57월간 전자기술 2003·9

本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌(2003年 4月號)와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

5장 트랜지스터 회로 설계

출력 조건을 명확하게 할 필요가 있다

이 설계 예에서 입력전압은 ∼ 까지 출격전류는

∼ 까지 변동하는 것으로 한다

2. 6V 10mA의 정전압전원

제너 다이오드로서 일렉트로닉스

을 사용하기로 한다 ×× 시리즈는제너 전압 ∼

까지의 라인업이 있고 최대 허용전력 인 시리

즈이다

직렬저항 결정

의전압강하 는입력전압 ∼ 에서

를 차감한 ∼ 로 된다 부하전류의 최대값

은 이므로무부하시의 제너전류 는 를인가

하여 로 한다 따라서

×

≒ Ω

그림 1. 제너 다이오드에 의한 정전압회로와 출력 특성

(NEC 일렉트로닉스)

(a) 회로도 (b) 제너 전류

출력전압

부하전류

(c) 실측 출력 특성

단자 레귤레이터 등의 전용 를 사용하면 손쉽게 정

전압화된 전원을 얻을 수 있게 되었다 그러나 전원의

사양은 매우 광범위하여 전압 안정성 리플 등 다양한 사

양에대응하기위해서는전원회로를이해하고적절한설계

를 시행해야 한다 이 장에서는 기본적인 회로를 소개하고

그 설계방법을 설명한다

제너 다이오드에 의한 정전압회로

1. 심플한 정전압회로

가장간단한정전압회로는그림 1과같은제너다이오드

정전압 다이오드 를 사용한 것이다 그러나 그 동작을 파

악하지 않으면 아무래도 정전압회로라고는 부를 수 없는

것이 돼버린다

정전압소자로서 제너 다이오드를 사용했을 경우 그 특

성에 주의해야 한다

그림 2와 같이 항복영역 특성은 제너 전압에 의해 대폭

달라진다 특히 이하의제너다이오드는제너전류에

따라제너전압이크게달라진다 따라서설계에있어서입

RS = 330Ω

입력전압

Vin

10V

16V

제너 전류 IZ

IL = 0mA

11.5mA

29.7mA

IL = 10mA

1.5mA

19.7mA

.......................................

58

5장 트랜지스터 회로 설계

이므로 Ω으로 한다

다음에이저항값에서제너다이오드의정격을초과하지

않는가를 검증한다

가 더욱 커지는 것은 무부하에서 입력전압이 최대인

일 때이므로 그 값은

≒

로 된다 따라서 부하전류 이 ∼ 인 경우 는

∼ 가된다 다른케이스도포함하여그림

에 정리했다 이와 같이 ∼ 가 된다

그림 의 의 특성에서 는 정도

변동한다는 것을 알 수 있다 그림 에 나타난 실측 특

성에서도 그 정도의 전압변동이었다

3. 3.3V의 정전압전원

제너다이오드로는 을사용한다 인경우

와 마찬가지로 계산한 결과를 표 1에 나타낸다 는

Ω으로했다 제너전류는 ∼ 가된다 이것

을그림 에서확인하면 ∼ 까지변동한다

이것으로 만족할 용도는 별로 없을 것이다

그렇다면문제가 있는것일까 이것은 제너전압이제너

전류에 따라대폭 변화한다는 인식이 없었기 때문이다 특

히제너전압 이하인다이오드에서는변동이현저하다

이렇게 단순한 회로에서 이하의 정전압회로를 구성했

을경우 제너전류의변화가적은조건에서밖에사용할수

없다 입력전압이나 부하전류의 변동이 적은 용도에서 사

용하기 바란다

전류 부스터 장착 제너 다이오드 정전압회로

제너다이오드뿐인회로는부하전류의변동이크거나부

하전류가 큰 경우 성능에 한계가 있다는 것을 설명했다

그림 2. 정전압 다이오드 RD 시리즈의 항복영역 특성[NEC 일렉트로닉스(주)]

제너 전류

제너 전압

(a) 제너 전압 2.1∼9.1V인 품종 (b) 제너 전압 10∼13V인 품종

제너 전류

제너 전압

RS = 330Ω

입력전압

Vin

10V

16V

제너 전류 IZ

IL = 0mA

20.3mA

38.5mA

IL = 10mA

10.3mA

28.5mA

표 1. 3.3V 정전압 다이오드(RD3.3EB1)에

의한 정전압회로의 제너 전류

(히타치)

그림 3. 트랜지스터에 의한 전류 부스터 장착 정전압회로

출력전압

부하전류

(b) 실측 출력 특성

(a) 회로도

................................

59월간 전자기술 2003·9

그래서트랜지스터에의한전류부스터를추가하여이러한

결점을 개선할 수 있다

1. 출력 6V, 50mA의 정전압회로

회로는 그림 3 이다 은 ∼ 로 한다

제너 다이오드 결정

이경우 은 이고 는거의일정하여

이므로 제너 전압은 ＋ 로 된다 그래서

을사용한다

트랜지스터 결정

트랜지스터에는최대 의 부하전류가흐르므로 최

대 컬렉터 손실 는

×

그림 5. 그림 4의 정전압회로 실측 특성

출력전압 그림 4(d)

그림 4(d)그림 4(c)

그림 4(b)

부하전류

그림 4(c)

그림 4(b)

그림 4(a)

그림 4(d)

입력전압

출력전압

....................................... .......................................

입력(히타치)

출력

(a) 제너 다이오드에 의한 것

입력 출력

(b) LED에 의한 것

(안정화)

입력

(히타치)출력 입력 출력

(히타치)

(히타치)

(c) 분할저항에 의한 것 (d) 입력전압이 7V 이상인 경우

(도시바)

그림 4. 트랜지스터에 의한 3.3V

전원회로의 베리에이션

로 된다 이 정도라면 형 패키지의 파워 트랜지

스터를 방열기 없이사용할 수 있다 그래서 히

타치 을 선정했다 이것은

이며 상당히 여유를 갖고 사용할 수 있다

또 손실 시의 접합온도 상승은 이고 주위

온도 까지 사용할 수 있다

저항 결정

의 일 때 는 약 이므로

로되기때문에제너전류의최소값 를 로했다

그래서

Ω

....................................

