Transistor - BJT 응용회로

Transistor 

• BJT (Bipolar Junction Transistor) - 그냥 트랜지스터 : 대부분 BJT
• MOSFET

 

Npn 트랜지스터 

• 왼쪽에 있는 전자가 오른쪽으로 가려면 일단 p-type쪽으로 가야함. 전자를 보내는법: 왼쪽 pn접합 부분에서 순방향 bias를 보내줌. 기본 0.7V 이상. Diode 와 다르게 p-type부분을 얇게 만들어서 내려가지 않고 지나감. 오른쪽에 + 전압을 걸어주면 전자들이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동함. 전류의 방향은 오른쪽에서 왼쪽으로 (전자와 반대방향) 흐름. 
• 왼쪽 단자: 전자를 쏘아주는 단자 (Emitter), 가운데: 기지역할 (Base), 오른쪽: 수집가 (collector) 
• 왼쪽에 걸어주는 전압: 베이스와 emitter사이의 전압 V_BE, collector와 base 사이 V_CB. 흐르는 전류 : I_C. Base 입장에서 들어가는 방향 I_B (1개의 전자가 밑으로 빠지고 99개의 전자가 오른쪽으로 이동). Emitter 입장에서 나가는 방향 I_E.

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복습 

다이오드 → 순방향 전압 0.7 V 을 적절하게 걸어줘서 확산이 일어나면서 전류가 흐른다. Anode에서 cathode방향으로. 전압을 반대로 걸면 전류가 흐르지 않음. 스위치처럼 동작. 

 

브릿지 정류회로: 전파정류회로. 220V rms 60Hz를 5V DC전압으로 만드는것을 해봤음. 변압기를 사용해서 진폭을 12V로 줄임. 변압기에서 나온 출력을 정류. 좀더 평평하게 하기 위한 부품 capacitor. 제너 다이오드를 사용한 voltage regulator를 사용해서 5V를 만들어봄. 

 

다이오드를 사용해서 clamping작용을 시킬 수 있는 snubber (완충) 회로. Inductor가 달려있는 회로에 반드시 고려. RC가 일종의 필터역할을 해서 전압이 급작스럽게 못바뀌게함. 

 

ESD (Electro Static Discharge) 정전기방전. 정전기는 주로 마찰에 의해 쌓인다. 마찰열에 의해 전자들이 넘어감. ESD가 발생해서 완전히 소멸하는데 걸리는 시간 1us. 다이오드를 써도되는데 주로 전문 부품을 사용. TVS(반도체), varistor(화학물) : 정전기 방전 전문 부품. Varistor는 내부 C값이 커서 고속신호를 죽일 수 있음. TVS는 양방향성 (제너 다이오드 2개 마주봄)과 단방향성 (제너 다이오드 한개)이 있다. Working Voltage를 확인. 

 

트랜지스터의 동작특성 

NPN 스위치 

• N-type 쪽 전자들을 반대편으로 보냄. P-type으로 전자를 확산시키기 위해서 순방향 bias (0.7V 정도)를 걸어줌. 
• 100개의 전자가 출발한다고 가정했을때 1개정도만 아래로 빠지고 99개는 지나감. 오른쪽 단자에서 + 전압을 걸어주면 전자들이 딸려옴. 전류가 왼쪽으로 흐름. 
• Emitter, Base, Collector 단자. Emitter쪽에 전자가 더 많아야함 (쏘아주는 역할). N+ (농도가 진하다)로 표시. Emitter, collector를 반대로 쓰면 전류가 줄어듦. 
• V_BE, V_CE, collector쪽에서 들어가는 전류 I_C. Base쪽 전류방향 I_B. Emitter 방향으로 나가는 전류 I_E = I_B+I_C. 
• 트랜지스터를 스위치처럼 쓸거. Collector단자와 Emitter단자 사이에 스위치. 스위치가 on 되면 전류의 크기가 양단자에 같아야하므로 I_B는 무시할 수 있음. 스위치에서는 I_C와 I_E가 거의 같다.  
• I_C/I_B = 베타 (100). 실제 트랜지스터에서 수십~ 수백의 값. 데이터시트에는 베타 = hfe 로 적혀있음. 
• Base 전류가 없다라고 생각하면 안됨. BJT에서는 Base전류를 사용해서 switch를 on/off 시킨다 (전류제어스위칭). 
• Collector와 Base사이 V_CB를 0으로 만들어도 전류는 흐름. Emitter단자가 Collector단자 보다 더 높기때문. V_CB가 0.4V 까지는 전류가 잘 흐름. 0.3V 전압차이. 0.5V가 되면 0.2V 차이가 난다. 그러나 전류가 잘 흐르지 못하는 경계가 된다. 오른쪽에 있는 pn 접합이 역방향으로 도통이 되기 시작한다. N-type의 농도가 진할수록 도통시킬때 필요한 전압이 커짐. 
• 스위치로 사용할때 emitter와 collector 사이에 0.2V 정도의 전압차.

