[1년차 강좌13] 트랜지스터2-증폭기와 스위치로의 작동개념

출처: http://elec.slowgoing.org/

 

이재윤

[1년차 강좌13] 트랜지스터2-증폭기와 스위치로의 작동개념

 

 

 

강좌13 : 트랜지스터 2 - 증폭기와 스위치로의 작동개념


트랜지스터는 입력신호로 조정하는 가변저항이라고 했다. 그렇다면, 당장 한가지 의문이 생긴다.

   "가변저항이 어떻게 증폭기, 스위치로 작동하지?"

우리가 이 소자를 마음대로 사용하기 위해서는 어떻게 저항값을 조정할 수 있는지 하는 것과 어떻게 연결해야 증폭기, 스위치 등으로 사용할 수 있는지 하는 것을 알아야 한다.

트랜지스터의 상세한 사용방법은 종류에 따라 조금씩 다르기 때문에, 이번 강좌에서는 아주 핵심적인 용법만을 살펴보면서 개념을 잡는데 집중하자.


     1. 복습 : 저항 두 개를 직렬로 연결한 회로

어디에서 이야기를 시작할까? 강좌 4에서 본 적 있는 (그 후로도 자주 등장하는) 간단한 전압분배 저항 회로 하나에서 시작해 보자. 아래 그림을 보고 간단한 질문에 답해보라.

[문] 아래 그림에서 각 저항의 양단에 걸리는 전압과 저항을 통해서 흐르는 전류값이 얼마나 되나?  

[답]

가. 전압

이런 경우는 계산 하지 않고, 그냥 눈으로  5V를 2:3 으로 나누어서 V_R1=2V, V_R2=3V 이렇게 구한다. ^^

나. 전류

전류값은 오옴의 법칙 V=IR, I=V/R 로부터 아래와같이 구할 수 있다.

   I_R1 =  V_R1 / R1 = 3 V / 3000Ω = 1 mA
   I_R2 =  V_R2 / R2 = 2 V / 2000Ω = 1 mA

여기서, 회로에서 R1에 흐르는 전류가 다른 곳으로 빠지는 곳 없이 그대로 R2로 흐르게 되니깐,  I_R1 = I_R2 = 1 mA 로 같아지며, 둘중 하나만 구하면 된다.

(만일 전류계산하는 것이 익숙하지 않다는 느낌이 든다면 ...다시 앞 강좌로 돌아가서 몇 문제 더 풀어보도록 하라. 간단한 전압 전류 계산은 능숙해야 한다.)


     2. 복습(응용) : 저항과 가변저항을 직렬로 연결한 회로

자, 윗 그림에서 이제 R1을 가변저항으로 바꾸어보자. 이 가변저항을 1MΩ, 11 turn 짜리라고  가정해보자. (즉, 조정나사로 0Ω에서 1000000Ω까지 조정하는 데 11바퀴 돌려야 하는 가변저항이라는 뜻이다.)

자, 이제 R1의 저항값(오타수정,2008.4.8)이 바뀜에 따라 R1에 걸리는 전압과 전류값은 아래와 같이 바뀌게 된다. 저항값이 올라가면 출력전압은 증가하고 출력전류는 감소한다...

다시 말하면,  

    가변저항의 저항값을 조정함으로써
    출력전압은 0 V에서 5 V 까지,
    저항에 흐르는 전류(출력전류)는 거의 0 mA에서 2.5 mA까지
    원하는 대로 조정할 수 있다.

    (여기서, 출력전류가 0 mA란 바로 전선이 끊어진 것과 같고,
     2.5 mA란 가변저항 없이 전선으로 연결한 것과도 같다.
     다시 말하면,
     가변저항의 저항값을 가장 낮게 하거나 가장 높게 하는 것은
     전선을 끊거나 잇거나하는   것과 같은 결과를 준다.
     뒤에 다시 나오지만, 스위치 용법에 해당되는 거다.)

하는 말이다.  OK?  조금만 차분하게 생각해보면 금방 알 수 있을것이다. 너무 당연한 이야기라고나 할까....


     3. 저항과 트랜지스터를 직렬로 연결한 회로

이제, 가변저항의 자리에 바이폴라 트랜지스터를 연결해보자. 이제 본론으로 들어가는 거다. 둥둥둥....

(여기에서는 우선 원리적으로만 살펴보는 것으로 NPN형 바이폴라 트랜지스터(BJT)만 예로 든다. 원리적으로는 FET도 마찬가지다.)