60

5장 트랜지스터 회로 설계

이므로 Ω으로했다 를통해제너다이오드에흐

르는 전류를 블리더 전류라 한다 그림 에

출력 특성을 나타낸다

노이즈 저감용 콘덴서

제너 다이오드와 병렬인 은 제너 노이즈 저감용이다

디지털 회로의 전원이라면 생략할 수 있지만 아날로그 회

로용이라면 필수적이다

2. 3.3V, 50mA 정전압회로의 베리에이션

그림 4는 트랜지스터 석인 전원의 베리에이션이

다 이하제너 다이오드의항복영역특성이 좋지않다

는 것은 이미 전술했다 따라서 그림 4 의 회로인 경우

그림 5와 같이 별로 좋은 결과는 얻을 수 없다

그림 와같이제너다이오드대신에 를사용했

을경우 그특성에대차는볼수없지만 인쪽의블리

더 전류가 적다는 것을 감안한다면 보다 더 우수하다

그림 는 입력전압으로서 안정화된 를 사용했을

경우로 전압안정화소자를사용하고있지않지만전혀문

제없이 사용할 수 있다

전원이 필요한 기기에서는 이미 등의 정전압

화된 전원이 준비되어 있는 경우가 많으므로 이 회로로 충

분할 것이다

그림 는입력전압이 이상일때사용되는회로로

그림 와 같은 것이지만 대신에 제너 다이오드

을 사용하고 있다

따라서부하변동이나입력전압변동에대한특성은그림

의 회로 중 가장 양호하다

트랜지스터를 사용한 출력전압을 가변할 수있는 정전압회로

1. 동작원리

그림 6에회로를나타낸다 의 가항상일정하다

고 생각하면 쉽게 이해할 수 있을 것이다 점의 전압은

＋ 의 일정값이 되므로 에서 결정되

는 분할비로출력전압 이 결정되고출력전압이 안정화

된다

2. 설계

사양

· 입력전압 은

· 출력전압 의 가변범위는 ∼

· 최대부하전류 는

결정

라면트랜지스터 석에서는 베이스전류가

수십 정도 필요하므로 에 의한 제어회로의 부담이

커진다 그래서 은달링턴형을 사용한다 석을사용하

여 달링턴 접속해도 될 것이다

는 부하단락을 고려하면 이상 이상이 된

다 최대출력전류 는 부하전류 의 배정도

로 예상하면 되므로 이상으로 한다 에서의 소비

전력 은

로 구해지므로 최대 소비전력은 부하가 일 때이

고 × 가 된다 이정도라면

방열기가필요하다 를수 정도로하고싶으므로

의 는 이상이면 충분하다 여기서는

도시바 를 사용했다 이것은

≧ 으로 여유가 있다

결정

은 의 컬렉터 전류 이 충분히 흐르도록 설정한

다 가장엄격한것은 부하전류 일때이다그림 6. 트랜지스터에 의한 출력전압 가변 정전압회로

(도시바)

(도시바)

출력전압설정

(B 커브)

...............................

61월간 전자기술 2003·9

이때점의전압 는 ＋ ＋ 로된

다 일 때 의 최소값은 이므로 은

가 된다 은 에서 공급하므로

＞

이 되고 이것을 변형하여

＜

에서 Ω으로 구한다 따라서 계열의 저항

값 가운데 가장 가까운 Ω으로 한다

결정

제너전류는최소값을 로한다 그리고최악의조건

에서 최대전류를 구하고 규격을 오버하지 않는지 검증한

다 먼저 간단하게 는 에서만 공급되는 것으로 하면

이기 때문에

Ω

이므로 Ω으로 한다 제너 전류가 가장 커지는 것은

부하전류가 출력전압이 인 경우라 상정할 수 있

다 먼저 을 흐르는 전류 은

＋

＋ ≒

가 된다 를 흐르는 전류 는

≒

이다 따라서 이고 제너 다이오드의

소비전력은 로되어최대허용손실인

를 쉽게 클리어한다

결정

이러한값은 의베이스전류가무시될수있는값으로

한다 그림에서 의 최대값은

＋

＋

≒

정도이다 의 를 이라고 하면그베이스 전류

는 가된다 를 이 값의 배

정도인 로 하면

＋ ＋

저주파 아날로그 기기의 프린트 배선이

나 실장배선에서는 그라운드가 가급적 ‘1

점 그라운드’로 되도록 해야 한다. 1점 그

라운드의 원리를 그림 A에 나타낸다. 그

림 A(a)와 같이 했을 경우, 그림 A(b)의

등가회로와 같이 그라운드에 흐르는 전류

에 의해 A점과 B점에 전압이 발생한다.

따라서 C점과 D점의 전압은 그라운드에

흐르는 전류 I에 의해 변동된다.

한편, 그림 A(c)와 같이 하면 그림 A

(d)의 등가회로와 같이 되어 기준(1점

그라운드점)이 되는 점의 전위는 항상 일

정하게 된다. 따라서 기준전압 등과 같이

변동이 허용되지 않는 개소는 반드시 1

점 그라운드로 배선한다.그림 A. 1점 그라운드의 원리

기준

(a) 복수점 그라운드

기준

(b) 복수점 그라운드의 등가회로

(c) 1점 그라운드

이 배선은 조금 길어도 된다

(d) 1점 그라운드의 등가회로

기준

..............................

..........

...............................

......................................

..............................

........

...................................

....

...................

62

5장 트랜지스터 회로 설계

..............................

..............................

