그림으로 배우는 전자회로의 기초 (4) - 그림으로배우는다이오드/트랜지스터

그림으로 배우는 전자회로의 기초 (Ⅱ) - 다이오드/트랜지스터

 

그림으로 배우는 전자회로의 기초 (Ⅱ) - 그림으로배우는다이오드/트랜지스터




반도체의 기본 소자! 다이오드

1. 2개의 다리를 가진 간단한 반도체 소자‘다이오드’

대부분의 다이오드는 전류의 흐름을 한 방향으로 정리하고자 할 때 이용되지만 빛을 발하는 LED(Light Emitting
Diode)나 일정한 전압을 발생시키는 제너 다이오드 등 특수한 용도에 사용되는 것도 있다.
여기서는 정류용 다이오드를 예로 들어 그 성질과 사용법을 소개한다. 정류용 전원으로 교류를 직류로 펴는 정류 외에 고주파 검파 회로, 스위치 소자, 각종 역류 방지 소자 등에 사용된다.

2. 다이오드의 정류 특성을 고찰한다

그림 1과 같이, 다이오드는 한 방향으로만 전류를 통과시키는 정류 소자라고 할 수 있지만 그 정류 특성을 잘 살펴보면 그림 2(a)와 같다.
설계할 때 이 식을 사용하는 경우는 드물며 그림 2(b)와 같이 간단한 모델을 이용한다.


(1) 정류 동작시키기 위해서는 순방향으로 0.6V 정도의 전압이 필요하다
다이오드가 가진 2개의 다리를 각각 애노드(Anode), 캐소드(Kathode)라고 한다. 이 두 개의 단자 사이에 가하는 전압 (V_X)이 역방향일 때, 즉 캐소드에 가해지는 전압이 애노드에 가해지는 전압보다 높을 때에는 전류가 흐르지 않는다. 순방향일 때, 즉 캐소드에 가해지는 전압이 애노드에 가해지는 전압보다 높을 때에는 전류(순방향 전류)가 흐른다.
순방향으로 흐르는 전류는 일정 전압(V_F)을 넘을 때까지 거의 제로이며, 순방향 전압이 VF에 도달하자마자 큰 전류가 흐르기 시작한다.
전류가 흐르기 시작하는 전압은 소재의 반도체 종류와 구조에 따라 다르며 다음과 같다.
·접합형 : 약 0.7V
·쇼트키 배리어형 : 약 0.3V
·LED(적색) : 약 2V
다이오드에 전류(I_F)가 흐르면 순방향 전압(V_F)과 그 순방향 전류(I_F)의 곱(V_FI_F)으로 나타낼 수 있는 전력 손실이 발생한다.

3. 다이오드의 성질

표 1은 다이오드의 성질을 정리한 것이다.
(1) 전극 사이에 콘덴서가 병렬로 접속되어 있는 것처럼 보인다
(2) OFF일 때 역방향으로 전압이 가해지도록 사용하는 경우, OFF 직후에 단시간(역회복 시간) 역전류가 흐른다
(3) OFF일 때에도 미소한 전류(리크 전류)가 흐른다
(4) 순방향 전류가 커지면 순방향 전압도 커진다
(5) 온도가 올라가면 순방향 전압은 작아진다

4. 접합형 쇼트키 배리어형이 있다

정류용 소신호 다이오드에는 접합형과 쇼트키 배리어형의 두 종류가 있다(표 2).
대부분의 접합형은 범용이며 쇼트키 배리어형은 파워 회로나 고주파 회로용이다.  

다이오드의 응용 …‘보호 회로’

1. 헬멧과 보호장비의 중요성은 나중에 알게 된다

보호에는 돌발 사고에 대비하는 헬멧과 같은 것과 항상 받는 공격으로부터 지키는 스포츠용 보호장비 등이 있다.
전자 회로에도 정전기 등의 노이즈나 장치끼리 연결했을때 발생하는 과대 전류 및 전류에 의해 전자 부품이 파괴되지 않도록 하는 다양한 보호 소자가 사용되고 있다.
실제 보호용 소자에는, 이상 전류가 흐르면 그 라인을 전기적으로 끊어버리는 퓨즈가 있고, 온도가 올라가면 저항값이 올라가는 소자 PTC 등이 있다. 또한 정전기의 침입을 막는 배리스터도 있다. 그리고 이 다이오드도 회로 보호에 이용할 수 있다.

