트랜지스터란? 디지털 트랜지스터의 원리

선정 방법

① TR을 포화시키기 위한 I_C/I_B의 비율은 I_C/I_B=20/1
② 입력저항 : R1은 ±30%　E-B간 저항 : R2는 R2/R1=±20%
③ V_BE는 0.55V~0.75Ｖ

디지털 트랜지스터에는 하기의 관계식이 성립합니다.

■디지털 트랜지스터의 직류 전류 증폭률의 관계식

■콜렉터 전류의 관계식

∴ I_C= h_FE×((Vin-V_BE)/R1)- (V_BE/R2)) ・・・①

※여기서의 h_FE는V_CE=5V、I_C=1mA 시의 값으로 포화 상태는 아닙니다.

스위치로서 사용할 경우에는 포화 상태가 되는I_C/I_B=20/1의 전류 비교가 필요하다.

∴ I_C= 20×((Vin-V_BE)/R1)- (V_BE/R2))・・・②

식①의h_FE를 20/1으로 치환한다.

또한, 편차를 고려하여 산출하기 위해서는
식②에, R1은 최대 +30%, R2는 최소 -20%, V_BE는 최대 0.75V 최악의 경우를 대입하여 산출한다. 디지털 트랜지스터의 I_C가 사용 세트 상 최대 출력전류 Iomax보다 커지도록, 하기의 식으로 디지털 트랜지스터의 저항 R1, R2를 선택한다.

∴ Iomax≦20((Vin-0.75)/(1.3XR1)-0.75/(1.04XR2))

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디지털 트랜지스터의 형명 설명

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I_O와 I_C의 차이에 대하여

I_C : 구성 트랜지스터에 흐를 수 있는 전류의 최대 논리치
I_O : 디지털 트랜지스터로서 사용 가능한 전류의 최대치

해설

DTA/C 시리즈의 경우, 디지털 트랜지스터를 구성하고 있는 트랜지스터는 100mA를 흐르게 할 수 있습니다.

이를 I_C=100mA로 정의하고 있습니다. 이러한 구성 트랜지스터에 저항 R1, R2를 연결하면 디지털 트랜지스터가 됩니다.
이 디지털 트랜지스터에 I_C=100mA를 흐르게 할 경우, 베이스 전류 I_B는 그에 적합한 값이 요구되므로, 그 결과 높은 입력전압 Vin이 필요하게 됩니다.
그러나 한편으로는 절대 최대 정격에 따라 입력전압 R1의 전력 허용치 (패키지 파워) 에서 입력전압 Vin(max) 가 정의되어 있습니다. 따라서, I_C=100mA를 흐르게 할 경우 정격을 초과하므로, 이 Vin(max) 를 넘지 않고 디지털 트랜지스터에 흐르게 할 수 있는 전류치를 I_O로 정하고 있습니다.
절대 최대 정격은 「동시에 2항목 이상을 공급할 수 없다」고 정의되어 있으므로, I_C만 표기해도 특별히 문제는 없지만, 고객의 실제 사용 상태에 따라 Io를 병기하고 있습니다.
따라서, 회로 설계 검토 시에는 이 I_O가 절대 최대 정격이 됩니다.

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G_I와 h_FE의 차이에 대하여

h_FE: 구성 트랜지스터로서의 직류 전류 증폭률
G_I: 디지털 트랜지스터로서의 직류 전류 증폭률

해설

G_I와 h_FE는 모두 에미터 접지 직류 전류 증폭률을 표시한 것입니다.
디지털 트랜지스터는 통상적인 트랜지스터에 저항을 2개 접속한 것입니다.

여기에서 직류 전류 증폭률은 출력전류 / 입력전류이므로 입력저항 R1에 의해 증폭률이 저하되는 경우는 없습니다. 따라서 입력저항 R1 only 타입은 증폭률을 h_FE로 나타내고 있으며, 구성 트랜지스터의 h_FE와 동등한 값이 됩니다.

그러나 E-B간 저항 R2를 연결하면 입력전류는 구성 트랜지스터에 흐르는 전류와 E-B간 저항 R2에 흐르는 전류로 나눠집니다.

그러므로 증폭률은 단품의 경우보다 저하되며, 이 값을 G_I로 표기하여 구별하고 있습니다.

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V_I(on)과 V_I(off)의 차이에 대하여

V_I(on)、V_I(off)는 착각하기 쉽습니다.
V_I(on) : 디지털 트랜지스터가 ON 상태를 유지하기 위한 최저전압이며, V_I(on)은 min으로 정의합니다.

잘못된 방법

 : 입력전압을 0에서 순차적으로 높인다.
 : 1.8V에서 디지털 트랜지스터가 ON 상태로 바뀐다.
 : 사양서에 규정된 3V(min) 이하이므로 불량으로 판단한다.

바른 방법

 : 우선 디지털 트랜지스터를 ON시키기 위해 충분한 입력전압 Vin (예를 들면 10V)를 공급한다.
 : 전압을 순차적으로 낮추어 사양서에 규정된 3V에서 멈춘다. 아직 ON 상태를 유지하고 있으므로 이 제품은 양품이다.
 : 베이스 전압을 계속해서 낮추게 되면 ON 상태를 유지할 수 없어 OFF 상태로 변화한다. 이 변경점이 3V 이하이므로 제품은 양품이다.

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온도 변화에 따른 저항 편차

주위 온도에 따라 V_BE, h_FE, R1, R2가 변화합니다.
h_FE의 온도 변화율은 약 0.5%/°C
V_BE의 온도 계수는 약 -2mV/°C (-1.8~-2.4mV/°C의 범위에서 편차 발생)

R₁의 온도 변화율은 하기의 그래프를 참조하여 주십시오.