안정된출력을얻고싶은경우 이회로에서는리플전압의

최저값을 로 하여 설계해야 한다

만약리플전압을 로하면최대전압은 평균전압

은 로된다 이것은주로 의소비전력을증가시키는

방향이다 구체적으로는 입력전압이 증가하면 소비전

력이 증가한다

또 부하전류에따라 정류출력도 변동하며 라

인의 전압변동 ± 도 고려한다면 엄밀하게는 최악의

값을 사용하여 다시 설계해야 할 것이다

5. 보호회로란

출력 쇼트 시의 파괴 방지

정전압회로의 출력단자와 그라운드를 쇼트시키면 어떻

게될까 라면 의 가 로되므로 는

된다

그러면 은 에서 으로결정되는베이스전류

가 흘러 그 배의 컬렉터 전류 가 에 흐른다 구체

적으로 구하면

× ≒

로 되어 은 되었다고 생각할 수 있다

측에는 반드시 평활용 대용량 콘덴서가 있다 그 콘

덴서에는 × 의 에너지가 축적되어 있다 그 에너

지가순간적으로 에서소비되기때문에순간적으로

그림 7. 그림 6에 나타난 회로의 실제 측정 특성

출력전압의 변동

부하전류

그림 8. 트랜지스터에 의한 커런트 리미터 회로

..............................

여기서 ＋

정도가 된다 가장 작은 값으로 하면 의 영향을 더욱

작게 할 수 있어 안정화된다 여기서 의 베이스 전류를

무시하게 되면 점의 전압 는

출력전압 의가변범위를 에서 로하면

로 된다 라고하면결과적

으로 이 된다 이 설

계값에서 ≒ ≒ 로되어사

양을 충족시켰다

3. 제작한 정전압전원의 특성

그림 7에부하전류대출력전압변동의관계를나타낸다

입출력전압 차 정도에서 안정화되었으므로

의 는 이상이라예상할 수 있다 또한 이정도의

변동률은 트랜지스터를 제어에 사용했을 경우의 일반적인

특성이라 볼 수 있다

4. 입력전압에 리플 전압을 포함하는 경우

전원을정류한출력에는리플전압이포함되어있다

..............................

..............................

....

(a) 회로도

Vout = 12V로 설정

Vout = 8V로 설정

부하전류

(b) 특성

출력전압

63월간 전자기술 2003·9

이 파괴될 것이다

실제로회로를 시험하고있을때 테스터의리드봉이샤

시에접촉되어순간적으로 이 그라운드로떨어지는경

우가 있었다 그렇게 예기치 못한 사고로도 은 간단히

파괴된다 나도 몇 번 경험한 적이 있다

그러한 실수를 저지르지 않는 것도 중요하지만 예를 들

어 잘못 조작해도 파괴되지 않을 수 있는 회로를 설계하는

것도 중요하다

자동복귀와 수동복귀

보호회로가 장해발생시 회로를보호하는것은당연한

일이지만 그 장해가 제거되었을때의 복귀를 어떻게 할 것

인가에 대해서도 생각할 필요가 있다

장해가 없어졌을 때 그대로 본래의 동작을 계속하는 것

을‘자동복귀’또는‘자기복귀’라 한다 어떠한 수단 예를

들면 리셋 스위치 등을 누름으로써 동작을 재개하는 것을

‘수동복귀’라 한다 수동복귀형 보호회로의 예는 가정에서

사용하는 서킷 브레이커를들 수 있다 여기서는 자동복귀

만 설명한다

또한 과전류 보호회로의 전류 검출저항에서 이상

의전압강하가있으므로입력전압이나최대출력전압등의

검토가 필요해질 경우도 있다

6. 과전류 보호회로 추가

커런트 리미터 회로

출력전류 가 약 로 됐다면 전류제한이 걸리도록 설

계한다 그림 8에 회로와 그 특성을 나타낸다 의

는 의 양단전압이므로 로 된다 이것이 약

를 초과하면 가 하여 가 약 이하로

되고 의 전압상승을억제 가그이상흐르지않

도록 제한한다 따라서 제한전류를 으로 하면 는 다

음과 같은 식으로 구한다

이회로는순간적인대전류가 에흐르는것을보호할

수 있다 그러나 부하를 단락한 상태라면 의 소비전력

은거의 × 로되어과열에의

해 파괴될 가능성이 있다

폴드 백형 커런트 리미터 회로 Ⅰ

영속적인 부하단락으로부터 을 보호하기 위해 구상

된보호회로이다 그림 9에회로와그특성을나타낸다 보

호 특성이 ㄱ자와 비슷하므로‘ㄱ자형 보호회로’라고도 한

다 보호가시작되는전류를 단락시부하에흐르는

전류를 라 하면다음과 같이 구할수 있다 정상동작 시

의 베이스 이미터간 전압 는 다음과 같은 식으로

그림 9. 폴드백형 커런트 리미터 회로Ⅰ 그림 10. 폴드백형 커런트 리미터 회로Ⅱ

(a) 회로도

(b) 특성

출력전압

Vout = 12V로 설정

Vout = 8V로 설정

부하전류

(a) 회로도

출력전압

부하전류

Vout = 12V로 설정

Vout = 8V로 설정

(b) 특성

......................

64

5장 트랜지스터 회로 설계

..................................

