풀업 / 풀다운 저항(Pull up/down resistor)의 트랜지스터 구현, 과전압 보호 회로

 

 

풀업 및 풀다운 저항의 작동 방식과 실제 회로 구현방법을 알아봅시다.

과전압 보호 회로를 통해 실제 풀업 저항과 트랜지스터가 어떻게 작동하는지 알아보겠습니다. 

 

안녕하세요 Brandy입니다. 오늘은 간단하고도 중요한 풀업 / 풀다운 저항에 대해 알아보겠습니다.

 

스위치가 회로를 구성할 때 풀업 / 풀다운 저항이라고 불리는 저항이 같이 따라가게 됩니다. 

 

풀업 / 풀다운 저항

 

흔히 이런 간단한 이미지로 표현을 하는데요. MCU는 Microcontroller Unit의 약자로써 High / Low 신호를 받아 동작합니다(마블 시네마틱 유니버스 아님!!). 

 

플로팅 현상

 

풀업 / 풀다운 스위치는 플로팅(Floating) 현상을 방지하기 위한 장치인데요. 플로팅 현상은 입력 레벨이 확실하지 않아서 단자가 떠 있는(Floating) 상황을 의미합니다. 위의 그림에서 스위치가 ON이면 5V가 입력으로 전달되지만, 스위치가 OFF이면 입력은 무엇인지 알 수 없습니다. 입력 단자에 어떤 확실한 전압 레벨이 가해지지 않고 있으니까요.

 

플로팅 현상의 방지

 

아무것도 연결되지 않으면 0V라고 생각할 수 있으나, 0V입력을 위해서는 확실하게 0V 전위를 가진 Ground와 연결되어야 합니다. 따라서 위와 같이 Ground까지 입력단자에 연결하면 플로팅 현상을 방지할 수 있습니다.

 

그런데 위 회로의 문제는, 스위치가 ON일 때 5V와 Ground가 쇼트난다는 사실입니다. 그래서 적절한 위치에 저항을 추가하게 되는데, 이 저항과 스위치의 위치에 따라 풀업 / 풀다운 저항으로 구분하게 됩니다.

 

풀업 저항

 

풀업 저항은 위와 같이 동작합니다. 스위치가 OFF이면 5V신호가 저항을 거쳐 MCU로 바로 인가되는데요. 이 때 풀업 저항에 의한 전압 강하가 발생하지만 MCU의 입력 임피던스인 $R_{in}$이 워낙 큰 값이기에 전압 강하는 거의 무시할 만한 양입니다. 즉, $R_{in} >> R$이면 대부분의 전압이 $R_{in}$에 걸리게 됩니다.

 

스위치가 ON이면 MCU는 Ground와 바로 연결되어 0V 신호가 인가되게 됩니다. 그리고 전류는 $\frac{5}{R}$만큼 흐르게 되겠네요. 저항 값은 적정 전류값에 맞춰 설정하면 되겠죠?

 

풀다운 저항

 

풀다운 저항 구조는 풀업저항과 달리 스위치 OFF일 때 MCU가 Ground와 연결되어 0V신호를 받으며 스위치 ON일 때 5V를 받습니다. 저항 값은 풀업저항과 동일하게 적정 전류를 고려하여 설정해주면 됩니다.

 

그러면 실제 소자를 활용해서 위와 같은 풀업/풀다운 저항을 어떤 식으로 구현할 수 있을까요?

 

실제 회로를 보며 한번 분석해 봅시다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=VJXTRLZBO3E&t=200s

 

 

위 영상에서 과전압 보호 회로를 가져왔습니다.

 

 

 

 

이 회로에는 풀업 저항이 사용되었나요 풀다운 저항이 사용되었나요??

 

잠시 생각해보시고..

 

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짠, 위와 같이 소자를 대응시켜보면 풀업 저항이 사용되었음을 알 수 있습니다. 왜 위와 같이 대응되는지 한번 알아봅시다.

 

 

12V 입력은 $R_{1}$과 $R_{2}$에 의해 전압 분배되어 $Q_{1}$의 베이스에 가해지는데요, 이떄 에미터는 Ground에 연결되어 있으므로 $V_{BE} = V_{B}$값이 문턱 전압을 넘어야 $Q_{1}$이 켜지게 됩니다.

 

만약 베이스 전압이 부족해서 $Q_{1}$이 꺼지면 12V 입력이 풀업 저항 $R_{3}$을 타고 $Q_{2}$의 베이스에 연결됩니다. 전압 강하는 작은 값이므로 $Q_{2}$의 베이스에 거의 12V가 걸리고 이는 $Q_{2}$를 켜기에 충분한 전압입니다. $Q_{2}$가 켜지면 부하에 전류가 흐르며 회로가 동작하겠습니다.

그런데 이제 입력으로 12V보다 훨씬 큰 Overvoltage가 들어와버리면 $Q_{1}$의 베이스에 문턱 전압 이상이 인가되어 $Q_{1}$이 켜지겠네요. 그럼 $Q_{1}$는 $Q_{2}$의 베이스를 Ground로 당기고 $Q_{2}$는 꺼지겠습니다. 그러면 부하 전류가 차단되고 회로가 동작하지 않게 됩니다.

 

따라서 회로는 과전압 보호(Overvoltage protection)를 수행함을 알 수 있습니다.

 

이렇게 풀업 저항이 활용되는 실제 회로를 살펴봤는데요, 예시와 같이 npn 트랜지스터에는 주로 풀업 리지스터를 사용합니다. npn 트랜지스터는 Low side 스위치로 사용되기 때문이에요.

 

회로의 위쪽이 입력 전압, 아래쪽은 그라운드로 통일되어 있을 때 npn 트랜지스터에 바이어스를 쉽게 인가하려면 아래쪽에 트랜지스터를 두어야 하기 때문입니다. 이에 대해서는 나중에 포스팅해보도록 하겠습니다. 

 

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