2. 과전압에 의한 파괴로부터 보호한다

기본적인 개념은, 과전류는 끊고 과전압은 단락하는 것이므로 용도에 따라 적절한 소자를 선택한다. 과전류나 과전압이 가해짐에 따라 보호 소자 자체가 손상을 입는 경우도 많고 수명이 정해져 있는 경우도 있으므로 주의가 필요하다. 헌신적으로 회로를 보호하는 것이다.
신호 회로 내의 과전압 보호에 편리한 것이 다이오드이다 (그림 3). 일반 타입과 함께 제너 다이오드도 사용된다(그림4). 이러한 소자는 일정 전압을 넘으면 급격하게 전류가 흘러 나오므로, 전압 제한 회로에서는 그것을 이용한다(그림 5).회로 보호 외에도 전압 제한 회로를 사용하는데, 보호용 회로도 이치는 똑같다.


그림 6은 다이오드를 사용한 과전압 보호 예를 나타낸 것이다. 그림 6(e)에 대해 좀더 자세히 설명한다. 릴레이 내부의 스위치는 마찬가지로 내장 솔레노이드(코일) 전류를 트랜지스터등으로 ON/OFF 하면 열리거나 닫힌다. 이 때 코일에 흐르는 전류는 급하게 멈춰지지 않으므로(제2장 참조) 트랜지스터가 OFF됐을 때 코일에 흐르는 전류가 갈 곳이 없으면 약한 트랜지스터를 파괴하여 흘러나온다. 이 때 코일과 다이오드를 병렬로 연결하여 도망갈 길을 확보해 두면, 전류는 이 다이오드로 흐르므로 트랜지스터를 파괴되지 않도록 보호할 수 있다.

IC 내부의 입출력 단자부에도 다이오드가 내장되어 있으므로 과전압에서 IC를 보호한다. IC 입력 전압의 최대값은
대부분 VDD＋0.3V이지만 입력 신호를 남긴 상태에서 전원이 꺼지면 0V로 된 VDD에 대해 0.3V 이상의 전압이 가해져 보호 다이오드를 내장한 보람도 없이 정격 오버 상태로 되어 내장 보호용 다이오드에 과대 전류가 흐른다.
어느 정도의 전류에 견딜 수 있는지는 공표되어 있지 않은 경우가 많으므로, 불안하면 IC 외부에 보호용 다이오드를 추가하 이중으로 보호한다.    

전류를 ON/OFF하는 스위치 트랜지스터의 동작

트랜지스터는 구조에 따라 바이폴러형, 전계 효과형(FET)등으로 분류할 수 있다.
트랜지스터의 베이스 단자에 전류를 넣으면 수십∼수백 배의 전류로 증폭되어 컬렉터에서 이미터를 향해 흐른다(NPN의 경우). 이 배율을 전류 증폭률이라고 하며 일반적으로 h_FE라는 변수로 나타낸다.
여기서는 바이폴러형을 예로 들어 그 사용 예를 소개한다. 또한, 트랜지스터의 동작은 리니어 증폭과 스위치 두 개로 분류할 수 있다. 여기서는 스위치 소자로서 이용하는 경우에 대해 소개한다.

1. 응용 예 … LED 점등 회로

그림 7은 LED에 흐르는 전류를 트랜지스터로 ON/OFF하여 점등시키거나 소등시키는 회로이다.
마이컴이 출력할 수 있는 전류는 너무 작아 LED를 직접 연결해도 점등시킬 수 없다. 그래서 그림 7과 같이 트랜지스터를 추가했다.

(1) 회로 설계 순서
그림 7을 회로도로 그리면 그림 8과 같이 된다. 설계 순서를 설명한다.