그림 11. NPN형 3단 달링턴 접속의 베리에이션

(a) NPN3단 (b) NPN1단-PNP2단 (c) NPN-PNP-NPN

나타난다

단 ≫ ≫

따라서 최대 출력전류 는

이 된다 부하에 이상이 흐르도록 하면 보호회로

가 동작하고 출력전압 이 내려간다 이 내려가면

최대 출력전류가 감소되므로 이 가속도적으로 로

된다 그리고 다음과 같은 식의 단락전류 가 흐른다

를작게하고싶은경우 의값을크게하지만그전

압강하와 소비전력이 커진다

폴드 백 커런트 리미터 회로 Ⅱ

그림 의 회로에서는 가 커지므로 정상동작 시의 입

출력간전압이크다는등의결점이있다 이것을개선한보

호회로를 그림 10에 나타낸다

정상동작 시 의 베이스 이미터간 전압 는 다음

과 같은 식으로 나타난다

단 ≫ ≫

따라서 최대 출력전류 는

로 된다 부하에 이상이 흐르려고 하면 보호회로

가 동작하여 출력전압 이 내려간다 이 내려가면

최대 출력전류가 감소되므로 이 가속도적으로 로

된다 그리고 다음과 같은 식의 단락전류 가 흐른다

여기서 ≦ 으로도 가능하지만 부하가 정상으로 됐

을 때 자동복귀하지 않으므로 주의해야 한다 또 이 크

게변동하는경우 도크게변화하므로이것을고려하여

를 결정해야 한다

7. 달링턴 접속의 베리에이션

또 제어회로의 부담을 가급적 적게 하기 위해 트랜지스

터의 를 더욱 크게 할 필요가 있다

그러한 경우 달링턴 접속을 단으로 하는 방법도 자주

시행된다 그 단의 조립방법으로는 그림 11과 같은 방법

이 있다

그림 는가장일반적인것이다 그림 는

파워 트랜지스터보다 약간 고가로 입수성에 뒤떨어지는

파워 트랜지스터가필요하다는 것 외에도 가

크다는 등의 이유로 별로 사용되지 않는다 그림 는

와 를 모두작게 할수 있다 더 큰 전류가필요

한 경우에는 최종단의 제어용 파워 트랜지스터를 여러 개

병렬 접속한다

OP 앰프와 트랜지스터를 사용한 높은 출력안정성의 정전압회로

1. 트랜지스터만에 의한 제어회로의 결점

트랜지스터에 의한 제어회로를 가진 정전압회로의 문제

점은 출력전압이 ＋ 의 배인 형태로 결정되므

.............

...................

..................................

....

...............

65월간 전자기술 2003·9

로 이 의온도특성이나베이스전류의영향을받는

다는 것이다

또 제어회로의 이득이 작기 때문에 부하전류의 변동에

대해 의 변동도 커진다

2. OP 앰프를 사용하여 성능 상승을 도모한다

그래서 그림 12와 같이 전압제어용으로 앰프를 사

용하면 제어회로의 베어 이득을 크게 할 수 있으므

로 고성능 정전압회로를 쉽게 실현할 수 있다

앰프의베어이득은매우크기때문에반전입력단자

와비반전입력단자사이의전압은가상영점이라상정하여

로 취급할 수 있다 따라서 다음과 같은 식이항상 성립

한다

이 식에는온도나 부하전류 등에 크게 영향을 받는 변수

가포함되어있지않으므로안정성이극히양호한정전압전

원이 된다

구체적인 설계 예는 후술하는 전원이나 트래킹

레귤레이터의 항에서 설명한다

정전류회로

정전류회로는 그림 13 나 와 같은 기호로 나타

낸다 정전류회로는 전원전압 나 부하저항 을 가변하

더라도 부하전류 은 항상 일정하게 유지된다 의 변화

는 단순한 전압변화이므로 더 간단히 말하면 회로에 인가

되는 전압을 가변해도 일정전류가 흐르는 회로라 할 수 있

을 것이다

이 전압변화에 대한 전류변화의 비를‘동작저항’이라 하

며 이 값이 클수록 정전류 특성이 양호하다 단 현실의 회

로에서는 정전류동작이가능한전압범위에 제약이있어 범

위 외의 전압에서는 전류값이 변화된다

1. 정전류 다이오드

로서 시판되고 있

다 정전류 다이오드는 이하의 저전압에서 이상

의 고전압까지 일정한 전류를 공급하는 소자이다 넓은 정

전류 동작영역 높은 동작저항 등의 특징이 있다 그림 14

는 이시츠카전자 의 정전류 다이오드의 정 특성

예이다

유니크한디바이스지만정전류값은메이커가준비한품

종에서 고를 수밖에 없다

이 단자전압은

항상 같다

그림 13. 정전류원의 기호와 동작 그림 14. 정전류 다이오드의 정 특성[이시츠카전자(주)]

전류

전압

(a) 원형 화살표 (b) 중첩된 2개의 원 IL은 항상 일정

(c) 흐르는 전류는 일정

그림 12. OP 앰프에 의한 정전압회로

................................

..............................

66

5장 트랜지스터 회로 설계

그림 16. JFET에 의한

정전류회로

하여 정전류값을 결정해야 한다

를사용한정전류회로의실측 특성을그

림 17에 나타낸다

에의한정전류회로는정전류값을가변할수있지

만최대로도 까지의전류값밖에흘릴수없다는제약이

있다

3. 트랜지스터에 의한 정전류회로

제너 다이오드를 사용한 회로

그림 18에 제너 다이오드와 의 정전압 특성을 이용

하여 에 정전류를 흘린다 그림 에서 제너 전압을

로 하면

로된다 따라서 와 의온도특성이동일하다면온

도에 의존하지 않는 정전류가 얻어진다 또 트랜지스터로

증폭하므로 에 의한 회로보다 약간 큰 출력전류를

(a) NPN인 경우 (b) PNP인 경우

그림 18. 트랜지스터에 의한

정전류회로그림 17. 그림 16에 나타난 회로의 실제 측정 특성

드레인 전류

드레인-소스간 전압

그림 15. 2종류의 JFET 정 특성[(주)도시바]

드레인 전류

소스 공통

게이트-소스간 전압 드레인-소스간 전압

(a) 2SK30ATM

드레인 전류

소스 공통

게이트-소스간 전압

(b) 2SK370

................................

................................

2. JFET에 의한 정전류회로

채널 인 과 의 정 특성을

그림 15에나타낸다 에는 의변화에대해

가일정한영역이있어정전류회로에이용할수있다

한편 그림 에나타난 의정특성에는 가

일정하게되는영역이 없기 때문에 정전류회로에는적합하

지않다

그림 16에 에 의한정전류회로를 나타낸다 소스

저항 값에 의해 정전류값을 설정할 수 있다 먼저 드레인

전류 는 다음과 같은 식으로 나타난다

단 인 의핀치오프전압

의 양단 전압이 로 되므로 는 근사적으로 다음

과 같은 식으로 구한다

실제로는 값이대폭분산되므로 는가변저항으로

..................................

