베이스 저항 계산 과정과
2N3904 , 2N3906 데이터시트
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3부 [트랜지스터] 베이스 저항계산과 2N3904, 2N3906의 데이터시트를 알아보자
4부 [트랜지스터] 2N3904 , 2N3906의 회로도 예시
5부 [트랜지스터] 먼저 트랜지스터 없이 LED 점등하기 - 아두이노 실습 -
完 [트랜지스터] 트랜지스터를 이용한 LED 점등과 실제 사례 - 아두이노 실습 -
지금까지 트랜지스터가 무엇인지 그리고 어떻게 작동하는지를 알아보았습니다.
그렇다면 이제 실제 트랜지스터를 사용하기 위해서 데이터시트를 알아야하죠.
이번 시간에는 베이스 저항 계산 과정과 2N3904 , 2N3906 이라는 소자를 통해서
데이터 시트를 어떻게 읽어야 할 지 그리고 어떤 특성을 가졌는지에 대해 알아보겠습니다.
베이스 저항을 계산하는 과정부터.
트랜지스터를 안정적으로 동작시키기 위해서는 베이스 전류를 적절히 제어할 필요가 있습니다.
이를 위해 입력 전압과 Base-Emitter 전압을 기준으로 저항 값을 선정합니다.
베이스 저항이 없으면 과도한 전류가 흐르면서 트랜지스터가 손상되거나,
적절한 전류 제어를 통해 트랜지스터를 포화 영역에서 확실하게 동작시키는 것이
안정적인 스위칭의 핵심이기 때문입니다.
아래 예제를 통해 베이스 저항과 함께 LED에 필요한 저항을
계산해 나가는 과정을 보겠습니다.
1. 컬렉터 전류 ( IC ) 계산
LED에 흐르는 전류가 곧 컬렉터 전류가 됩니다.
*컬렉터측에 저항만 존재하는 구조라면
해당 공식을 통해 컬렉터 전류를 계산할 수 있습니다.
2. LED 직렬저항( RC ) 계산
전원에서 LED 전압을 제외한 나머지 전압이 저항에 걸리며,
이를 통해 목표 전류 10mA가 흐르도록 저항값을 계산하면 1kΩ이 됩니다.
3. 베이스 전류 ( IB ) 계산
트랜지스터의 기본 관계식으로, 해당 식을 통해 베이스 전류를 역으로 구할 수 있습니다.
4. 베이스 저항 ( RB ) 계산
트랜지스터를 포화 영역에서 동작시키므로 VBE(sat)를 기준으로 계산합니다.
입력 전압에서 VBE(sat)를 제외한 전압이 베이스 저항에 걸리게 되며,
이를 통해 계산 결과로
베이스 저항은 최소 약 4.3kΩ이 필요하다는 것을 알수있게 됩니다.
2N3904 , 2N3906 으로 알아보는 특성
이번에는 대표적인 BJT인 2N3904 와 2N3906 를 알아보도록 하겠습니다.
먼저 2N3904는 NPN형 트랜지스터이고, 2N3906은 PNP형 트랜지스터입니다.
2N3904 , 2N3906 라고 하면 특정 회사의 모델명이 아닌,
JEDEC( Joint Electron Device Engineering Council )
즉, 국제 반도체 표준협의 기구에 의해 표준화된 부품 번호 체계 입니다.
그렇기 때문에 여러 회사가 동일한 규격으로 제작을 하게 되는데,
그래서 데이터시트는 회사마다 조금씩 다를 수 있지만 기본 특성은 거의 동일합니다.
그러므로 이번에는 2N3904 와 2N3906 의 데이터시트를 보도록 하겠습니다.
2N3904의 최대 정격
먼저 2N3904의 데이터시트입니다.
이 중 Maximum Rating( 최대 정격 )만 훑어 보도록 하겠습니다.
- 전압은 VCBO , VCEO , VEBO
즉, Collector 와 Base 사이 / Collector 와 Emitter 사이 / Emitter 와 Base 사이의 전압이
각각, 60V / 40V / 6V 이 최대로 걸 수 있는 전압입니다.