 

트랜지스터의 symbol만 가지고 설명 

• Emitter단자에 화살표: 전류의 방향 
• 회로에서 화살표의 의미: 전류의 방향, p → n 방향 

 

Npn 트랜지스터를 스위치로 쓸때 조건

• Emitter 전압이 가장 낮음
• V_BE > 0.7V 
• Base 전류가 부품 안으로 들어가는 방향으로 흐른다. 전류가 collector에서 emitter쪽으로 전류가 흐른다. (Switch on)
• 화살표는 switch on을 시키기 위해서 들어가는 base전류 방향. Switch on이 됐을 때 흐르는 collector 전류 방향이기도 하다. 
• 대상이 되는 부하는 일반적으로 collector 단자에 달려있음.
• Low-side switch

 

PNP 스위치 

• 화살표가 있는 emitter단자가 위로 가있음. 
• 전류가 흐르는 동작을 하려면 emitter단자가 가장 높은 전압이 되어야한다. 
• 조건 1: emitter가 supply에 연결되어야함. 
• 조건2: base와 emitter 사이에 0.7v 이상의 전압이 걸려야함. (V_EB)
• 조건 3: base 전류 (I_B)의 방향이 나가는 방향으로 흐른다. 
• Collector 단자에 달려있는 부하를 지나가면서 동작시킨다. 
• High-side switch 

 

• 고속스위칭이 누가 더 유리한가? 
• Npn은 전자가 전공보다 훨씬더 많이 움직여 전류를 만듦. Pnp는 전공이 움직여서 전류를 만듦. 전자가 전공에 비해 2~3배 빠름. Npn이 고속스위칭에 유리하다. 

 

내가 보려는 전류의 극성을 잘 봐야한다. 

 

스위치

• Npn에서 Base전류가 들어가는 방향으로 흐르고 있음. Collector전류가 비례해서 들어가는 방향으로 흐르고 있다 →가운데 구간은 증폭기로 사용되는 구간. Base전류의 크기에 관계없이 collector에서 emitter로 일정하게 흐르는구간 → switch on으로 사용되는 구간. Base 전류의 크기도 어느정도 이상 되어야지 switch역할을 한다. 
• Base 전류와 collector전류의 관계 : 베타. 30mA가 아니라 넉넉하게 큰 50mA 정도 base전류를 흘려줘야한다. → 마진을 줘야한다. 

 

증폭기 

• 기울기: 베타 
• 베이스 전류를 살랑살랑 흔들어서 컬렉터 전류를 출렁출렁 바뀌게함 → 증폭기. 

 

• Base가 50u일때 collector전류가 4.84mA. 원래는 5mA가 되어야 하는데 4.84인 이유?

• BJT의 특성 : switch on으로 동작할때 collector와 emitter의 전압차 0.2v 정도. 전압차이가 나는 스위치
• 전류가 흐르는데 전압이 0.2v정도 생김 → 0.2v*I 정도의 파워소모가 발생 → 모바일 기기같은 곳에서 사용 x. 모바일 기기에서는 MOSFET를 쓴다. 

부품만 바꿔서 시뮬레이션 

 

전류원 말고 전압원과 저항으로 npn 트랜지스터 설계

 

전류가 왼쪽 저항에 붙어있다 → 전류가 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다 (들어가는 방향)

IC에서 0v, 5v출력 

• 0v 가 들어가면 npn switch off
• 전류가 안흐른다 → 저항 양쪽 전압이 똑같다
• Floating 되어있는 저항 R1은 5V
• 5V가 들어가면  RB에 50uA가 흐르고 npn switch on, 0.2v흐름
• 디지털 시스템에서 0.2v 는 논리 0으로 생각 → not gate (RTL gate)
  
  

 

 

저항을 1k로 바꾸면 

 

 

튀는 값 왜 발생?