..................................

드레인-소스간 전압

67월간 전자기술 2003·9

(도시바)이곳은 정전압화

할 필요 있음

(a) 온도보상 없음 (b) 온도보상 있음

얻을 수 있다

또한제너전압을얻기위한 의 단자는안정된전압

이 얻어지는 전압원 예를 들어 등에접

속한다

트윈 트랜지스터를 사용한 회로

그림 19는 트윈 트랜지스터를 사용한 정전류회로로 오

디오앰프등에흔히사용된다 이회로의경우 에공급

하는 전원 는 안정화되어야 하기 때문에 실제로 차동

앰프에사용되는회로를상정했다 에관해다음과같은

식이 성립된다

로 했을 경우 회로의 대칭성에서 계산할 필요

도 없이 가 된다 따라서

로 되어 를 일정하게 해두면 도 일정하게 된다

이회로는항상 가성립하므로 가 를반영한

다는의미에서‘커런트밀러 회로라불

린다

또상술한바와같이 에의해정전류값을임의로설정

할 수 있으므로 설계의 자유도가 있다

CVCC 전원

정전압 정전류전원 전원

은 출

력전압과 출력전류를 독립하여 설정할 수 있

는 전원이다 부하전류에 의존하지 않으므로

항상정전압값을출력하는정전압 동작

과항상정전류설정값을부하에출력하는정

전류 동작을 시킬 수 있다

정전류동작은 시험 제작한 회로에 어떠한

전압이인가돼도잘못된배선등에의한과전

류에 의해 부품을 파괴하지 않도록 하거나

차 전지에 충전하는 전기량을 정확하게 파악

하는 데에 사용한다

그림 20은제작한 의 전원회로이다 출

력설정 전압은 ∼ 연속가변 출력설정 전류는 ∼

연속가변이다

1. 정류회로와 평활회로

여기서는 가정을 하면서 간이로 설계한다 먼저 트랜스

의 전압에서 정류에 의해 얻어지는 무부하 시의 전압은

× ≒ 가 된다

부하전류가 일 때 권선에서 브리지 다이오드

의 각 다이오드에서 의 전압강하가있다고 하면 무부

하시의최대출력전압은 × 가

된다 이것이 평균 전압이라 예상할 수 있다 리플 전

압 은 다음과 같은 식으로 구한다

단 리플전압의피크투피크 부하전류

리플 주파수 평활 콘덴서의 정전용량

따라서 점의최저전압은 ≒ 가되

므로 제어회로에의 공급전압은 약 로 계산한다

2. 정전압회로 설계

이회로는점의전압 와점의전압 즉 을

분압한 값이 같아지도록 동작하므로

그림 19. 트윈 트랜지스터에 의한 정전류회로

……………………………………………………

……………………………………………………

……………………………………………………

............................

..................................

..................................

………………………………………

………………………………………..................................

...............................

68

5장 트랜지스터 회로 설계

는 에 의해 ∼ 까지 가변되므로 은 ∼

까지 가변할 수 있다

기준전압용으로는 내셔널세미컨덕터 을

사용한다 이것은 기준전압 발생용 이며 의 제너

다이오드와 같은 동작을 실행하므로 기호도 같다

∼ 의범위에서사용할수있다 가변저항

기 는 이므로 를 흐르는 전류 는

가 된다 또 를 흐르는 전류는

이므로 라고하면 가되고

가 된다

3. 정전류회로 설계

이 회로는 점과 점의 전압이 같아지도록 동작한다

검출전압의 기준을 어디로 해야하는가

은 부하전류를 검출하는 저항이다 여기서 이 검출전

압의 기준을어디로 할 것인가 라는 큰 문제가발생한다

먼저 점을 기준으로 했을 경우 에 흐르는 전류를

그라운드측으로흘릴수있으므로여기에서의오차를작게

할수있다 그러나 앰프로의입력전압은 앰프의전

원전압과같은정도로 도달하므로정상동작범위를초과해

버린다 그래서 기준을 점으로 했을 경우 기준전압부에

흐르는 전류는 단자를 거쳐 외부부하로 흐른다 외부

에부하가어디에도접속되어있지않을때는 에서

전압이발생한다 따라서 을 에서 가변할수 없다

이러한 폐해를 없애기 위해 본격적인 전원에서

는정전류제어회로의전원을별도로준비하고 전원구성

으로 하는 것이 일반적이다

이번에는회로를간단히하고싶으므로제어회로는단전

원으로 하고 정전류부의 기준전압부에의 전류를 감소시키

기위해전압검출회로의저항을작게하도록한다 때문에

출력설정전압은최저 에서전류는최저 부터가제

어범위로 된다

전류 검출저항

부하전류의 검출저항은 에서 양단전압 와 정전류

값설정전압 가같아지도록동작한다 이 을크게

하면정전류의제어감도가좋아지지만여기에서의전압로

스 즉 전력손실은 커진다 은 Ω으로 했기 때문에

............................

브리지 다이오드

(신전원)

정류/평활회로

전력제어회로(도시바)

(도시바)

정전류회로

정전압회로

(도시바)

CC 설정

(히타치)

(히타치)

(내셔널 세미컨덕터) CV 설정

(내셔널 세미컨덕터)

