트랜지스터를 이용한 LED 점등과 실제 사례
- 아두이노 실습 -
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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 -
이전 시간에는 아두이노를 이용하여 LED를 점등하는 기본 회로를 구성하고 제어하는 방법을 보았습니다.
마지막으로 오늘은 트랜지스터를 활용하여 더 높은 전압이나 전류를 제어하는 방법까지 알아보겠습니다.
그리고 실제로 현장에서는 어떻게 사용을 하였는가를
몇가지 사례를 통해 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.
트랜지스터를 사용해야하는 이유는?
이전 포스팅에서 5V LED는 아두이노로 직접 제어할 수 있었습니다.
하지만 24V LED와 같이 더 높은 전압을 사용하는 경우,
아두이노 핀의 전압 , 전류 정격을 넘거나 외부 전원이 필요한 24V 부하는 직접 연결하면 안 됩니다.
아두이노 디지털 핀은 일반적으로 5V이며 연속 사용 권장 전류는 약 20mA 수준이기 때문입니다.
그렇기 때문에 외부 전원을 사용하는 부하를 제어하려면 별도의 스위치가 필요합니다.
이때 사용하는 것이 트랜지스터입니다.
트랜지스터는 작은 베이스 전류로 외부 전원의 큰 전류를 제어할 수 있기 때문에
아두이노와 고전압 회로를 연결하는 중간 스위치 역할을 합니다.
베이스 저항도 선정해야합니다
이전 시간에 사용했던 실험과는 다르게 트랜지스터를 사용하므로,
안정적으로 동작시키기 위해서 베이스에 흐르는 전류를 제한하는 저항이 필요합니다.
이때 베이스 저항 계산은 표시등의 24V가 아닌
아두이노 출력 5V와 트랜지스터의 Base-Emitter 전압을 기준으로 하게 됩니다.
아두이노 출력 핀은 직접 큰 전류를 공급할 수 없기 때문에,
적절한 베이스 전류( Ib )를 설정하여 트랜지스터를 포화 상태로 만들어야 합니다.
일반 5V LED를 쓴다고 가정하면?
만약 일반적인 5V LED를 사용하는 경우에는 내부에 전류 제한 회로가 없기 때문에,
LED에 직렬로 연결되는 저항과 트랜지스터 베이스 저항을 각각 따로 계산해야 합니다.
이번 예제에서는 무난한 값인 10mA를 기준으로 계산해보겠습니다.
* R : 필요한 저항값[ Ω ] , Vs : 공급전압[ V ] , Vf : LED순방향 전압[ V ]
VCE : 컬렉터와 에미터사이 전압[ V ] , If : LED 전류[ A ]
1. LED 직렬 저항을 먼저 계산해보게 되면
일반적인 빨간 LED의 순방향 전압은 약 2V,
2N3904가 포화 상태일 때 컬렉터-이미터 전압은 약 0.2V 정도로 볼 수 있습니다.
해당 조건으로 계산한 결과는 280Ω으로, 보다 높은 저항 중 330Ω을 보유한다고 가정하여 사용하겠습니다.
단, 실무에서는 컬렉터-이미터 전압을 계산하지 않고 저항값을 선정하기도 합니다.
이러한 이유로도 저항값을 약간 크게 잡기도 하지만,
- 저항값을 계산값보다 약간 크게 선택하면
베이스 전류가 줄어들어 트랜지스터를 보다 안정적으로 동작시킬 수 있다는 점에서도 무리가 없는 선택입니다.
- 반대로 저항값이 계산값보다 작아지면
전류가 증가하여 LED나 회로에 부담을 줄 수 있기 때문에 주의가 필요합니다.
2. 다음은 베이스 저항 계산입니다.
- 저항값을 도출하기 전 필요한 베이스 전류 값을 계산합니다.
*IB : 베이스 전류[A] , IC : 컬렉터 전류[A]
트랜지스터를 스위치로 사용할 때는 충분히 포화시키기 위해 다음 기준을 사용합니다.
즉, 컬렉터 전류( Ic ) 의 약 1/10 수준으로 잡습니다.
10mA를 기준으로 잡았었기 때문에 컬렉터 전류는 10mA를 대입하여 베이스 전류를 1mA 로 결정합니다.
*RB : 베이스 저항[Ω] , Vs : 공급전압[V] , VBC : 베이스-에미터 간 순방향전압[V]
IB : 베이스 전류[A]
- 계산된 베이스 전류를 토대로 베이스 저항을 계산합니다.
값은 4.3kΩ 의 값이 나오게 됩니다.
하지만 실제로는 제가 해당 값의 저항을 보유하고 있지 않기 때문에,
보유중인 저항값인 4.7kΩ을 사용한다는 가정하에 회로를 구성하였습니다.
- 위의 결과로 이러한 회로도를 구성할 수 있게 됩니다.
이번에 사용하게 될 24V LED
이번 회로에서 사용하는 소자는 5V LED가 아닌 TD-206으로, 24V용 LED 표시등입니다.
따라서 표시등은 24V 외부 전원에 직접 연결하여 사용하고,
아두이노는 2N3904를 이용해 그 전원을 ON , OFF 제어할 예정입니다.
사용할 베이스 저항 계산
그리고 TD-206 24V LED는 내부 회로에 의해 전류가 결정되므로,
일반적인 LED 동작 전류 범위를( 10~20mA ) 기준으로 트랜지스터 설계를 진행하겠습니다.
