릴레이, 모터 및 LED용 트랜지스터 스위칭

트랜지스터는 회로의 전류를 제어하는 전자 스위치로 작동할 수 있습니다. 작은 신호를 사용하여 더 큰 부하를 켜거나 끄기 때문에 많은 전자 시스템에서 유용합니다. 이 기사에서는 로우사이드 및 하이사이드 제어, 베이스 및 게이트 저항기, 유도 부하 보호 및 마이크로컨트롤러 인터페이스를 포함하여 BJT 및 MOSFET 트랜지스터가 스위칭에 어떻게 사용되는지 자세히 설명합니다.

씨1. 트랜지스터 스위칭 개요

씨2. 트랜지스터 스위칭 상태

씨3. 스위칭 회로의 트랜지스터 응용

트랜지스터 스위칭 개요

트랜지스터는 회로의 전류 흐름을 제어하는 전자 스위치 역할을 할 수 있는 반도체 장치입니다. 경로를 물리적으로 열거나 닫는 기계식 스위치와 달리 트랜지스터는 베이스(BJT) 또는 게이트(FET)에 적용된 제어 신호를 사용하여 전자적으로 스위칭을 수행합니다. 스위칭 애플리케이션에서 트랜지스터는 전류가 흐르지 않고 트랜지스터가 개방 스위치처럼 작동하는 차단 영역(OFF 상태)과 최대 전류가 최소한의 전압 강하로 흐르는 포화 영역(ON 상태)의 두 가지 주요 영역에서만 작동합니다.

트랜지스터 스위칭 상태

스위칭 회로의 트랜지스터 응용

릴레이 및 솔레노이드 제어

트랜지스터는 마이크로컨트롤러가 직접 공급할 수 없는 필수 코일 전류를 제공하여 릴레이와 솔레노이드를 구동합니다. 플라이백 다이오드는 전압 스파이크로부터 보호하는 데 사용됩니다.

LED 및 Lamp 스위칭

트랜지스터는 낮은 제어 신호를 사용하여 LED와 소형 램프를 전환하는 동시에 제어 회로를 과전류로부터 보호합니다. 표시기, 디스플레이 및 조명 제어에 사용됩니다.

모터 드라이버

트랜지스터는 고전류 스위치 역할을 하여 DC 모터를 구동합니다. 전력 BJT 또는 MOSFET은 로봇 공학, 팬, 펌프 및 자동화 시스템의 안정적인 제어에 사용됩니다.

전원 관리 회로

트랜지스터는 전자 전력 스위칭, 보호 및 조정에 사용됩니다. 배터리 충전기, DC 컨버터 및 자동 전력 제어 회로에 나타납니다.

마이크로컨트롤러 인터페이스

트랜지스터는 마이크로컨트롤러를 고전력 부하와 인터페이스합니다. 약한 논리 신호를 증폭하고 계전기, 모터, 부저 및 고전류 LED를 제어할 수 있습니다.

스위치로서의 NPN 트랜지스터

NPN 트랜지스터는 센서나 마이크로컨트롤러와 같은 장치의 저전력 신호를 사용하여 LED, 릴레이 및 소형 모터와 같은 부하를 제어하는 전자 스위치로 사용할 수 있습니다. 트랜지스터가 스위치로 작동할 때 차단(OFF 상태)과 포화(ON 상태)의 두 영역에서 작동합니다. 차단 영역에서는 베이스 전류가 흐르지 않고 트랜지스터가 컬렉터 측의 전류를 차단하므로 부하가 꺼진 상태로 유지됩니다. 포화 영역에서는 트랜지스터를 완전히 켜기에 충분한 베이스 전류가 흐르므로 전류가 컬렉터에서 이미터로 전달되어 부하에 전력이 공급됩니다.

NPN 트랜지스터를 스위치로 사용하려면 베이스로 들어가는 전류를 제한하기 위해 베이스 저항(RB)이 필요합니다. 기본 전류는 다음을 사용하여 계산됩니다.

여기서 IC는 부하를 통과하는 전류이고 βforced는 안전 스위칭에 사용되는 감소된 이득 값인 β/10입니다. 그런 다음 기본 저항은 다음을 사용하여 계산됩니다.

여기서 VIN은 제어 전압이고 VBE는 베이스-이미터 전압(실리콘 트랜지스터의 경우 약 0.7V)입니다. 이러한 공식은 트랜지스터가 손상되지 않고 적절하게 전환할 수 있도록 충분한 기본 전류를 수신하도록 하는 데 도움이 됩니다.

스위치로서의 PNP 트랜지스터

PNP 트랜지스터는 스위치로도 사용할 수 있지만 부하가 접지에 연결되고 트랜지스터가 양의 공급 전압에 대한 연결을 제어하는 하이사이드 스위칭에 적용됩니다. 이 구성에서 PNP 트랜지스터의 이미터는 +VCC에 연결되고 컬렉터는 부하에 연결되며 부하는 접지에 연결됩니다. 트랜지스터는 베이스가 낮게 당겨지면(이미터 전압 아래) 켜지고 베이스가 높게 당겨지면(+VCC에 가까움) 꺼집니다. 따라서 PNP 트랜지스터는 자동차 배선 및 배전 시스템과 같이 부하를 양극 레일에 직접 연결해야 하는 스위칭 회로에 적합합니다.