그림 20. 출력 2∼20V,

5m∼5A인

CVCC 전원회로

69월간 전자기술 2003·9

최대전류일 때의 전압강하는 전력손실은 로 된

다 정격전력이 작은저항을 사용하면 자기 발열하여 저항

값이영향을받기때문에여유를두고정격 의저항을

사용했다

의 동작범위

기준전압원에는 를 사용한다 이것은

μ∼ 에서 동작한다 의 과

같은기준전압용 로서 를발생한다 가가장작아

지는 것은 이 일 때이다 먼저 에 흐르는 전류

은

＋

로 일정하다 에 흐르는 전류 은 다음과 같은 식이

된다

따라서 가 된다

이가장커지는것은 이 일때이며

정도로되어 의규격을충족시킨다

4. 전력제어부

달링턴 접속부 구성

앰프의 제어전류를 감소시키기 위해 그림 와

같은 단달링턴접속으로했다 의값만을생각하면

단으로도 충분하므로 접속이라는 의미로는 그림 도

될것이다 그러나다음에기술하는이유에의해그림 과

같이 구성했다

그림 21은 의출력단자흡입전류에대한출력전

압의관계이다 부하전류가 일 때 에서 앰프의출

력단자로전류가흐르고그값은약

이다

따라서 앰프의출력전압은 약 이상이다 거기

에 에 의한 전압강하 약 를 가하면 의 베이스

전압은 약 가 된다 만약 달링턴이 단이라면 확실하

게 으로 하기 때문에 부하를 쇼트시켰을 때 과전류가

흘러버린다

전력제어부의 베이스 바이어스 저항 검토

는 전력제어부에 베이스 전류를 공급하기 위한 저항

으로 다음과 같은 전류가 흐른다

그림 스캔받아주세요

단 그림 에서 단달링턴 접속회로의 의

베이스와점의전압 전류검출저항 의전압

부하에 를공급했을때가가장엄격하고그값은

로 되었다

달링턴 접속의 를 이라 하면 는 가 되

어 여유를 갖고 부하를 제어할 수 있다

이미터 저항 검토

는 의 전류 밸런스를 잡기 위한 것이다

그림 21. LM324의 출력 흡입 전류 특성

출력전압

출력 흡입 전류

(a) Vo-Io 특성

……………………………………………………

(b) 측정회로

그림 22. 그림 20에 나타난 회로의 실제 측정 로드 레귤레이션 특성

출력전압의 변동

부하전류

...............

...............

……………………………………………………...................

……………………………………………………........................

70

5장 트랜지스터 회로 설계

트랜지스터가발열하면 가약 로저하된다

개의트랜지스터를같은전압으로구동하면 가낮은트

랜지스터에의해많은전압이흐르고발열한트랜지스터는

가 더욱 저하되어… 라는 상태로 전류가 한 쪽으로 집

중된다 이것을‘커런트 호깅 ’이라

한다

그래서 트랜지스터를 병렬 접속할 때에는 이 이미터 저

항을 반드시넣는다 단 너무큰 저항값을넣으면 그 전력

로스를 무시할 수 없다

따라서 최대 출력전류일 때 이미터 저항에서의 전압 로

스가 ∼ 정도가 되도록 선택한다

이번에는 Ω으로 했으므로 최대 전압강하는 ×

소비전력은 × 가된

다 여유를 두고 저항을 사용했다

이러한 저항은 발진방지용으로 수백Ω에서 수으로

한다

5. 특성

제작한 전원의출력특성을실제측정한것이그

림 22이다 부하전류의변화에대한출력전압변동은

이하였다

트래킹 레귤레이터

‘트래킹 ’이란 따른다는 의미로 예를 들면

정출력이 온도나 부하변동 등으로 변화했을 때 그 변화에

따라 부출력도 같은 비율로 변화하는 동작이다 또 정 ＋

측의 출력전압을 가변하면 자동적으로 부 측의 출력전

압도 같은 절대값의 전압이 되는 전원이다 정부 ＋

전원 출력이더라도 전압설정용 가변저항기가 개로 해결

되어 앰프의 정부전원 등에 적용되고 있다

설계하는 것은 입력전압 ± 출력전압 ∼＋

∼ 에서 최대출력이 각 인 트래킹 레귤레이터

이다

1. 정출력 측의 전압제어

그림 23에 회로를 나타낸다 정출력 측의 기준전압

는 의 제너 전압 를 에 의해 가변하고

∼ 로 했다 점과 점의 전압이 같아지도록 앰

프에서 제어하므로 ＋는 자동적으로 조정된다 점의

전압 는 다음과 같은 식으로 나타난다

따라서 출력전압 은

……………………………………………………

그림 23. 출력 ±15V, 1A의

트래킹 레귤레이터

..................................

(히타치)

출력전압설정

(내셔널 세미컨덕터)

(히타치)

71월간 전자기술 2003·9

……………………………………………………..................................

이다 점의 전압은 ∼ 이므로 은 × ∼

가 되어 정 측의 출력전압 범위는 ∼ 이다

의값을너무크게하면 의입력바이어스 전

류의 영향을 받는다 의 입력 바이어스 전류의 최

악값은 이므로 일 경우에는최대 의 전

압 로스로 된다

전압제어용 트랜지스터로는 달링턴 접속의

를 사용했다 이 트랜지스터는 ≧

이다 부하전류는 최대 이므로 약간오

버 스펙이지만 부품의 입수성이나 가격 등을 고려했다 따

라서 의 베이스 전류 는 최대부하전류

와 에서

로최대 가된다 는 의제어이득을작게하기

위한 저항이며 너무 작으면 베어이득이 커져 발진될 가능

성이 있다 너무 크면그곳에서의 전압강하가 커져전압제

어범위가좁아진다 여기에서는 으로했으므로전압강

하의 최대값은 이다

2. 부출력 측의 전압제어

제어용 앰프 의 기준전압은 비반전입력 점

에서그라운드를기준으로한다 따라서반전입력 점 의

전압은 항상 이다

그림 24. 트랜지스터에 의한 3단자 레귤레이터의 전류 부스터 그림 25. 그림 24의 실제 측정 로드 레귤레이션 특성

최소 3.9V

(도시바)

(도시바)

(도시바)

출력전압의 편차

부하전류

전압 검출회로는 와 으로 구성되고 같은 값이므로

｜ ｜ ＋ 이 되도록 제어된다

전압제어용트랜지스터에는 의컴플리멘터리

페어인달링턴접속 를사용했다 의전원전

압은 와 다르다는 것에 주의한다 은 회로가

들어있는 앰프지만 과 는 다른 전원을 이용할

필요가 있으므로 개별적인 앰프 를 사용한다

에 요구되는 특성은 입력전압 출력전압 ∼ 이

다 그래서 의공급전원전압은 ＋ 측을 측을

로 했다

3. 기준전압부

이 기준전압부는 정출력 측의 기준전압과 부출력 측의

앰프 로의 전류공급 이렇게 가지의 역할을 담

당하고 있다

로의공급전류는데이터 시트에서최대 이고

에 흐르는 전류는 가 된다 에 의 아이

들 전류가 흐른다고 하면 에 흐르는 전류는 이

다 따라서

단 ＋ 정전원입력전압 의단자전압

이 된다 여유를 두고 으로 했다

3단자 레귤레이터의 성능 상승

단자 레귤레이터에 트랜지스터 회로를 추가하면 출력

…………………………

..........

