Pull up/down resistor의 트랜지스터 구현. feat 과전압 보호 회로

스위치를 구동할 때 풀업 풀다운 저항을 달게 됩니다. 

 

흔히 이런 간단한 이미지로 표현을 하는데요. MCU는 microcontroller unit의 약자로써 신호를 받아 동작합니다(마블 시네마틱 유니버스 아님!!). 

 

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.

 

스위치가 ON이면 MCU는 ground와 바로 연결되어 0V 신호가 인가되게 됩니다. 그리고 전류는 $\frac{5}{R}$만큼 흐르게 되겠네요.

 

사실 위에서 풀업 저항이 없어도 플로팅 현상의 방지는 가능하나 저항이 없으면 스위치 ON일때 5V 입력이 쇼트가 나며 엄청난 전류가 흘러버립니다. 저항 값은 적정 전류값에 맞춰 설정하면 되겠죠?

 

 

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 퍼왔습니다.

 

 

 

 

이 회로에는 풀업 저항이 사용되었나요 풀다운 저항이 사용되었나요??

 

잠시 생각해보시고..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 그라운드에 연결되어 있으므로 $V_{BE} = V_{B}$값이 문턱 전압을 넘어야 $Q_{1}$이 켜질 겁니다.

 

만약 베이스 전압이 부족해서 $Q_{1}$이 꺼지면 12V 입력이 풀업 저항 $R_{3}$을 타고 $Q_{2}$의 베이스에 연결되겠죠? 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 그라운드로 당기고 $Q_{2}$는 꺼지겠습니다. 그러면 부하 전류가 차단되고 회로가 동작하지 않겠죠? 

 

따라서 회로는 Overvoltage protection을 수행함을 알 수 있습니다.

 

이렇게 풀업 리지스터가 활용되는 실제 회로를 살펴봤는데요, 예시와 같이 npn 트랜지스터에는 풀업 리지스터를 사용한다고 생각하면 됩니다. 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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