- 전류는 IC , IB
트랜지스터가 견딜 수 있는 최대 출력 전류 IC와 베이스에 흘릴 수 있는 최대 전류 IB가
각각 200mA / 50mA 입니다,
- 전력은 Ta , Tc
Ta 는 공기중에 놓여있는 상태에서의 최대 전력,
Tc 는 25도를 강제로 유지하는 상태에서의 최대 전력입니다.
각 최대전력에는 2개의 값이 있는데, 이 두가지는 트랜지스터의 리드프레임의 재질에 따라 다를 수 있다고 표기가 되어있습니다.
- 온도는 Tj , Tstg
Tj 는 칩 내부 최대 온도로, 150℃를 초과할 시 물리적으로 손상됨을 의미합니다.
Tstg 는 보관 가능한 온도로 -55 ~ 150℃ 에서 보관이 가능함을 의미합니다.
2N3904의 특성 곡선
이어서 2N3904의 특성 곡선도 함께 알아보도록 하겠습니다.
최대정격은 소자가 손상되지 않도록 지켜야하는 한계점이라고 본다면
특성곡선은 어떻게 써야 제대로 동작하는지를 알려주는 설계 기준이라 볼 수 있습니다.
- IC- VCE . 출력 특성 곡선입니다.
그래프 내 각 곡선은 Base의 전류를 0.1mA단위로 측정했을 때 이고,
가로측은 컬렉터-이미터 전압 VCE, 세로축은 컬렉터 전류 IC를 나타냅니다.
이는 Base의 전류(IB)가 일정할 때 Collector 와 Emitter 사이의 전위차 VCE에 따른
IC를 보여주고 있습니다.
그래프 좌측의 낮은 VCE 영역에서는 곡선이 급하게 휘는데, 이를 포화영역으로 볼 수 있습니다.
그리고 우측으로 갈 수록 그래프가 비교적 평평한 모습을 보이게 되는데, 이를 활성영역으로 볼 수 있습니다.
즉, 원하는 동작 방식에 따라 베이스 전류와 컬렉터-이미터 전압의 동작점을
이 그래프 위에서 결정하는 것이 핵심입니다.
- 포화 특성 곡선입니다.
그래프는 일정한 베이스 구동 조건( IC/IB = 10 )에서 측정된 값이며,
가로축은 Collector 전류 IC , 세로축은 포화 상태에서의 컬렉터-이미터 전압 VCE(sat)을 나타냅니다.
이는 트랜지스터를 충분히 포화시킨 상태에서 IC가 변화할 때,
Collector와 Emitter 사이에 남는 전압 VCE(sat)이 어떻게 변하는지를 보여주고 있습니다.
전압이 남는 다는 의미는 실제로 부하에 가는 전압이 낮다진다는 의미로,
그래프를 통해 전류가 증가할수록 VCE(sat)이 점점 커지는 것을 확인할 수 있습니다.
이는 스위치 ON 상태에서도 완전히 0V가 되지 않고 일정한 전압 강하가 발생함을 의미합니다.
따라서 이는 스위칭 동작 시 부하에 걸리는 실제 전압과 전력 손실을 판단하는 데 중요한 기준이 됩니다.
- 포화 입력 특성 곡선입니다.
그래프는 일정한 베이스 구동 조건( IC/IB = 10 )에서 측정된 값이며,
가로축은 Collector 전류( IC ), 세로축은 포화 상태에서의 베이스-이미터 전압 VBE(sat)을 나타냅니다.
이는 트랜지스터를 충분히 포화시킨 상태에서 IC가 변화할 때,
VBE(sat)이 어떻게 변하는지를 보여주고 있습니다.
그래프를 보면 전류가 증가할수록 VBE(sat) 역시 점점 증가하는 경향을 확인할 수 있으며,
이는 더 큰 전류를 흐르게 하기 위해서는 베이스에 더 높은 전압(또는 더 많은 전류)이 필요함을 의미합니다.
따라서 이 특성은 스위칭 설계 시 필요한 베이스 구동 조건을 결정하는 데 중요한 기준이 됩니다.