① 부하 전류를 정하고 전류 제한 저항 R2를 구한다
LED에 따라서는 1mA 정도의 전류로도 점등되지만, 여러개의 LED를 나열했을 때 밝기에 편차가 나오지 않도록 좀더 큰 메이커에서 지정한 전류를 흘린다. 여기서는 LED에 약 10mA의 전류(I_L)를 흘리도록 했다.
우선 마이컴의 포트가 출력할 수 있는 최대 전류를 확인한다. 대부분 4mA 정도이므로 직접 구동할 수 없기 때문에 트랜지스터를 활용하게 된다.
트랜지스터는 스위치로 이용한다. LED 점등 시(트랜지스터가 ON일 때) LED에 흐르는 전류(I_L)는 전원전압(V_CC), 전류 제한 저항(R₂), LED의 순방향 전압(VF)에 따라 결정된다.
V_CC＝5V, V_F＝2V, I_L＝10mA라고 하면 다음과 같이 된다.
R₂＝(V_CC－V_F)/I_L＝(5V－2V)/10mA＝300Ω
R₂는 300Ω이 아니라 270Ω이나 330Ω이 일반적이며 구하기 쉬울 것이다.
② 트랜지스터의 종류를 결정한다
일본『트랜지스터기술』지에서 많이 다루었던 2SC1815(생산 중지 제품)와 거의 같은 규격으로 표면실장형인 2SC4116을 선택했다. 두 제품은 허용 손실이 다른데, 2SC1815가 P_c＝400mW(최대)인데 비해 2SC4116은 100mW로 1/4이다. 이번 경우에는 둘 다 충분하다. 데이터시트의 V_CE(sat)-I_C 특성에서 I_C＝10mA이며 V_C＝0.05V이므로 P_c＝0.1mW가 된다. 더 큰 전류나 높은 주파수를 가할 경우에는 트랜지스터가 견딜 수 있는지 검토해야 한다.
③ 베이스 저항 R₁을 결정한다트랜지스터의 베이스에 흘려 넣는 전류 I_B는 마이컴 I/O 단자가 0V일 경우(LED 소등 시) 0A이고, 5V일 경우(LED 점등 시) 다음과 같이 구한다.
트랜지스터의 베이스에 흘리는 전류는 다음과 같은 식으로구한다.
I_B ≧ h_FE/I_C
이번에 선택한 2SC4116의 h_FE는 70∼700이다. I_B가 약간이라도 부족하면 스위치가 ON과 OFF 사이의‘절반이 열린상태’로 되어 스위치로서 기능하지 않게 되므로, I_C/h_FE보다 여유를 갖고 큰 베이스 전류가 되도록 R1을 결정한다. 여기서는 필요한 컬렉터 전류 I_C(10mA)의 1/10(1mA)로 설정했다.
트랜지스터의 베이스-이미터 사이는 다이오드 특성이므로 마이컴의 I/O 단자-R₁-트랜지스터는 그림 8의 ③과 같은 회로로 나타낼 수 있다. R₁은 다음과 같은 식으로 구한다.
R₁＝(V_H－V_BE)/I_B＝(5V－0.7V)/1mA＝4.3kΩ
R₁은 4.3kΩ이 아닌 3.9kΩ이나 4.7kΩ인 쪽이 구하기 쉬울것이다. 1mA의 베이스 전류는 여유가 있으므로 10kΩ을 사용해도 문제 없다.    

트랜지스터의 동작

1. 어려운 것은 단순화하여 생각한다

트랜지스터는 그림 9와 같이 3개의 다리를 가진 반도체 소자이다. 생각해야 할 파라미터는 이들 3개의 단자에 흐르는 전류와 각각의 단자 사이에 가해지는 전압뿐이다. 하지만 이들의 움직임을 완전히 이해하고 회로를 만드는 것은 보통 사람에게 어려운 일이다.
평범한 사람들을 위해 생각해 낸 것이 그림 10과 같은 트랜지스터 모델(등가 회로)이다. 복잡한 동작을 대부분 간단한 유사 동작으로 치환한 것이다.