...........

72

5장 트랜지스터 회로 설계

……………………………………

특성

제작한전류부스터장착 단자레귤레이터의출력특성

을 그림 25에 나타낸다

전류 리밋은 에서 걸렸다 출력전압의 편차는

에서의편차이고전류를흘리지않은상태에서출력전압은

였다

2. 출력전압 부스트 회로

그림 26에 회로를 나타낸다 출력전압 에 어느정도

정확성이 필요하다면 그림 의 제너 다이오드에 의한

회로를사용한다

단자 레귤레이터는 출력단자와 단자의 값이 정

격전압 로 되도록 동작하기 때문에 단자와 그라

운드사이에제너다이오드를외장하면 ＋ 로

된다

단자에서 제너 다이오드로 흐르는 전류는 단자

레귤레이터의 바이어스 전류이므로 ∼ 정도이다

또한 를 흘리고 싶은 경우에는 을 외장으로 한다

을가변하고싶은경우에는그림 와같이

단자와 그라운드간에 가변저항 를 넣는다 이 에 흐

르는 전류 는

＋

이므로 의 양단 전압 는

＋

로 되고 은 그림 속의 식으로 나타낼 수 있다

그림 26. 3단자 레귤레이터의 전압 부스터

(a) 제너 다이오드에 의한 전압 부스트 (b) 분할저항에 의한 가변형 전압 부스트

그림 27. CR 필터와 트랜지스터에 의한

액티브 리플 필터

(a) CR 필터

(히타치)

244μ 상당으로 된다.

→ 330을 사용한다.

(b) 액티브 리플 필터

전류나 출력전압을 확대하여 응용범위를 넓힐 수 있다

1. 출력전류 부스트 회로

최소 입출력간 전압이 증가한다

그림 24에 회로를 나타낸다 일반적인 단자 레귤레이

터의 최소입출력간전압 는 약 달링턴 트랜지

스터 의 는약 보호회로용전류검출저항

에서의 전압강하 는 가 된다 따라서 외부회로를

설치했을 경우에는 단체로 사용할 때보다 입력전압을 약

높게 할 필요가 있다 즉 이 회로의 최소 입출력간

전압은 정도가 된다

단자 레귤레이터의 동작전류를 공급하는 저항

이회로에서주의해야할것은 단자레귤레이터가동작

하기 위한 바이어스 전류로 에 최대

정도가 필요하다

이 바이어스 전류를 에서 흘리지 않으면 와 의

이미터 베이스간을 경유하여 전류가 공급돼버리고 에

베이스전류가흘러 가 되고출력전압 은 에

가까운값으로되어위험하다 때문에 의값은매우중요

하며

를충족시켜야한다 이므

로 ＜ Ω이 조건이다

여기서는 로서 달링턴 접속이 아닌 일반 트랜지스터

를 사용했을 경우에도 충분조건을 충족시

키도록 Ω으로 했다

......................................................................

..........................

73월간 전자기술 2003·9

액티브 리플 필터

리플을 좀 더 감소시키고 싶은 경우의 대책으로

① 레귤레이터를 넣는다

② 정류회로 평활 콘덴서의 용량을 늘린다

③ 리플 필터를 넣는다

등이있다 ①이가장일반적이지만 단자레귤레이터가

사용되지않은전압에서는사용할수없다 ②는매우대용

량인 콘덴서가 필요하다 그래서 ③의 리플 필터로 실현해

본다

1. 단순한 CR 필터

먼저그림 27 의단순한 필터로구성했을경우를

상정해 본다 허용되는 전압강하는 그 때의 부하전류

는 로 한다

먼저 저항값은 부하전류에서 Ω이다

에 의한 차 필터이기 때문에 컷오프 주파수 는

π

로 표현된다

리플을 에서 로하기위해서는컷오프주파수

를 로 하면되므로 ≒ 으로 구한다 상당히

큰 용량의 콘덴서가 필요하다

2. 트랜지스터에 의한 액티브 리플 필터

다음에그림 의트랜지스터를 사용한액티브한리

플 필터 회로를 상정한다

트랜지스터인 경우 이미터 전압은 항상 베이스

전압보다 정도 내려간 값이므로 베이스 전압에서의

그림 28. 전자 부하회로의

원리적 회로도

부하입력

(도시바)

그림 29. 최대 20A의 전자부하회로

전류검출용

(도시바)

(도시바)

(도시바)

(내셔널 세미컨덕터)

부하전류설정

그림 30. 전류 레인지 전환

단자

(a) 외장 저항에 의함 (b) 스위치에 의함

(히타치)

(c) 파워 MOSFET에 의함

..................................