- 스위칭 특성 곡선입니다.
그래프는 공통 이미터(Common Emitter) 조건에서 측정된 값이며,
가로축은 베이스 전류 IB , 세로축은 컬렉터-이미터 전압 VCE를 나타냅니다.
이는 컬렉터 전류 IC가 일정한 조건에서 IB가 변화할 때, 컬렉터와 이미터 사이의 전위차 VCE가
어떻게 변하는지를 보여주고 있습니다.
그래프를 보면 IB가 증가할수록 VCE가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있으며,
일정 수준 이상에서는 더 이상 크게 감소하지 않고 포화 영역에 진입하게 됩니다.
이는 트랜지스터가 점점 더 강하게 켜지다가 완전히 ON 상태에 가까워지는 과정을 나타냅니다.
따라서 이 특성 곡선은 트랜지스터를 스위치로 사용할 때, 원하는 컬렉터 전류를 기준으로
얼마나 베이스 전류를 인가해야 충분히 포화 상태에 도달하는지를 판단하는 데 중요한 기준이 됩니다.
- 전류 이득 특성 곡선입니다.
가로축은 컬렉터 전류 IC , 세로축은 전류 이득 hFE(β)를 나타냅니다.
즉, IC가 변화할 때 전류 이득이 어떻게 변하는지를 보여주고 있으며, 이는 IB에 대한 IC의 비율이
전류 크기에 따라 달라짐을 의미합니다.
그래프를 보면 낮은 전류 영역에서는 hFE가 증가하다가 일정 구간에서 최대값을 가지며,
이후 전류가 더 증가하면 다시 감소하는 경향을 확인할 수 있습니다.
이는 트랜지스터가 모든 전류 영역에서 동일한 증폭 성능을 가지는 것이 아님을 나타냅니다.
따라서 이 특성 곡선은 트랜지스터를 증폭기로 사용할 때,
안정적이고 효율적인 증폭이 가능한 동작 전류 구간을 선정하는 데 중요한 기준이 됩니다.
- 입력 특성 곡선입니다.
가로축은 베이스-이미터 전압 VBE, 세로축은 컬렉터 전류 IC를 나타냅니다.
즉, VBE가 변화할 때, 그에 따라 IC가 어떻게 변하는지를 보여주고 있습니다.
그래프를 보면 일정 전압 이하에서는 전류가 거의 흐르지 않다가, 약 0.5~0.8V 부근을 지나면서
전류가 급격히 증가하는 지수적인 특성을 확인할 수 있습니다.
따라서 이 특성 곡선은 증폭기로 사용할 때 동작점을 설정하기 위한 바이어스 전압을 결정하는 데
중요한 기준이 되며, 작은 전압 변화에도 큰 전류 변화가 발생할 수 있음을 고려하여 설계해야 합니다.
2N3906의 최대 정격
위의 2N3904 과 같은 방식으로 2N3906 도 읽어 볼 수가 있는데,
2N3906은 PNP형 이기 때문에 전류가 흐르는 방향이 반대여서 부호가 바뀐 것입니다.
차이가 있다면 방향이 다르기 때문에 (-) 부호가 붙어있다는 점이 있습니다.
그리고 PNP형은 전자가 아닌 정공이 이동하고, 도핑( Doping ) 구조 등의 차이로 인해
더 낮은 최대 정격을 가진다는 것입니다.
2N3906의 특성
2N3906의 특성 또한 2N3904와는 크게 다른 양상을 보이진 않습니다
마무리
오늘은 실제 많이 사용하는 소자를 예시로 가져와 해당 소자의 데이터 시트를 읽어보았습니다.
단순히 NPN과 PNP의 차이를 넘어 어디까지 사용할 수 있는지, 어떻게 써야 제대로 동작하는지를
동시에 이해해야 한다는 점이 핵심 이었죠.
결국 트랜지스터는 동작 영역과 특성을 읽고 원하는 조건에 맞게 사용하는 것이
설계의 핵심이라고 볼 수 있습니다.
다음 시간에는 오늘 본 소자를 이용한 회로도 예시를 보여드리도록 하겠습니다.
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