트랜지스터는 가변저항이다. 그런데, 그 조정을 드라이버로 하는 것이 아니라 베이스 입력전류값을 바꾸면서 한다고 했다.(BJT에 대해서만 말한다고 했다.) 베이스 입력전류값을 바꾸면서 이 회로의 출력전압, 출력전류를 살펴보면 아래와 같다.

자, 이 그림에서 보면 저 위의 가변저항의 경우와 별반 다름이 없다. 베이스 전류값이 바뀌면 트랜지스터의 저항값이 바뀌게 되고 그 결과 출력전압과 출력전류가 바뀌게 된다. 이것이 바로 트랜지스터의 기본 작동 개념이다.


    3-1. 트랜지스터 스위치 작동개념

그렇다면, 어떻게 스위치로 작동할 수 있는가?  

스위치란 회로를 연결(on)했다가 끊었다(off)가 하는 것이다. 좀 더 엄밀하게 말하면 말하면, 스위치 양단 사이의 저항을 0 Ω이 되게 했다가 무한대 Ω이 되게 하는 것이다.

위의 가변저항과 트랜지스터를 연결한 회로에서, 출력전압이 0 V인 경우가 바로 스위치가 on 되어 있는 상태와 같다. 그리고, 출력전압이 5 V인 경우가 바로 스위치가 off 되어 있는 상태하고 같다.

이해되는가?

(연습장에 위의 그림을 그리고 트랜지스터 대신 스위치를 그려넣고 on/off 상태를 따져보면 더 쉽다.)

예를 하나 들어보자...

스위치로 쓰는 경우, 보통 디지털 신호를 on/off 제어 신호로 입력하게 된다. 베이스 입력단에 +5V와 0V 를 각각 on과 off 신호로 쓴다고 가정하자. 베이스 입력단에 대략 30 kΩ 이하의 저항을 연결해 두면 아래와 같이 스위치로 작동하게 된다.

[스위치 on ]  +5V가 베이스(B)와 에미터(E) 사이에 걸리게 되면, 베이스로 흘러들어가는 전류가 120 uA(마이크로 암페어)를 넘게 되어 트랜지스터 양단의 저항이 거의 0 Ω이 된다. (=스위치 on 상태가 된다.) 그러면, 약 20 mA 전후의 전류가 전구(발광다이오우드, LED)에 흐르게 되어 불이 켜진다.

이 때, 트랜지스터 스위치를 완전히 on 시키는 기준 전류값을 '새츄레이션 베이스 전류'(saturation base current) 또는 '포화전류' 라고 하고, 기호로는 i_B(SAT)라고 쓴다. 여기서, 새츄레이션 전류는 120 uA가 된다.

[스위치 off ] 0V가 베이스(B)와 에미터(E) 사이에 걸리게 되면(=같은 전압이 걸리면), 베이스로 흘러들어가는 전류가 0 uA(마이크로 암페어)가 되어 트랜지스터 양단의 저항값이 매우 커지게 된다. (= 스위치 off 상태가 된다.) 그러면, 전구에 흐르는 전류값이 거의 0 에 가까와져 불이 꺼지게 된다.

이 때, 트랜지스터 스위치를 완전히 off 시키는 기준 전류값을 '컷오프 베이스 전류'(cut off base current)' 또는 '차단전류' 라고 한다. 여기서, 컷오프 전류는 특수한 용도의 트랜지스터가 아니라면 0 uA 이다.


이와같이 별도의 제어 신호를 입력하여 '트랜지스터 스위치'를 on/off 할 수 있는거다.

---- 여기서, 실무지식 하나만 살펴보자.

드라이버로 가변저항 조정하기는 쉽지만, 베이스 전류를 마음대로 설정하기는 쉽지 않을 것이다. 보통, 입력신호(의 전류,전압)가 정해져 있는 상태에서 회로를 설계하게 되는 경우가 많은데, 이 때에 베이스 저항을 얼마로 결정할 것인가가 문제가 된다.

실무 초보자의 경우 저항을 연결해놓고서도, 현재의 베이스 전류값이 얼마나 되는지 측정하는 것을 어려워한다. (QA게시판에도 어떤 분이 질문한 적이 있다.) 물론, 전류계를 연결하여 측정할 수도 있겠으나, 베이스 전류는 값이 매우 작으므로 쉽지가 않다.

가장 쉬운 방법은, 베이스 저항의 양단 전압을 측정하는 것이다. 저항값을 알고 전압값을 알면 베이스 저항을 통해서 전류가 얼마나 통과하고 있는지 계산해서 알 수 있다. 베이스 저항을 흐르는 전류는 그대로 베이스로 입력되므로, (측정전압)/(베이스 저항값) = (베이스 전류값) 으로 구할 수 있다.

