트랜지스터란? 스위치와 증폭기능에 대한 설명 등
출처 : 전자공학 실무강좌
참고 자료 중 최고임돠!
회로 기호는 PNP 타입은 , NPN 타입은 으로 표시한다.
트랜지스터는 반도체의 조합에 따라 크게 PNP 타입과 NPN 타입이 있다.
그리고, 트랜지스터는 용도와 상기의 타입에 따라 다음과 같은 명칭이 붙여진다.
2SA××× PNP 타입의 고주파용
2SB××× PNP 타입의 저주파용
2SC××× NPN 타입의 고주파용
2SD××× NPN 타입의 저주파용
항 목 |
2SC1815 |
2SD880 |
VCEO(V) |
50 |
60 |
IC(mA) |
150 |
3A |
PC(mW) |
400 |
30W |
hFE |
70∼700 |
60∼300 |
fT(MHz) |
80 |
3 |
VCEO:
베이스(B)를 오픈했을 때에 컬렉터(C)와 이미터(E)에 걸리는 최대전압.
(단순히 VCE로 표시하는 경우도 있다)
IC:
최대 컬렉터(C) 전류.
PC:
주위온도(Ta)=25℃에서 연속해서 소비시킬 수 있는 최대 컬렉터(C) 손실(방열기 없음)
hFE:
이미터(E) 접지에서의 직류에 대한 전류증폭률(IC÷IB).
fT:
주파수를 높여가면 증폭 능력이 저하하는데, 베이스 전류(IB)와 컬렉터 전류(IC)가 같아지는 주파수.
[직류증폭을 할 수 없게 되는 주파수(트랜지션 주파수)]
트랜지스터의 리드
트랜지스터의 종류에 따라 리드의 내용이 다르기 때문에 매뉴얼 등을 참조하여 확인할 필요가 있다.
2SC1815의 경우
품명이 인쇄되어 있는 평평한 면을 바라 보았을 때,
오른쪽 리드가 베이스
중앙의 리드가 컬렉터
왼쪽의 리드가 이미터
이다.
2SD880의 경우
품명이 인쇄되어 있는 면을 바라 보았을 때,
오른쪽 리드가 이미터
중앙의 리드가 컬렉터
왼쪽의 리드가 베이스
이며, 2SC1815와는 반대이다.
트랜지스터는 가변저항이다
트랜지스터에 대해서 가장 오래전부터 널리 알려진 식이,
"트랜지스터=증폭기"
라고 할 수 있겠다. 진공관을 이용하던 커다란 몸집의 라디오를 누구나 들고 다닐 수 있도록 크기를 줄여준 장본인이 트랜지스터이며, 바로 증폭기로 사용되는 경우이다. 하지만, 요즘같은 디지털 시대에는
"트랜지스터=스위치"
라는 식이 더 자주 사용된다. 그 뿐인가? 경우에 따라 "트랜지스터=전류제한기", "트랜지스터=잡음제거기" 등등 수많은 이름을 붙여줄 수 있는 것이 바로 트랜지스터란 녀석이다.
그렇다면,
"도대체 트랜지스터란 무엇일까?"
위의 질문에 대한 가장 좋은 대답은, (내가 생각하기에) 다음과 같다.
"트랜지스터는 가변저항이다"
(이 대목에서, 트랜지스터로 회로를 설계해본 사람은 아마 "아, 그렇지" 하는 말이 나오거나 또는 말없는 끄덕임['당연한거 아냐?'하는]이 있을 것이다.)
[참고1] 트랜지스터(transistor) = 트랜스(trans, 바뀜) + 레지스터(resistor, 저항)
"트랜지스터는 가변저항이다."
가변저항이라고???
가변저항이라는 소자를 만져본 독자들은 알겠지만, 저항값을 조절하는 나사가 있어서 드라이버로 돌리면서 저항값을 바꾸도록 되어있다. 하지만, 트랜지스터에는 나사가 없다...그러면?