(1) 트랜지스터는 이렇게 간단히 나타낼 수 있다
자연 소재로 만들어진 트랜지스터를 제어하는 것은 간단하지 않지만, 단 한 가지 해볼 만한 것이 있다. 그것은 직류에서 컬렉터 측 움직임에 베이스 측 움직임이 거의 영향을 받지 않는다는 성질이다. 교류적으로는 베이스-컬렉터간 용량(C_ob)이 존재하며, 컬렉터와 베이스는 서로 영향을 준다.
베이스 측 움직임과 컬렉터 측 움직임을 나누어 생각하면 다음과 같다.
·베이스-이미터간 : 다이오드
·컬렉터-이미터간 : 베이스 전류에 비례하는 전류원


(2) 간단한 모델을 사용하여 트랜지스터의 스위치 동작을 고찰한다
LED 점등 회로에 스위치로 사용된 트랜지스터의 움직임을 그림 12에서 생각해 보자.
① 입력 측 … 베이스에 흐르는 전류
베이스-이미터간 다이오드는 순방향 전압(V_BE)이 0.7V에 도달한 부분에서 돌연 전류가 흘러나온다. 반대로 말하면, 어느 정도 전류를 흘렸을 때 V_BE＝0.7V에서 일정해진다[그림12(a)]. 이 때 흐르는 베이스 전류 IB는 다음과 같은 식에 따라 결정된다.
I_B＝(V_in－0.7V)/R_B
단, R_B는 베이스 저항[Ω]이다.
② 출력 측 … 컬렉터 전류와 컬렉터-이미터간 전압 그림 12(b)∼그림 12(c)를 보면서 컬렉터 전류와 컬렉터-이
미터간 전압의 변화에 대해 설명한다.
베이스 전류(I_B)가 일정다고 하면 컬렉터 전류(I_C)는 h_FEI_B의 크기까지 I_C 축 위를 수직으로 상승하고, h_FEI_B에 도달하면 V_CE 축과 평행하게 된다[그림 12(b), 그림 12(c)]. I_C 축 위는 전류의 크기에 상관없이 V_CE＝0(쇼트), 즉 스위치가 ON인 상태이다[그림 12(d)]. V_CE 축과 평행한 부분은 I_C＝h_FEI_B와 같이, 컬렉터 전류가 h_FE에 따라 결정되는 정전류 특성으로 되어 있다. 이 상태에서는 컬렉터와 이미터간 전압이 변해도 전류의 크기는 변하지 않는다.

I_B＝0A일 때에는 전압에 관계없이 I_C＝0이므로 스위치가 OFF인 상태이다. 트랜지스터를 스위치로서 움직일 경우에는 I_C 축 위의 V_CE＝0인 부분을 ON, V_CE 축 위의 I_C＝0인 부분을 OFF로 하여 사용하고, 그 외의 부분은 사용하지 않도록한다.
트랜지스터를 ON할 때에는 직각 구부러짐 특성을 가진[그림 12(b)] I_C＝h_FEI_B 부분을 사용하지 않도록 한다. h_FEI_B가 부하 전류보다 커지도록 한다. 실제 I_C-V_CE 특성은 이렇게 깨끗하게 직각으로 구부러지지 않으며 I_C의 상승과 함께 V_CE도 소폭 증가한다. I_B는 충분히 흐르게 하여 h_FEI_B >>부하 전류로 되도록 설정해야 한다(그림 13).이상은 단순화한 모델을 통해 고찰해 본 것이다. 그림 14에 실제 동작에서 주의해야 할 점을 간단하게 기술해 둔다.


2. 트랜지스터의 리니어 증폭 동작을 이용한 회로

리니어 동작을 고찰하는 것이야말로 모델을 간단하게 하는데 위력을 발휘한다.