부하입력

74

5장 트랜지스터 회로 설계

리플을 감소해주면 이미터 전압에서의 리플 전압을 작게

할 수 있다 먼저 전압강하가 까지 허용되므로

로하면 로된다 트랜지스터의최소

를 이라고 하면

따라서

Ω

이 된다 필터의 컷오프 주파수는 이므로 식

에서 이다

이와같이 트랜지스터를사용함으로써등가적으로

배의콘덴서를만들수있다 실제 회로에서는

를사용하기로한다

그림 C. 일반적인 전압검출회로와 그 등가회로

오차 증폭기로

(a) 일반적인 전압검출회로

배선저항

커넥터의접촉저항

배선저항

이곳은 설정전압

출력전압은 설정전압에서

배선 등에 의해 발생한

전압을 뺀 값이 된다

여기서 부하전류에

의한 전압 발생

(b) (a)의 등가회로

그림 B. 리모트 센싱 원리

전압검출용

대전류가흐른다

출력단자

부하

오차 증폭회로로

(a) 리모트 센싱에 의한 전압검출회로

프린트 기판의배선저항 외부 배선저항

커넥터에서의접촉저항

대전류가 흐른다

전류는 거의 흐르지

않는다

(b) (a)의 등가회로

그림 D. 전압 검출단자를 독립시켰다

전압검출용 단자 센스선

부하

이 거리를 연장시켜도부하의 양단은설정전압으로 된다

대전류가 흐른다

커넥터나 전원 내부의 배선에 있어서 전압강하를 무시할

수 없을 만큼 안정적인 출력전압을 기대하는 전원에서는 그그그그그

림림림림림 B B B B B(a)와 같이 전압검출선을 전류가 흐르는 선에서 분리

하여 배선한다. 이로써 그림 B(b)의 등가회로와 같이 되어

커넥터나 배선에서 전압강하가 발생하더라도 출력단자의

전압을 정확하게 측정할 수 있고 출력단자를 항상 설정전압

으로 제어할 수 있다. 이 방법을 ‘리모트 센싱’이라 한다.

한편, 그림그림그림그림그림 C C C C C(a)와 같은 회로로 하면 그림 C(b)와

같이 점의 전압은 설정전압으로 제어되지만 출력단자

전압은 부하전류에 따라 변화돼버린다. 또 그림그림그림그림그림 D D D D D와 같

이 전압검출용 단자를 별도로 설치하면 부하에의 배선

을 연장해도 부하전압은 항상 설정값이 된다.

.............

...................

75월간 전자기술 2003·9

전자부하

1. 전자부하란

전원을시험할 때는실제로부하에 전류를흘린다 시험

하는 전원이 전압가변형이거나 몇 종류의 값으로 시험할

필요가 있으면 시험조건에 맞춰 다양한 저항값의 전력용

저항기를준비해야한다 대전력의가변저항기를사용하는

방법도 있지만 특수하고 고가이다 그럴때 편리하게 사용

할 수 있는 것이‘전자부하’라 불리는 회로이다

2. 원리적인 회로

그림 28은가장 간단한 예로서 파워트랜지스터를 부하

저항으로사용한다 먼저 에의해 를흘린다 그러면

배의 컬렉터 전류 가 흐른다 트랜지스터인 경우 컬

렉터 전압은 임의로 되기때문에 시험하고 있는 전원의 출

력전압이 된다

은 를안정화하기위한저항이다 이없으면

에서베이스에공급하는전압이곧 이므로동작이안정

되지않는다 을넣었을경우 베이스전압을 로하면

로 되어 전류귀환이 걸리므로 특히 대전

류일때에는 의효과가매우좋다 출력에는 의전류

가 흐르므로 에서 소비전력은 이다 여유를 두고

은 정격 인 저항을 사용하지만 으로써 Ω

의 저항에서도 사용할 수 있다 를 흘렸을 때의

최소전압은 ＋ 이므로 정도로된다 따라서

Ω 이상의 부하저항으로 사용할 수 있다

전자부하로서 다시 저저항이 필요하다면 의 값을 작

게하거나일반트랜지스터를사용하여 앰프측에전류

부스터를부가한다 이로써 수백 정도까지최소전압으

로 할 수 있고 Ω 이하의 전자부하가 얻어진다

입력전력은모두 파워 트랜지스터에서 소비되므로 방열

설계는 매우 중요하다 또 하나의 트랜지스터에서 소비되

는 전력량도 주의해야 한다 소형화하려면 공랭 방열기나

수냉 방열기를 사용한다

이회로의결점은부하전류의자동제어기구가없으므로

를 일정하게 할 수 없다는 점이다 특히 대전류인 경우

파워 트랜지스터에서의 소비전력이 커지므로 발열하고 온

도변화로 인해 가 쉽게 변화된다

3. 출력전류가 안정적인 전자부하

원리적인회로상태에서는사용하기어려우므로 의자

동제어기구를추가한전자부하회로가 그림 29이다 전류

검출저항 의 양단 전압을 앰프에 귀환시키고 있기

때문에 설정전류가 되도록 적당한 가 흐른다 대전류 대

전력에 대응하기 위해 전력제어부는 단 달링턴 접속으로

하고 최종단은 개 병렬접속으로 했다

전자부하인 경우 파워 트랜지스터의 소비전력은 거대

해진다 의 전원을 시험하고 싶다면 그 소비전력은

이상이 필요하다

4. 전류 레인지를 전환하여 정밀도를 올린다

그림 의 회로는 간단하지만 대전류용으로 설계했기

때문에소전류에서는제어정밀도가저하된다 그래서전류

설정 레인지를 전환할 수 있도록 한다 레인지를 전환하는

방법은 몇 가지가 있다

① 전류 검출저항을 외장한다

② 복수의 전류 검출저항을 준비하고 스위치 또는 릴레

이로 전환한다

③ 전류검출저항의전환에파워 를사용한다

①의 예를 그림 30( 에 나타낸다 이 때 전류 검출저

항에대전류를흘리는단자와전류검출저항으로부터검출

전압을 검출하는 단자를 별도로 설치하여 리모트 센싱 방

식으로해야한다 ②의예를그림 에 나타낸다 그러

나 대전류용 스위치나 릴레이는 입수하기 어렵고 고가이

다 그래서대신에 저항이매우작은 파워

를사용하는방법이있다 그예를그림 에나타낸다

5. 보호회로 시험

전자부하를 사용하여 시험하는 경우 피시험전원의 보

호회로가 작동하면 발진하는 경우가 있다 특히 피시험전

원의 보호회로가 ㄱ자 특성으로 되어 있다면 발진하는 경

향이있다 만약발진할것같으면전력용저항기를준비하

고피시험전원이발진하고있는지 전자부하가원인인지를

명확하게 하기 바란다