베이스로 흐르는 전류를 제한하려면 베이스 저항(RB)이 필요합니다. 기본 전류는 다음을 사용하여 계산됩니다.

여기서 IC는 컬렉터 전류이고 βforced는 안정적인 스위칭을 위해 트랜지스터 일반 이득의 10분의 1로 간주됩니다. 그런 다음 기본 저항의 값은 다음을 사용하여 계산됩니다.

PNP 트랜지스터에서 VBE는 순방향 바이어스 시 약 -0.7V입니다. 제어 신호는 베이스-이미터 접합부를 순방향 바이어스하고 트랜지스터를 ON으로 돌릴 수 있을 만큼 충분히 낮게 당겨져야 합니다.

BJT 스위칭의 기본 저항

BJT 트랜지스터를 스위치로 사용할 때 베이스 단자로 들어가는 전류를 제어하기 위해 베이스 저항(RB)이 필요합니다. 저항은 트랜지스터와 마이크로컨트롤러 핀과 같은 제어 소스를 너무 많은 전류로부터 보호합니다. 이 저항이 없으면 베이스-이미터 접합부가 과도한 전류를 끌어와 트랜지스터를 손상시킬 수 있습니다. 또한 기본 저항은 트랜지스터가 OFF와 ON 상태 사이를 적절하게 전환하도록 합니다.

트랜지스터를 완전히 켜려면(포화 모드) 충분한 기본 전류가 제공되어야 합니다. 기본 전류 IB는 컬렉터 전류 IC와 강제 베타라는 안전한 이득 값을 사용하여 계산됩니다.

트랜지스터의 정상 이득(베타)을 사용하는 대신 안전을 위해 강제 베타라는 더 낮은 값이 사용됩니다.

기본 전류를 계산한 후 기본 저항 값은 옴의 법칙을 사용하여 구합니다.

여기서 VIN은 제어 전압이고 VBE는 실리콘 BJT의 경우 약 0.7V의 베이스-이미터 전압입니다.

로직 레벨 제어의 MOSFET 스위칭

MOSFET은 BJT에 비해 더 높은 효율과 더 낮은 전력 손실을 제공하기 때문에 현대 회로에서 전자 스위치로 사용됩니다. MOSFET은 드레인과 소스 사이의 전류 흐름을 제어하는 게이트 단자에 전압을 가하여 작동합니다. 연속적인 베이스 전류가 필요한 BJT와 달리 MOSFET은 전압 구동이며 게이트에서 전류를 거의 끌어오지 않으므로 배터리 구동 및 마이크로컨트롤러 기반 시스템에 적합합니다.

MOSFET은 더 빠른 스위칭 속도, 더 높은 전류 처리 및 매우 낮은 ON 저항 RDS(on)를 지원하여 가열 및 에너지 손실을 최소화하기 때문에 스위칭 애플리케이션에 선호됩니다. 이는 일반적으로 모터 드라이버, LED 스트립, 릴레이, 전력 변환기 및 자동화 시스템에 사용됩니다. 로직 레벨 MOSFET은 낮은 게이트 전압(5V 또는 3.3V)에서 완전히 켜지도록 특별히 설계되어 게이트 드라이버 회로 없이 Arduino, ESP32 및 Raspberry Pi와 같은 마이크로컨트롤러와 직접 인터페이스하는 데 이상적입니다.

일반적으로 사용되는 논리 레벨 MOSFET은 다음과 같습니다.

• IRLZ44N – DC 모터, 릴레이 및 LED 스트립과 같은 고전력 부하 스위칭에 적합합니다.

• AO3400 – 저전력 디지털 스위칭 애플리케이션에 적합한 소형 SMD MOSFET.

• IRLZ34N – 로봇 공학 및 자동화의 중간 및 고전류 부하에 사용됩니다.

로우사이드 및 하이사이드 스위칭

로우사이드 스위칭

로우사이드 스위칭에서 트랜지스터는 부하와 접지 사이에 배치됩니다. 트랜지스터가 켜지면 접지 경로가 완성되고 부하를 통해 전류가 흐르도록 합니다. 이 방법은 간단하고 사용하기 쉽기 때문에 디지털 및 마이크로컨트롤러 기반 회로에서 일반적입니다. 로우사이드 스위칭은 NPN 트랜지스터 또는 N채널 MOSFET을 사용하여 수행되는데, 이는 접지를 기준으로 하는 제어 신호로 구동하기 쉽기 때문입니다. 이 방법은 LED, 릴레이 및 소형 모터 스위칭과 같은 작업에 사용됩니다.

