스터가 "OFF"일 때 V CE 는 "HIGH"가 되기 때문입니다. "ON"이면(전도 중) V CE 에 걸쳐 취해지는 출력은 "LOW"가 됩니다. 이는 예를 들어 릴레이, 솔레노이드 또는 램프를 제어하려는 경우 반대 스위칭 조건입니다.

트랜지스터 스위칭 상태의 반전을 극복하는 한 가지 방법은 콜렉터 저항 RC를 완전히 제거하고 트랜지스터 콜렉터 단자를 일부 외부 부하에 연결할 수 있도록 하는 것 입니다 . 이러한 유형의 설정은 흔히 오픈 컬렉터 출력 구성이라고 불리는 것을 생성합니다.

NPN 오픈 콜렉터 출력

NPN 바이폴라 트랜지스터가 오픈 컬렉터 (OC 또는 o/c) 구성에서 작동할 때 완전 ON 또는 완전 OFF 사이에서 작동하여 전자 무접점 스위치로 작동합니다.

즉, 베이스 바이어스 전압이 인가되지 않으면 트랜지스터는 완전히 OFF 상태가 되고, 적절한 베이스 바이어스 전압이 인가되면 트랜지스터는 완전히 ON 상태가 됩니다. 따라서 트랜지스터가 차단 영역(OFF)과 포화 영역(ON) 사이에서 작동하면 활성 영역에서 제어되는 것처럼 증폭 장치로 작동하지 않습니다.

차단과 포화 사이에서 트랜지스터를 전환하면 개방형 컬렉터 출력이 이전 공통 이미터 구성에서 허용된 것보다 더 높은 전압 및/또는 전류를 필요로 하는 외부 연결 부하를 구동하는 기능을 허용합니다. 유일한 제한은 실제 스위칭 트랜지스터의 최대 허용 전압 및/또는 전류 값입니다.

 

그러면 오픈 컬렉터 출력의 장점은 이전처럼 컬렉터 단자를 단일 양극 공급 장치로 풀업하거나 별도의 공급 레일에서 부하에 전력을 공급하여 모든 출력 스위칭 전압을 얻을 수 있다는 것입니다. 예를 들어 +5V 논리 게이트 또는 Arduino, Raspberry-Pi 출력 핀의 출력에서 ​​+12V 공급이 필요한 저전류 램프나 계전기를 구동할 수 있습니다.

그러나 오픈 콜렉터 출력을 사용하여 디지털 신호, 게이트 또는 전자 회로의 입력을 전환하는 경우 트랜지스터의 콜렉터 단자에는 출력 구동 용량이 없기 때문에 일반적으로 외부에 연결되는 풀업 저항이 필요하다는 단점이 있습니다. 이는 NPN 트랜지스터의 경우 전원이 공급될 때 출력 LOW를 접지(0V)로만 풀 수 있고 OFF 상태일 때 다시 HIGH로 되돌리거나 밀어낼 수 없기 때문입니다.

전원이 차단되면 오픈 컬렉터 단자가 HIGH(+V)와 LOW( 0V) 트랜지스터가 OFF일 때.

이 풀업 저항의 값은 중요하지 않으며 출력에 필요한 부하 전류 값에 따라 어느 정도 달라집니다. 일반적으로 저항 값은 수백에서 수천 옴에 이릅니다. 따라서 NPN 바이폴라 트랜지스터의 경우 오픈 컬렉터 출력은 전류 싱킹 출력뿐입니다.

오픈 컬렉터 트랜지스터 회로

 

 

위 이미지는 전기 기계 유형 장치뿐만 아니라 기타 여러 스위칭 애플리케이션을 구동하는 데 유용한 개방형 컬렉터 스위칭 회로의 일반적인 배열을 보여줍니다. NPN 트랜지스터 기반 구동 회로는 적합한 아날로그 또는 디지털 회로일 수 있습니다. 트랜지스터의 콜렉터는 스위칭할 부하에 연결되고 트랜지스터 이미터 단자는 접지에 직접 연결됩니다.