• Pn 접합 접합면 주변에는 기생적인 C값 
• Base, collector사이 base, emitter 사이 pn 접합 → capacitor가 있다.

  

• 신호의 모서리부분 전압의 시간변화가 큰부분에 C가 있다. Capacitor를 지나가는 전류가 생김. 타고 넘어간 전류가 저항을 만나면 전압으로 변함 → 순간적으로 튀는 전압 생성
• 아까는 없었는데 왜 지금은 튀는 값이 생기냐?
• RC 시정수가 있는 회로에서 신호가 늘어져서 나온다. Rising time, falling time이 커져서 나옴. 2.2RC 정도. 늘어져서 나오면 전압의 시간변화 dv/dt가 줄어들어서 전류가 줄어든다. 
• 86k 에서 RC low-pass filter의 형태, 즉 시정수가 있음. 86K와 C가 만나 시정수가 생김. dv/dt가 늘어져서 튀는 성분이 안나옴. 1k 일때는 저항값이 1/86로 줄어들어서 rising time, falling time이 더 짧아져서 덜 늘어지게 된다. 

• 저항값을 안바꾸고 RC 시정수를 바꿀 수 있는 방법: capacitor를 단다.

• 튀는 값 없음. 

<과제> LED Switching 회로 

 

• Pnp 트랜지스터로 만든 스위칭 회로
• 입력에 0v 전압이 들어가면 base와 emitter사이에 대부분의 전압이 들어감. 
• Emitter 의 전압이 가장 높고, base, emitter 사이에 0.7 이상 전압있고, 전류가 base에서 나가는 모양.
• Capacitor가 달려있어 전류가 물탱크를 채우고 흐른다. 커패시터의 전압 충전 속도때문에 LED가 서서히 밝아진다. 
• 입력으로 5V 전압이 들어가면 base전류가 흐르지 못한다 → switch off. 마찬가지로 capacitor에 저장되어있던 전하가 빠지면서 어느정도 시간동안 LED가 켜져있다가 서서히 어두워진다. → 분위기 있게 꺼지는 전등 (사람들의 감성을 자극하는 감성공학) 

• 인덕터 : fan motor 
• 입력이 0v 일때 D1 다이오드 도통 시키고 Q2 transistor를 바로 on 시키는것이 아니라 capacitor를 충전시키고 on 시킨다. V1 5v로부터 전압을 받아 fan on. 
• 입력이 5v 일때 Q1 on anode에 0.2v 걸리고 다이오드가 off. Q2 transistor가 capacitor의 전압이 방전될때까지 서서히 off. 
• L이 있는 회로에는 snubber가 필요한데 위 회로에는 없는 이유? 
• 스위치가 서서히 off 되기 때문. Inductor에서 전류가 빠져나갈 시간을 벌어줌. 

 

트랜지스터를 사용하는 방법 3가지 

• 각 단자마다 특성이 있다 
• Base는 입력으로 사용할 수 있는데 신호를 뽑아내는 출력으로 사용할수 없다. (부하가 없음)
• Collector 는 출력으로만 사용 가능 
• Emitter는 입출력 둘다 가능. 

1. Base에 입력이 들어가서 collector 출력 (emitter가 공통으로 사용 - common emitter구조) 
2. Common collector 구조 (버퍼 - 전류 증폭도가 큼) 
3. Common base 구조 (입출력 위상이 안뒤집어짐) 

 

Switch에서는 base가 입력 - 입력이 collector, emitter 둘다 부하 달기 가능. Collector단자에 부하를 다는게 일반적. Emitter에 부하를 달아 전류가 흐르면 전압이 뜬다. 전압이 너무 크게 뜨면 base, emitter사이에 0.7v를 확보해야되는데 확보 못하는 상황이 될 수 있음. Collector는 부하에 뜨는 전압과 흐르는 전류가 상관없음.