BJT 스위치 설계

한 줄 요약 — MCU GPIO로 큰 부하를 켜고 끕니다. 베이스 저항 계산이 전부이고, 이걸 빼먹으면 GPIO가 탑니다.

기본 회로 (NPN 로우사이드)

로우사이드: 부하가 위, 트랜지스터(transistor)가 아래. NPN을 쓰며 가장 간단합니다.

💡 회로도에서 이미터가 GND에 붙어 있는 것이 “로우사이드”라는 이름의 뜻입니다. 스위치(트랜지스터)가 부하의 아래쪽(low side)에 있습니다.

설계 절차

1. 필요한 컬렉터 전류 확인

2. 필요한 베이스 전류 계산

포화시키려면 넉넉히 줘야 합니다.

실무 관례: $I_B = I_C / 10$ (즉 강제 $\beta$를 10으로 잡음)

$\beta$ 데이터시트 최소값이 보통 50~100이므로, 10으로 잡으면 5~10배 과구동입니다. 확실히 포화합니다.

3. 베이스 저항 계산

$V_{BE}$는 포화(saturation) 시 약 0.8 V로 잡습니다.

4. 검증

• GPIO 출력 전류가 한계 이내인가?
• 트랜지스터 전력 손실: $P = V_{CE,sat} \times I_C$
• 부하가 유도성이면 플라이백 다이오드(flyback)플라이백 다이오드(flyback)플라이백 다이오드 flyback diode인덕터를 끌 때 튀어오르는 역기전력을 흘려보내 스위치를 지키는 다이오드입니다.자세히 보기 → 추가 (5-05)

계산 예제

예제 1 — 릴레이 구동

12 V 릴레이(코일 240 Ω), 3.3 V MCU GPIO.

1) 컬렉터(collector) 전류:

2) 베이스 전류:

3) 베이스 저항:

E24에서 470 Ω 선택 → $I_B = 5.3$ mA

4) 검증:

• GPIO 전류 5.3 mA < 8 mA 한계 ✅
• 트랜지스터 손실 $0.2\times0.049 = 9.8$ mW ✅ (2N3904는 625 mW 정격)
• 플라이백 다이오드 필수 (릴레이는 유도성) ✅

예제 2 — GPIO로 직접 구동하면?

릴레이를 GPIO에 직접 연결하면 49 mA가 필요한데, GPIO 한계는 8 mA입니다. GPIO가 파괴되거나, 전압이 떨어져 릴레이가 동작하지 않습니다.

트랜지스터는 “GPIO의 약한 구동력을 증폭”하는 장치입니다. 5 mA로 49 mA를 제어합니다.

하이사이드 스위치 (PNP)

부하의 한쪽을 접지에 고정해야 할 때 씁니다.

⚠️ PNP 하이사이드는 주의가 필요합니다:

• 베이스를 $V_{CC} - 0.7$ V까지 끌어내려야 켜집니다
• MCU가 3.3 V인데 $V_{CC}$가 12 V면, GPIO를 High로 해도 베이스가 3.3 V라 여전히 켜져 있습니다
• 해결: NPN 하나를 추가해 2단 구성하거나, P-MOSFET + 레벨 시프트를 씁니다

이 문제 때문에 실무에서는 하이사이드는 P-MOSFET + 드라이버를 더 많이 씁니다 (05).

시뮬레이션으로 확인

# examples/06-transistor/npn-switch.yaml
meta:
  name: NPN 로우사이드 스위치
  lesson: docs/06-transistor/02-bjt-switch.md
components:
  - {ref: VCC, type: vdc, value: 12}
  - {ref: VG,  type: vdc, value: 3.3, label: GPIO}
  - {ref: RB,  type: r,   value: 470}
  - {ref: RL,  type: r,   value: 240, label: 릴레이 코일}
  - {ref: Q1,  type: q_npn, model: 2N3904}
nets:
  VP:   [VCC.p, RL.1]
  COL:  [RL.2, Q1.c]
  BASE: [RB.2, Q1.b]
  GPIO: [VG.p, RB.1]
  GND:  [VCC.n, VG.n, Q1.e]
analyses:
  - {type: op}
expect:
  - {measure: v, node: COL, max: 0.4}          # 포화 확인
  - {measure: i, through: RL, value: 49m, tol: 10%}

COL 노드가 0.2 V 근처면 포화된 것입니다. 0.4 V를 넘으면 베이스 구동이 부족한 것입니다.

⚖️ 부품 트레이드오프

💡 베이스-이미터 간 풀다운 저항(10 kΩ) 은 값싼 보험입니다. MCU 리셋 중이나 부팅 전에 GPIO가 하이임피던스가 되는데, 이때 노이즈로 트랜지스터가 켜질 수 있습니다. 릴레이나 모터가 의도치 않게 동작하면 위험합니다.

측정 회로 관점

🔌 실제 쓰임새

⚠️ 이상과 실제의 차이

연습문제

문제 1. 5 V GPIO로 100 mA 부하를 스위칭합니다. $R_B$는? ($I_B = I_C/10$)

문제 2. 12 V, 500 mA 부하를 2N3904로 스위칭하려 합니다. 문제가 있습니까?

exercises/06-02-2n3904-limit.yaml

문제 3. 스위칭 회로 옆에 µV 신호를 다루는 계측 증폭기(instrumentation amplifier)계측 증폭기(instrumentation amplifier)계측 증폭기 instrumentation amplifier두 입력 모두 임피던스가 높으면서 차동만 증폭하는 구조로, 전극 측정의 표준 첫 단입니다.자세히 보기 →가 있습니다. 어떤 대책이 필요합니까?

exercises/06-02-switch-crosstalk.yaml

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