(1) 이미터 폴로어
그림 15, 그림 16은 비교적 자주 이용되는 트랜지스터 회로‘이미터 폴로어’이다.
V_BE는 0.7V에서 거의 일정하다고 간주되며, 이미터의 전위(V_E)가 일정(V_B－0.7V)하게 유지된다. 그 결과, 베이스 전압이 변화하면 이미터 전압 V_E가 이 변화에 따른다. 이것이 폴로어(follower)라고 불리는 이유이다.
베이스 전위를 교류 신호원으로 변화시키면 이미터 전위가 이 변화에 따른다.

베이스 전류 I_B는 이미터 전류를 수십∼수백의 전류증폭률 h_FE로 나눈 작은 값이므로, 이미터 전류의 변화가 베이스 전류에 미치는 영향은 거의 없다.   

게이트(베이스) 전류 제로에서도 ON되는 트랜지스터‘MOSFET’

그림 A는 MOSFET이라고 하는 트랜지스터 모델이다. 바이폴러 트랜지스터는 베이스에 가해지는 전류의 크기를 변화시켜 컬렉터 전류를 제어하지만, MOSFET은 게이트에 가해지는 전압의 크기를 변화시켜 드레인 전류를 제어한다. 게이트에 전압을 가하거나 가하지 않는 간단한 제어로 ON/OFF 스위치로 사용할 수있는 것이다. 바이폴러 트랜지스터가 필요한 베이스 전류(게이트전류)는 0A면 된다.
스위치가 ON되지 않는 경계가 되는 게이트 전압(게이트 임계값 전압이라고 한다)은 3V일 수도, 또한 4V일 수도 있다. 제품에 따라다르다.
게이트는유전체를끼워다른전극과절연되어있으며콘덴서와 같은 성질을 나타내므로, 게이트에 전압을 가한 직후나 0V로 한직후에는큰충전전류나방전전류가흐른다.
게이트에 가하는 ON/OFF 신호 전환 시간이 길면 MOSFET이리니어로 동작하는 기간(스위치가‘절반 열린 상태’로 되어 앰프로서 동작할 수 있는 시간)이 길어져 발진하거나 손실이 증가한다.


베이스 접지 회로는 이러한 느낌으로!

1. 트랜지스터 안에서는 회로에 대해 신경쓰지 않는다

트랜지스터 안에서는 언제나 그림 17과 같이 똑같은 일이 일어나고 있다. NPN 트랜지스터에서는 베이스에 나타난 미녀(PNP에서는 미남)에게 끌려 이미터에서 컬렉트로 많은 남성(PNP에서는 여성)이 흘러내려 온다. 안에 있는 사람은 밖의 회로를 모르므로 다리 3개의 상대 관계가 변하지 않으면 동작이 같다.


2. 회로가 달라도 트랜지스터는 같은 동작!

트랜지스터를 사용한 증폭 회로의 기본은 이미터 접지 증폭 회로이지만, 교과서에서는 트랜지스터 1개를 사용한 회로로서 베이스 접지 회로도 소개되고 있다. 회로 이름이 다른것은 특징이 다르기 때문이지만 트랜지스터의 동작은 같다. 트랜지스터 안에 있는 사람이 눈치 채지 못하게 회로를 변경해 봄으로써 그것을 확인해 보자.

3. 안에 있는 사람이 눈치 채지 못하도록 이미터 접지를 베이스 접지로 해본다

(1) 접지 위치를 바꿔 신호 부여 방법을 바꿔 본다
그림 18(a)은 이미터 접지 회로를 나타낸 것이다. 베이스 전류에 대해 전류 증폭 배율(hfe)된 컬렉터 전류가 흐르고 있다. 이미터에 연결된 접지 마크를 베이스로 이동하여 그림18(b)과 같이 베이스에 접지해 본다. 트랜지스터 다리 3개의 전류와 전압의 관계는 이미터 접지와 다를 것이 없으므로, 트랜지스터 안에 있는 사람은 베이스가 접지된 것을 눈치 채지 못하고 있다.
이어서 그림 18(c)과 같이 컬렉터 측에 베이스와 같은 신호원을 추가하여 접지한다. 아직 이미터 접지와 동일한 전류 관계이다.
입력 신호원을 완전히 돌려 이미터 측으로 이동한 것이 그림 18(d)이다. 지금까지는 트랜지스터 안에 있는 사람들이 눈치 채지 못하게 베이스 접지처럼 되었다.