NPN형 오픈 컬렉터 출력의 경우 제어 신호가 트랜지스터 베이스에 적용되면 ON이 되고 컬렉터 단자에 연결된 출력은 전류를 공급하는 현재 전도성 트랜지스터 접합을 통해 접지 전위로 풀다운됩니다. 연결된 부하를 ON으로 설정합니다. 따라서 트랜지스터는 다음과 같이 옴의 법칙을 사용하여 결정되는 부하 전류 IL을 전환하고 전달합니다.

부하 전류, I 부하   = 부하 전체의 전압 / 부하의 저항

트랜지스터의 포지티브 베이스 드라이브가 제거되면(OFF) NPN 트랜지스터는 전도를 멈추고 릴레이 코일, 솔레노이드, 소형 DC 모터, 램프 등이 될 수 있는 부하의 전원이 차단되고 꺼집니다. 그런 다음 NPN 트랜지스터 오픈 컬렉터의 전류 싱크 스위칭 동작이 개방 회로(OFF) 또는 단락 회로(ON)로 작용하므로 출력 트랜지스터를 사용하여 외부에 연결된 부하를 제어할 수 있습니다.

여기서 장점은 콜렉터 부하가 트랜지스터 구동 회로와 동일한 전압 전위에 연결될 필요가 없다는 것입니다. 예를 들어 12V 또는 30V DC와 같이 더 낮거나 높은 전압 전위를 사용할 수 있기 때문입니다.

또한 동일한 간단한 디지털 또는 아날로그 회로를 사용하여 간단히 출력 트랜지스터를 변경함으로써 다양한 부하를 전환할 수 있습니다. 예를 들어 10mA에서 6VDC(2N3904 트랜지스터), 3A에서 40VDC(2N3506 트랜지스터) 또는 개방형 컬렉터 달링턴 트랜지스터를 사용할 수도 있습니다.

오픈 컬렉터 출력 예 No1

학교 프로젝트의 일부로 전기 기계 릴레이를 구동하려면 Arduino 보드의 +5V 디지털 출력 핀이 필요합니다. 계전기 코일의 정격이 12VDC, 100Ω이고 개방형 컬렉터 구성에 사용된 NPN 트랜지스터의 DC 전류 이득(베타) 값이 50인 경우 계전기 코일을 작동하는 데 필요한 기본 저항을 계산합니다.

코일을 통과하는 전류는 옴의 법칙을 사용하여 다음과 같이 계산할 수 있습니다. I = V/R

 

 

따라서 DC 전류 이득이 50인 NPN 트랜지스터의 경우 약 0.2V의 콜렉터-이미터 포화 전압(VCE (sat) )을 무시하고 2.4mA의 베이스 전류가 필요합니다. 트랜지스터의 DC 전류 이득은 결과적인 콜렉터 전류를 생성하는 데 필요한 베이스 전류의 양을 나타내는 사양입니다.

트랜지스터가 완전히 ON일 때 베이스-이미터 접합(V BE ) 양단의 전압 강하 는 0.7V입니다. 따라서 필요한 기본 저항 R B 값은 다음과 같이 계산됩니다.

 

 

그러면 오픈 컬렉터 트랜지스터 회로는 다음과 같습니다.

오픈 컬렉터 회로

 

 

NPN 오픈 콜렉터 트랜지스터 회로는 "전류 싱킹" 출력을 생성하는 반면, 즉 NPN 트랜지스터 오픈 콜렉터 단자는 전류를 접지(0V)로 싱크하지만, PNP형 트랜지스터는 오픈 콜렉터 구성에서 다음을 생성하는 데 사용될 수도 있습니다. 이를 "전류 소싱" 출력이라고 합니다.

PNP 오픈 콜렉터 출력

위에서 살펴본 바와 같이 오픈 컬렉터 출력의 주요 특징은 완전히 ON일 때 NPN 바이폴라 트랜지스터의 스위칭 동작에 의해 부하 신호가 접지 레벨로 능동적으로 "풀다운"되고, OFF일 때 다시 수동적으로 다시 풀링된다는 것입니다. 전류 싱크 출력.