하이사이드 스위칭

하이사이드 스위칭에서 트랜지스터는 전원 공급 장치와 부하 사이에 배치됩니다. 트랜지스터가 켜지면 부하를 양극 전압 공급 장치에 연결합니다. 이 방법은 안전 또는 신호 참조상의 이유로 부하가 접지에 연결된 상태를 유지해야 할 때 사용됩니다. 하이사이드 스위칭은 PNP 트랜지스터 또는 P 채널 MOSFET을 사용하여 수행됩니다. 그러나 베이스 또는 게이트를 켜려면 공급 장치보다 낮은 전압으로 구동해야 하기 때문에 제어하기가 약간 더 어렵습니다. 하이사이드 스위칭은 일반적으로 자동차 회로, 배터리 구동 시스템 및 전력 제어 애플리케이션에 사용됩니다.

유도 부하 스위칭 보호

트랜지스터를 사용하여 모터, 릴레이, 솔레노이드 또는 코일과 같은 유도 부하를 제어할 때 전압 스파이크로부터 보호해야 합니다. 이러한 부하는 전류가 흐르는 동안 자기장에 에너지를 축적합니다. 트랜지스터가 꺼지는 순간 자기장이 붕괴되고 해당 에너지가 갑작스러운 고전압 스파이크로 방출됩니다. 보호 기능이 없으면 이 스파이크가 트랜지스터를 손상시키고 전체 회로에 영향을 미칠 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 부하 전체에 보호 구성 요소가 추가됩니다. 가장 일반적인 것은 코일을 가로질러 역방향으로 연결된 1N4007과 같은 플라이백 다이오드입니다. 이 다이오드는 트랜지스터가 꺼질 때 전류가 흐를 수 있는 안전한 경로를 제공하여 전압 스파이크를 중지합니다. 전기 노이즈를 제어해야 하는 회로에서는 RC 스너버(직렬로 연결된 저항기와 커패시터)를 사용하여 날카로운 펄스를 줄입니다. 더 높은 전압을 다루는 회로의 경우 TVS(Transient Voltage Suppression) 다이오드를 사용하여 위험한 스파이크를 제한하고 전자 부품을 보호합니다.

트랜지스터 스위칭이 있는 마이크로컨트롤러 인터페이스

Arduino, ESP32 및 STM32와 같은 마이크로컨트롤러는 GPIO 핀에서 작은 출력 전류만 제공할 수 있습니다. 이 전류는 약 20-40mA로 제한되며, 이는 모터, 릴레이, 솔레노이드 또는 고전력 LED와 같은 장치에 전력을 공급하기에 충분하지 않습니다. 이러한 더 높은 전류 부하를 제어하기 위해 마이크로컨트롤러와 부하 사이에 트랜지스터가 사용됩니다. 트랜지스터는 마이크로컨트롤러의 작은 신호가 외부 전원에서 더 큰 전류를 제어할 수 있도록 하는 전자 스위치 역할을 합니다.

트랜지스터를 선택할 때 마이크로컨트롤러의 출력 전압으로 완전히 켜질 수 있는지 확인하십시오. 로직 레벨 MOSFET은 ON 저항이 낮고 작동 중에 시원함을 유지하기 때문에 더 큰 부하에 적합합니다. 2N2222와 같은 BJT는 더 작은 하중에 적합합니다.

결론 

트랜지스터는 LED, 릴레이, 모터 및 전원 회로를 제어하는 데 사용되는 신뢰할 수 있는 전자 스위치입니다. 올바른 베이스 또는 게이트 저항을 사용하고, 유도 부하에 대한 플라이백 보호 기능을 추가하고, 올바른 스위칭 방법을 선택함으로써 회로는 안전하고 효율적이 됩니다. 트랜지스터 스위칭을 이해하면 적절한 제어 및 보호 기능을 갖춘 안정적인 전자 시스템을 설계하는 데 도움이 됩니다.

자주 묻는 질문 [FAQ]

스위칭을 위해 BJT 대신 MOSFET을 선택하는 이유는 무엇입니까?

MOSFET은 더 빠르게 전환되고 전력 손실이 적으며 지속적인 게이트 전류가 필요하지 않습니다.

스위칭 회로에서 트랜지스터가 과열되는 원인은 무엇입니까?

열은 트랜지스터가 완전히 켜지지 않은 경우 P = V × I로 계산되는 스위칭 중 전력 손실로 인해 발생합니다.

MOSFET에서 RDS(on)란 무엇입니까?

드레인과 소스 사이의 ON 저항입니다. RDS(on)가 낮을수록 열이 낮고 효율성이 향상됩니다.

트랜지스터가 AC 부하를 전환할 수 있습니까?

직접적이지는 않습니다. 단일 트랜지스터는 DC에서만 작동합니다. AC 부하의 경우 SCR, TRIAC 또는 릴레이가 사용됩니다.

게이트나 베이스를 떠 있으면 안 되는 이유는 무엇입니까?

플로팅 게이트 또는 베이스는 소음을 포착하고 무작위 스위칭을 일으켜 작동이 불안정해질 수 있습니다.

MOSFET 게이트를 고전압으로부터 어떻게 보호할 수 있습니까?

게이트와 소스 사이에 제너 다이오드를 사용하여 추가 전압을 고정하고 게이트 손상을 방지합니다.