베이스 전류는 10mA로 선정을 하였고, Base-Emitter의 순방향 전압은 0.7V으로
다음과 같이 계산을 합니다.
위와 같이 4300Ω이 나왔으나 현재 보유중인 저항 중 계산값 보다 높은 값의 저항이 4.7kΩ이므로 이를 사용하겠습니다.
실제로 오늘 진행할 회로도
- 이 구조로 아두이노에서 HIGH 신호가 출력되면
베이스 저항을 통해 트랜지스터 베이스로 전류가 흐르고,
트랜지스터는 포화 상태에 들어가게 되어 컬렉터와 이미터 사이가 도통이 됩니다.
그 결과 24V 외부 전원에서 TD-206으로 전류가 흐르게 되어 표시등이 켜지게 됩니다.
- 반대로 아두이노에서 LOW 신호가 출력되면
베이스 전류가 흐르지 않으므로 트랜지스터는 꺼지고, 표시등도 꺼지게 됩니다.
- 또한 이 회로가 정상적으로 동작하려면
기준 전위를 맞추기 위해 아두이노 GND와 24V 전원의 GND는 공통으로 연결되어 있어야 합니다.
그래야 아두이노의 출력 신호를 기준으로 트랜지스터가 올바르게 동작할 수 있습니다.
외부전원 24V LED를 점등해보자
해당 준비물인 아두이노 , 트랜지스터(2N3904) , 저항(4.7K) , TD-206LED을
외부전원을 이용해 아래처럼 연결하여 트랜지스터를 이용해 외부 전원을 제어하는 스위치 회로를 구성해보겠습니다.
이 구성을 통해서 아두이노는 직접 LED를 구동하지 않고,
트랜지스터를 통해 외부 전원을 ON , OFF 하게됩니다.
해당 배선이 실제로 구현된 모습입니다.
int LED_PIN = 6;
void setup(){
pinMode(LED_PIN,OUTPUT);
}
void loop(){
digitalWrite(LED_PIN,HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(LED_PIN,LOW);
delay(1000);
}- 6번핀을 출력으로 사용
- 1초간 점등이 되고 1초간 소등
그리고 이를 반복하는 코드입니다.
해당 코드로 실제 동작시켜보면 이렇습니다.
이러한 과정으로 24V LED가 트랜지스터를 통해
정상적으로 점등과 소등을 반복하는 것을 확인할 수 있었습니다.
즉, 아두이노의 작은 신호로 외부 전원을 사용하는 부하를 제어할 수 있음을 알 수 있습니다.
실제로는 어떻게 사용이 되는가?
지금까지는 트랜지스터의 기본 이론과 간단한 실험을 통해 동작 원리를 확인해보았습니다.
이전까지는 DIP소자인 2N3904을 알아보았지만,
이와 같은 SMD소자인 MMBT3904를 통해 지금까지의 개념이
실제 현장에서 어떻게 활용되는지 몇가지 살펴보겠습니다.
입력 신호(CH1_AUTO)는 베이스 저항(R45)을 통해 트랜지스터(Q13)의 베이스로 전달됩니다.
이때 입력이 HIGH가 되면 베이스 전류가 흐르면서 트랜지스터가 ON 상태가 됩니다.
트랜지스터가 ON 되면 출력 노드는 GND로 연결되어 전압이 LOW가 되고,
반대로 입력이 LOW일 때는 트랜지스터가 OFF 상태가 되어 전류가 흐르지 않게 됩니다.
이 경우 출력 노드는 풀업 저항(R46)에 의해 3.3V로 끌어올려져 HIGH 상태를 유지하게 됩니다.
결과적으로 이 회로는 입력 신호를 반대로 뒤집는 역할을 하게 됩니다.
입력 신호(CH1_ON)가 들어오면 베이스 저항(R61)을 통해 트랜지스터(Q6)의 베이스로 전류가 흐르게 됩니다.
이로 인해 트랜지스터는 ON 상태가 되며, 컬렉터-이미터 사이로 전류가 흐를 수 있는 상태가 됩니다.
이때 +3.3V에서 시작된 전류가 LED(D2)와 저항(R17)을 거쳐 트랜지스터를 통해 GND로 흐르게 되고,
그 결과 LED가 점등됩니다.
반대로 입력 신호가 LOW일 경우 트랜지스터는 OFF 상태가 되어 전류가 흐르지 않으며, LED는 꺼지게 됩니다.
지금까지 트랜지스터를 알아오며 보았던 가장 기초적인 회로도입니다.
입력 신호(BUZ_PWM)가 들어오면 베이스 저항(R87)을 통해 트랜지스터(Q5)의 베이스로 전류가 전달됩니다.
이 신호에 따라 트랜지스터는 스위칭 동작을 하게 됩니다.
트랜지스터가
ON 될 때는 부저(BZ1)에 전류가 흐르며 소리가 발생하고,
OFF 될 때는 전류가 차단되면서 소리가 멈추게 됩니다.
또한 다이오드(D5)는 부저에서 발생할 수 있는 유도성 전압을 우회시켜
트랜지스터가 손상되지 않도록 보호하는 역할을 합니다.
이런 방법들로 사용을 하게 된다면 어떤 결과가 나올 수 있는가?
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기존 설비는 주로 하드웨어 배선 중심으로 구성되어 있었으나,
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