(2) 작은 신호를 무시하면…
컬렉터 측 V_in은 V_out에 대해 소진폭이라는 것을 무시해 본다. 이어서 컬렉터 측 V_bias도 떼어내고 V_C2＝V_C－V_bias로 하여 I_C≒I_C2로 한다. 이렇게 하면 그림 18(e)과 같이 베이스 접지로 된다. 이미터 접지와 베이스 접지 모두 트랜지스터 동작이 같다는 것을 알 수 있었을 것이다.

4. 안에 있는 사람은 같은 일을 하고 있지만 밖에서 보면…
회로는 어느 사이에 베이스 접지로 됐지만, 트랜지스터적으로 I_B와 I_C2의 관계는 그림 18(a)의 이미터 접지인 경우와 거의 동일하다. 그렇다면 밖의 회로에서는 무엇이 변한 것일까.
그림 18(e)과 그림 18(f)을 보면서 비교해 본다. 트랜지스터 입장에서는 베이스와 컬렉터간 전압차에 실려 있던 V_in이 없어졌지만, 원래 컬렉터 전압 진폭에 대해 작은 값이므로 무시한다.
크게 바뀐 점으로는, 트랜지스터 안과 관계가 없는 바깥쪽 회로에서 입력 장소가 바뀌었다는 것을 들 수 있다. 또한 이미터 접지에서는 I_B였던 입력 전류가 I_B＋I_C로 증가했다. 그러나 전압 진폭은 변하지 않았다. I_C는 I_B에 비해서 h_fe배 큰 전류이다.
입력 V_in에 대한 I_B와 I_C2의 변화는 이미터 접지일 때와 같지만 V_out2도 이미터 접지와 같은 정도로 증폭된 진폭이 된다.반복하지만, 트랜지스터적으로는 이미터 접지와 동일한 느낌으로 움직이고 있다. 입력이 이미터 측에 왔을 때의 동작 특징은 다음과 같다.
·같은 입력 진폭인데도 입력 전압이 거의 h_fe배 흐르므로 입력 임피던스(전압 진폭/전류)가 낮다
·입출력 전류는 거의 같다
·입출력은 동상
·전압 증폭률은 이미터 접지와 같다

5. 베이스 접지 회로를 어디에 사용할 수 있을까?

(1) 이미터 접지의 동작주파수 한계를 높일 수 있다
이미터 접지에서는 베이스 입력과 컬렉터 출력의 전압 진폭이 역상으로 된다. 그림 19(a)와 같이 증폭된 역상 전압이 기생 용량을 통해 입력으로 되돌아오므로, 신호 주파수가 상승함에 따라 입력이 소거되어 증폭률이 내려가 버린다. 이와 같이 반전 증폭된 출력으로 인해 기생 용량에서 입력에 피드백이 걸려 접지에 대한 용량보다 큰 부하가 되는 것을 미러 용량이라고 한다.

그림 19(b)와 같이 베이스 접지를 컬렉터 측에 접속하면 이 미터 접지의 컬렉터 전압 진폭을 작게 할 수 있으므로 컬렉터-베이스간 용량을 경유하여 베이스로 되돌아가는 역상 진폭을 작게 할 수 있다. 베이스 접지의 컬렉터-베이스 사이에도 동일한 기생 용량이 있지만 베이스는 접지되어 있으므로 출력 저항 RL과 기생 용량의 적분 회로로만 된다. 이미터 접지 위에 베이스 접지 회로를 조합시키는 접속 방법을 캐스코드 접속이라고 한다. 그림 19(c)의 회로 예에서는 동작 점을 정하기 위해 저항에 의한 분압 회로를 이용했다. C₁은 베이스 전류의 변화에 따라 설정 전압이 변하지 않도록 하기 위한 커패시터로, AC 접지라고 한다.    

本記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=001&idx=11547