홍라이프 계산기BJT 트랜지스터 스위치 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)는 마이크로컨트롤러 핀으로 릴레이, 모터, 램프, LED를 켜고 끄는 로우사이드 스위치로 자주 쓰입니다. 이 계산기는 트랜지스터를 확실히 포화시키는 베이스 저항값을 구하고, 켜져 있을 때 트랜지스터에서 소모되는 전력을 어림합니다.
계산 방법
- 베이스 전류: I_B = of × I_C / h_FE입니다.
- 베이스 저항: R_B = (V_in − 0.7) / I_B이며 I_B는 A 단위입니다.
- 포화 시 전력: P ≈ V_CE(sat) × I_C = 0.2 V × I_C입니다.
- 부하: R_부하 = (V_cc − 0.2) / I_C, P_부하 = (V_cc − 0.2) × I_C로, 전원에서 이 전류를 끌어가는 부하를 뜻합니다.
I_C는 부하(컬렉터) 전류, h_FE는 데이터시트의 최소 전류 증폭률, V_in은 구동 전압, V_cc는 전원 전압, of는 과구동 계수입니다. V_BE ≈ 0.7 V, V_CE(sat) ≈ 0.2 V로 가정합니다.
원리
활성 영역에서 컬렉터 전류는 베이스 전류의 약 h_FE배입니다. 하지만 스위치가 이 영역에 머물면 트랜지스터에 수 V가 걸려 뜨거워집니다. I_C / h_FE보다 많은 베이스 전류를 넣으면 포화 영역으로 들어가 컬렉터-이미터 전압이 0.2 V 안팎으로 떨어지고, 전류는 부하가 정하게 됩니다. 증폭률은 부품마다 편차가 크고 대전류·저온에서 낮아지므로 최소 필요량에 보통 2~10배의 과구동 계수를 곱합니다. 베이스 저항은 베이스-이미터 전압을 뺀 나머지 전압에 옴의 법칙을 적용해 구합니다.
예제 풀이
- 최소 베이스 전류: 100 mA / 100 = 1 mA입니다.
- 과구동 5배: I_B = 5 × 1 = 5 mA(강제 증폭률 20)입니다.
- 베이스 저항 양단 전압: 5 − 0.7 = 4.3 V입니다.
- R_B = 4.3 / 0.005 = 860 Ω입니다.
- 포화 시 전력: 0.2 V × 100 mA = 20 mW입니다.
- 전원이 12 V이면 R_부하 = 11.8 V / 0.1 A = 118 Ω, 부하 전력은 11.8 V × 0.1 A = 1,180 mW입니다.
| 컬렉터(부하) 전류 (mA) | 베이스 저항 (Ω) |
|---|---|
| 25 | 3,440 |
| 50 | 1,720 |
| 75 | 1,146.666667 |
| 100 | 860 |
| 125 | 688 |
| 150 | 573.3333333 |
| 200 | 430 |
결과 해석
결과 이하의 가장 가까운 표준 저항을 고르면 포화가 유지됩니다. E12의 820 Ω이면 베이스 전류는 약 5.2 mA입니다. 구동 핀이 그 전류를 낼 수 있는지도 확인하십시오. 많은 마이크로컨트롤러 핀은 수 mA에서 20 mA 안팎으로 제한됩니다. 20 mW는 TO-92 소형 트랜지스터에 무리가 없지만, 부하 전류가 수 A라면 전력 트랜지스터나 MOSFET을 쓰는 편이 좋습니다.
흔한 실수
- 최소값 대신 대표 h_FE를 쓰는 경우
- 릴레이나 모터 코일에 환류 다이오드를 달지 않는 경우
- 구동 핀이 낼 수 없는 베이스 전류를 요구하는 경우
- NPN 하이사이드 스위치에 같은 회로를 쓰는 경우
자주 묻는 질문
과구동 계수는 얼마가 적당한가요?
강제 증폭률 10~20(h_FE 100이면 과구동 5~10)이 확실한 포화를 위한 흔한 기준입니다.
베이스 저항을 아주 작게 하면 안 되나요?
베이스 전류가 지나치면 전력이 낭비되고 구동 핀에 무리가 가며, 축적 전하 때문에 꺼지는 속도도 느려집니다.
언제 MOSFET을 쓰는 것이 좋나요?
부하 전류가 수백 mA를 넘으면 게이트 전류가 거의 필요 없는 로직 레벨 MOSFET이 도통 손실도 작습니다.
출처: Sedra, Smith, Microelectronic Circuits, 바이폴라 접합 트랜지스터 장 · Horowitz, Hill, The Art of Electronics, 3판, 트랜지스터 장