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출력전압 - 출력전류 특성의 저전류 영역에 대하여 (디지털 트랜지스터의 경우)

디지털 트랜지스터의 출력전압-출력전류 특성은 하기의 측정 방법으로 측정하고 있습니다.
따라서 I_O (저전류 영역)에서는 구성 트랜지스터의 베이스에 전류가 흐르지 않게 됩니다.
이에 따라, 저전류 영역에서는 출력전압 (V_O)[V_CE(sat)]가 상승합니다.

측정 방법 DTC114EKA의 경우, I_O/Ii=20/1로 측정하고 있습니다.
Ii=I_B+I_R2에서 (I_R2=V_BE/10k=0.65V/10k=65µA)
I_B=Ii-I_R2=Ii-65µA 즉 Ii가 65µA 이하가 되면, I_B에는 전류가 흐르지 않게 되어, V_O[V_CE(sat)]는 상승합니다.
이에 따라, 저전류 영역에서는 V_O를 측정할 수 없습니다.

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디지털 트랜지스터의 스위칭 동작에 대하여

① 트랜지스터의 동작

NPN 트랜지스터를 동작시키기 위해서는 그림 1과 같이 전압을 가합니다.
이 회로에서는, 베이스 (B) - 에미터 (E)간은 순방향 전압을 가하여 베이스 전류를 주입합니다.
즉, 베이스 (B) 영역에 홀을 주입하게 됩니다.
베이스 (B) 영역에가 주입되면, 에미터 (E)의 자유 전자가 베이스 (B)에 몰리게 되지만, 베이스 (B) 영역이 매우 얇으므로, 콜렉터 전압이 가해짐에 따라 베이스 (B) 영역을 통과하여 콜렉터 (C)로 자유 전자가 흐릅니다. 이에 따라 전류는 콜렉터 (C) → 에미터 (E)로 흐릅니다.

② 스위칭 동작

트랜지스터의 동작에는 증폭 작용과 스위칭 작용이 있습니다.
증폭 작용의 경우, 베이스 전류 I_B를 흐르게 함으로써, h_FE 배로 증가된 콜렉터 I_C가 흐릅니다.
활성 영역내에 있어서 입력 신호로 콜렉터 전류를 연속적으로 제어함으로써 출력전류를 얻을 수 있습니다.
스위칭 작용의 경우, ON 시에 전기적으로 포화된 상태 (콜렉터 - 에미터간 포화 전압을 낮춤)에서 사용합니다.

이 포화 영역이란홀이 과잉 주입된 상태로, 이 상태에서 차단 영역 (입력 펄스를 끊음)이 되면 과잉 주입된홀이 베이스 영역에서 베이스 단자로 이동합니다. 베이스 영역 내의홀이 없어질 때까지 콜렉터 전류가 계속 흐릅니다. 이 시간을 tstg (off 시간)이라고 합니다.
여기에서 베이스 영역 내의홀을 빨리 이동시키면 off 시간이 빨라집니다. 디지털 트랜지스터의 경우, 트랜지스터 off 시에는 베이스 영역 내의 홀의 이동 통로는 R1과 R2의 병렬 접속분입니다. 여기서 R1이 일정한 경우, R2가 작은 쪽이 off 시간을 빠르게 할 수 있습니다.

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디지털 트랜지스터의 용어에 대하여

V_I(on)Min.: 입력전압 (INPUT ON VOLTAGE)

OUT 단자, GND 단자간에 순방향 전압 (V_O)을 가하고, 규정의 출력전류 (I_O)를 흐르게 하기 위해 필요한 최소 입력전압. 즉 디지털 트랜지스터가 ON인 영역의 최소 입력전압치를 뜻합니다.
따라서, ON 상태에서 OFF 상태로 변경하고자 할 경우, 이 최소 입력전압치보다 더 낮출 필요가 있으므로 양품의 값은 이 값의 이하가 됩니다.

V_I(off)Max.: 입력전압 (INPUT OFF VOLTAGE)

OUT 단자, GND 단자간에 규정 전원전압 (V_CC), 출력전류 (I_O)를 가한 상태에서 IN 단자, GND 단자간에 얻을 수 있는 최대 입력전압. 즉 디지털 트랜지스터가 OFF 상태를 유지할 수 있는 영역의 최대 입력전압치를 뜻합니다.
따라서, OFF 상태에서 ON 상태로 변경하고자 할 경우, 이 최대 입력전압치보다 더 높일 필요가 있으므로 양품의 값은 이 값의 이상이 됩니다.

V_O(on): 출력전압 (OUTPUT VOLTAGE)

절대 최대 정격을 넘지 않는 임의의 입력 조건하에서의 출력 단자 전압입니다. GND 접지 증폭 회로에서 입력전류를 충분히 흐르게 할 때, 출력전압이 감소하여 IN, OUT 접합도 순바이어스가 된 상태. 규정의 V_O, I_O에 있어서 II를 정수 (통상 10~20)분의 1로 하여 측정합니다.

I_I(Max.): 입력전류 (INPUT CURRENT)

IN 단자, GND 단자간 순방향 전압 (V_I)과 더불어 IN 단자에 연속적으로 흐르게 할 수 있는 전류의 최대 입력 허용치입니다.

G_I：GND 접지 직류 전류 증폭률 (DC CURRENT GAIN)

규정의 V_O, I_O에서의 I_O/II의 비율입니다.

R1: 입력저항 (INPUT RESISTANCE)

IN 단자, 트랜지스터 베이스간에 내장되어 있는 저항입니다. R1의 허용 범위는 ±30％입니다. 또한, 온도에 따라서도 변화합니다.

R2/R1: 저항 비율 (RESISTANCE RATIO)

내장되어 있는 입력 저항에 대한 트랜지스터의 베이스 - 에미터간 저항의 비율입니다.