[예제]
바로 위의 그림에서, 입력단에 5V 를 걸어놓고 10 kΩ 짜리 베이스 저항의 양단 전압을 재어보니 4V 이다. 이 때 베이스 입력전류는 얼마인가?

[답]
베이스 전류 = (4 V) / (10 kΩ ) = (4 V) / (10,000 Ω) = 0.0004A = 0.4 mA = 400 uA


    3-2. 트랜지스터 증폭기 작동개념

그렇다면, 이제 어떻게 증폭기로서 작동하는지를 살펴보자.

증폭기는 트랜지스터 스위치의 on 상태(i_B>120 uA)와 off(i_B=0 uA) 상태의 사이에 있는 영역을 이용한다. 즉, 베이스 입력전류 값이 변화함에 따라 저항값이 바뀜으로써 출력 전류값이 변화하게 된다. 앞에서 살펴본 예를 통해서, 베이스 전류는 마이크로 암페어 단위로 변하지만 출력전류는 밀리 암페어 단위로 변하고 있다. 대략 백배 이상의 전류 변화를 만들어 내고 있다. 이것이 증폭기로서의 작동인 것이다.

아래의 그림을 살펴보자. 아래 그림은, 증폭기로 사용하는 트랜지스터의 아주 쉬운 작동 예를 나타낸 것이다. 여기서 주의해서 볼 부분은 '바이어스 인가' 부분이다. 베이스 전류의 변화에 따라 트랜지스터 출력측 전류값이 변한다는 것은 이미 위에서 확인했다.

하지만, 음성입력과 같이 교류신호(+/-로 변화하는 신호)의 경우에는 어떻게 해야 할까? 그림과 같은 NPN형 트랜지스터 회로에서 베이스 입력 전류로 (-) 신호가 들어오면 전혀 작동을 하지 않고 계속 off 상태가 된다. 즉, (+) 신호에 대해서는 증폭작동을 하지만, (-) 신호는 짤려나가고 마는 것이다.

(왜냐? 베이스 전류가 반대로는 흐르지 않으니까...잘 모르겠다고? 트랜지스터의 구조에 대한 좀 더 상세한 이야기는 다음 강좌에 이어가겠다. 이번 강좌에서는 그저 "개념" 잡는데 충실하자.)

이 문제는, 입력신호와는 별도로 설계자가 '바이이스'를 '인가'하여, 모두 (+) 전류로 바꾸어 입력함으로써 해결할 수 있다. 그래서, 아래와 같이 작동하는 것이다.

작동을 살펴보면, +40~-40 uA의 입력전류에 +80 uA의 바이어스 전류를 인가하여, 변화하는 모양은 간직한 +신호로 바꾸어서 베이스로 들어가게 된다. 그러면, 전체 입력신호의 변화에 대응되는 출력전류의 변화가 나타나게 되며, 그대로 연결하면 들리지 않던 미세한 신호가 증폭되어 스피커를 움직여 귀로 들을 수 있게 되는 것이다.

그림에 자세한 설명을 달아놓았으므로, 이상으로 증폭기로서의 작동 개념의 설명을 마치겠다.

[잠깐] "증폭"이란 입력전류를 커다랗게 만드는 것인가?

혹시...'어? 입력신호를 증폭한다더니, 왜 입력신호가 아닌 다른 쪽에서 출력신호를 꺼내는 것일까?' 하고 생각하는 독자가 있을는지 모르겠다.

증폭기 작동 사례를 하나 살펴보기 전에, 우리가 흔히 전자회로에서 "증폭"한다는 것의 실체를 먼저 알아두어야 하겠다.

무엇을 '증폭'한다고 하면, '크게 변화시켜낸다'는 뜻이긴 하다. 하지만, 전자회로에서 '증폭'이란 입력되는 신호 그자체가 커지는 것이 아니다. 다만, 입력신호의 모양을 본뜬 커다란 신호를 어디서건 끄집어 낼 수만 있다면, 그것이 바로 증폭이다.

이번 강좌는 꽤나 길어졌다. 끊을 수 없는 내용이라 길더라도 어쩔 수 없었다. 하지만, 그림을 많이 넣어 한결 읽기 쉽게 쓰려고 노력을 하였다. 이번 강좌를 보면서 기초가 부족하다고 생각되는 독자는, 이전의 강좌들을 주욱 다시 훑어본 후에 보면 도움이 될 것이다.

 

출처: http://elec.slowgoing.org/