그러나 PNP 바이폴라 트랜지스터의 오픈 컬렉터 출력을 사용하여 출력을 전압 공급 레일로 능동적으로 전환하고 외부에 연결된 "풀다운" 저항을 사용하여 OFF일 때 출력을 다시 낮게 수동적으로 끌어당김으로써 반대 스위칭 조건을 만들 수 있습니다.

PNP형 오픈 콜렉터 출력의 경우 트랜지스터가 출력을 HIGH로 공급 레일로 전환하는 것만 가능하므로 해당 출력 단자는 그림과 같이 외부에 연결된 "풀다운" 저항기에 의해 수동적으로 다시 "LOW"로 당겨져야 합니다.

오픈 컬렉터 PNP 트랜지스터 회로

 

 

그런 다음 NPN 유형 또는 PNP 유형 오픈 컬렉터 출력 구성은 ON일 때 출력을 LOW로 접지로, 또는 HIGH로 공급 레일(트랜지스터 유형에 따라)로만 능동적으로 끌어올 수 있지만 컬렉터 단자는 당겨야 함을 알 수 있습니다. 연결된 부하가 이를 수행할 수 없는 경우 출력 단자에 연결된 풀업 또는 풀다운 저항을 사용하여 수동적으로 업 또는 다운합니다. 사용된 출력 트랜지스터의 유형과 이에 따른 스위칭 동작에 따라 전류 싱크 또는 전류 소스 조건이 생성됩니다.

개방형 컬렉터 구성에서 바이폴라 트랜지스터를 사용할 뿐만 아니라 오픈 소스 구성에서 n채널 및 p채널 강화 모드 MOSFET 또는 IGBT를 사용하는 것도 가능 합니다 .

트랜지스터를 포화 상태로 구동하기 위해 베이스 전류가 필요한 BJT(바이폴라 접합 트랜지스터)와 달리 상시 개방(향상) MOSFET은 게이트(G) 단자에 적절한 전압을 적용해야 합니다. MOSFET의 소스(S) 단자는 접지 또는 공급 레일에 직접 연결되고, 오픈 드레인(D) 단자는 외부 부하에 연결됩니다.

오픈 드레인 (OD) 장치 로 MOSFET(또는 IGBT)을 사용하는 경우 전력 부하 또는 더 높은 전압 공급 장치에 연결된 부하를 구동할 때 오픈 컬렉터 출력(OC) 과 동일한 요구 사항을 따릅니다. 풀업 또는 풀다운 저항이 적용됩니다. 유일한 차이점은 MOSFET 채널 열 전력 등급과 정적 전압 보호입니다.

오픈 드레인 강화 MOSFET 구성

 

튜토리얼 요약

우리는 이 튜토리얼에서 사용된 바이폴라 트랜지스터의 유형(NPN 유형 또는 PNP 유형)에 따라 전류 싱크 또는 전류 소스 출력을 제공할 수 있는 오픈 콜렉터 출력 에 대해 살펴보았습니다.

NPN형 트랜지스터가 "ON" 상태에 있으면 접지 경로를 제공하거나 "싱크"합니다. "OFF" 상태에서는 오픈 컬렉터 출력이 풀업 저항을 통해 양의 공급 전압에 연결되지 않으면 출력 단자가 플로팅될 수 있습니다.

PNP형 트랜지스터의 경우에도 그 반대가 적용됩니다. "ON" 상태에 있으면 공급 레일에서 경로를 공급하거나 "공급"합니다. "OFF" 상태에서는 오픈 컬렉터 출력이 풀다운 저항을 통해 접지(0V)에 연결되지 않으면 출력 단자가 플로팅될 수 있습니다.

오픈 컬렉터 출력 또는 오픈 드레인 출력의 장점은 전환 또는 제어할 부하를 제어 회로에서 사용하는 공급 전압과 독립적이거나 다른 전압 공급 장치에 연결할 수 있다는 것입니다. 접지 또는 소싱 여부에 따라 외부에서 공급되는 전압을 싱크" 또는 "소스"합니다. 유일한 제한은 출력 스위칭 트랜지스터 또는 e-MOSFET의 최대 허용 전압 및 전류 정격입니다.