트랜지스터는 드라이버로 나사를 돌려 조정하는 것이 아니라, "베이스(또는 게이트) 에 입력되는 전압 또는 전류 신호로 저항값을 조정하는 가변저항"인 것이다. 다시말하자면, 베이스(게이트) 입력신호에 따라 저항값이 변하는 소자가 바로 트랜지스터란 얘기다.
증폭기와 스위치로의 작동개념
|
바이폴라 트랜지스터(BJT) 회로의 이해
"트랜지스터 회로 = 다이오우드 회로(조정나사) + 가변저항 회로"
트랜지스터 회로는 B(베이스)-E(이미터) 사이의 다이오우드 회로와 C(컬렉터)-E(이미터) 사이의 가변저항 회로로 나누어 아래 그림 처럼 생각하는 것이 이해하는 데 매우 편하다. [여기서는, 일단 NPN형 트랜지스터를 생각한다.]
베이스-이미터 회로의 이해
트랜지스터가 작동할 때에는 베이스와 이미터 사이에 순방향 전압이 걸리게 되는데, 베이스와 이미터 사이의 회로만을 떼어서 생각해본다면 PN 다이오우드를 이용하는 회로와 같아진다.
그렇다면, 베이스를 입력으로 사용하는 경우에, 입력측 회로를 구성하기 위해서 는 다이오우드에 대해서 잘 알면 별 문제가 없게 된다. 결국, 많은 분들은 이 부분을 읽고 나서는 아마 다시 다이오우드 강좌를 살펴보아야 할 것이다.
트랜지스터2 강좌에서 예를 들었던 것과 같은 예를 들어보자. 우리가 베이스의 (바이어스) 전류로 80 uA(마이크로 암페어)를 항상 흐르도록 하면서 여기에 입력전류를 추가로 얹어서 그 합을 입력 신호로 삼고 싶다면, 80 uA가 입력단(베이스)으로 흘러들어가도록 아래 그림과 같이 베이스측 회로를 구성할 수 있다.
여기서, VF는 다이오우드 강좌에서 이미 공부했던 다이오우드의 "순방향 전압강하" 값이 되겠다. 트랜지스터 입장에서 다시 말하자면, 베이스-이미터 전압 VBE 이라고 한다. 우리는 앞으로 이 이름을 자주 보게 된다. 잘 기억해두자.
자, 80 uA의 바이어스 전류를 인가하기 위해서 +5V 전원을 바로 이용할 때, 저항 RB 값은 얼마가 되어야 하는지 계산해보자. 쉽게 산수를 통해서 계산이 가능하니깐...
다이오우드(실제로는 트랜지스터가 되겠다)에 따른 특성값인 순방향 전압강하 값을 VF = VBE = 0.6 이라고 하면, VBIAS = VBR + VF 이므로,
VRB = VBIAS - VF = 5 - 0.6 = 4.4 [V]
가 된다. 한편, 오옴의 법칙으로부터 VRB = iBIAS × RB 이므로,
RB = VRB ÷ iBIAS = 4.4 [V] ÷ 80 [uA] = 4.4 [V] ÷ ( 80 × 10-6 [A] ) = 55000 Ω = 55 kΩ
가 된다. 실제로는 약간의 차이가 있을 수 있으므로, 회로를 직접 구성해서 각 단의 전류, 전압 등을 측정해보면서 확인해야 한다.
컬렉터-이미터 회로의 이해
이번에는 컬렉터-이미터 측의 회로를 살펴보자. 아래 그림과 같이 트랜지스터는 가변저항으로 표현할 수 있으며, 이 경우 가변저항의 특성은 통과하여 흐르는 전류 IOUT 및 양단의 전압 VOUT으로부터 (오옴의 법칙을 써서 저항값을) 알 수 있다.
오른쪽 그래프는 가변저항의 값이 변함에 따라 출력 전압 및 전류가 얼마나 변하는가를 나타내고 있다. RC = 1 kΩ이라고 해보자. 가변저항의 값이 '0'일 때는 (가변저항 없이 그냥 전선으로 연결된 경우로 생각하면 되므로),
VOUT = 0 V
IOUT = +5 V ÷ RC = 5 V ÷ 1000 Ω = 0.005 A = 5 mA
로 산출할 수 있다. 반대의 경우도 알아보자. 가변저항의 값이 거의 '무한대'일 때는 (가변저항 없이 회로가 끊어진 상태로 생각하면 되므로)
VOUT = +5 V
IOUT = 0 mA
가 된다. 그 사이의 저항값을 가지는 경우에는 출력전류 및 전압은
VOUT = 5 V - VRC = 5 V - ( IOUT * RC )
또는,
IOUT = ( 5 - VOUT ) / RC
로 나타낼 수 있다. 여기서, x = VOUT, y = IOUT로 두면, 일차함수가 되며 그래프로 그리면 위의 오른쪽 그림과 같은 직선이 된다. 베이스 입력전류 값이 변하면 트랜지스터의 컬렉터-이미터 사이의 저항값이 변하면서 출력전류 및 전압값이 빨간색 선위를 움직이게 된다.
여기서 빨간 직선을 우리는 부하선 또는 로드라인(load line) 이라고 부른다. 트랜지스터 회로 설계를 위해서 우리는 부하선을 자주 이용하게 된다.
당연한 이야기인데, 결국, 트랜지스터의 저항값이 커지면 트랜지스터에 양단에 걸리는 전압( VCE = VOUT ) 은 커지게 되고, 흐르는 전류값(IC = IOUT)은 작아지게 된다는 것이다.
트랜지스터 특성과 작동의 이해
지금까지 베이스 회로와 컬렉터-이미터 회로를 나누어서 살펴봤으니, 이제 이 둘을 연결시켜 보자. 트랜지스터의 특성 곡선은 앞에서 살펴본 컬렉터-이미터 전압 VCE과 컬렉터 전류 IC 좌표 위에 아래 그림처럼 나타난다.
이 그래프는 베이스 전류가 높아지면 그에 따라서 컬렉터 전류가 높아지는 모양을 나타내고 있다. 이 특성곡선 위에 저 앞에서 보았던 부하선(load line)을 얹어 놓으면, 우리는 이 그림에서 입력 신호를 알면 출력 신호를 얻을 수 있게 된다. 바로 아래의 그림처럼...
여기서, 베이스로 입력되는 전류 신호가 녹색 곡선과 같을 때, 컬렉터 (출력) 전류는 빨간 곡선으로, 컬렉터-이미터 사이의 (출력) 전압은 파란색 곡선과 같아진다. 회색 직선은 부하선이고...
이와같이, 베이스 회로, 컬렉터-이미터 회로(부하선), 그리고 트랜지스터 특성표 등을 이용하여 트랜지스터 회로를 해석 또는 설계하게 되는 것이다.
오늘의 내용은 다소 어려울 수도 있을 것이다. 하지만, 여러번 반복해서 그려보고 생각해보면 결국 누구나 이해할 수 있는 내용들이다. 열세번째 강좌는 이것으로 마친다.
[참고] 트랜지스터 특성 곡선은 별도의 트랜지스터 특성 측정기(transistor curve tracer) 같은 것을 사용하면 쉽게 알 수 있으며, 별도의 특수한 장치가 없어도 누구나 간단하게 회로를 구성하여 알아낼 수 있다. 예들들어, 베이스 입력쪽에 가변저항을 달아두고 조금씩 조정하면 베이스 전류를 조정할 수 있으며, 컬렉터 쪽에 부하저항도 가변저항으로 달아두고 조금씩 조정하면 부하선의 위치를 좌우로 조정할 수 있다.