마이크로컨트롤러나 로직 IC의 출력 핀은 LED 한두 개 켜기에도 벅찰 만큼 전류가 작습니다. 이럴 때 작은 신호로 큰 전류를 켜고 끄는 부품이 트랜지스터입니다. 이 글에서는 가장 흔한 바이폴라 트랜지스터(BJT)를 스위치로 쓰는 방법과 베이스 저항 계산, 부품마다 다른 핀 배열을 확인하는 요령을 정리합니다.
트랜지스터의 세 단자
BJT는 이미터(E), 베이스(B), 컬렉터(C) 세 단자가 있습니다. 베이스에 흐르는 작은 전류로 컬렉터에서 이미터로 흐르는 큰 전류를 조절합니다.
- NPN: 베이스에 전류를 넣으면(High) 컬렉터에서 이미터로 전류가 흐릅니다. 이미터를 접지(GND)에 둡니다.
- PNP: 베이스에서 전류를 빼면(Low) 이미터에서 컬렉터로 전류가 흐릅니다. 이미터를 +V에 둡니다.
스위치로 쓸 때는 완전히 켜는 포화 상태와 완전히 끄는 차단 상태만 씁니다. 포화되면 컬렉터-이미터 전압이 약 0.1~0.3V까지 낮아져 거의 닫힌 스위치처럼 동작합니다.
핀 배열은 부품마다 다릅니다
가장 큰 사고 원인이 핀 배열 착오입니다. 2N3904와 2N3906은 E-B-C, BC547과 BC337은 C-B-E, 일부 일본 부품(2SC1815 등)은 E-C-B입니다. 데이터시트의 핀 배치를 반드시 확인하세요(데이터시트 읽는 법). 패턴도에서는 트랜지스터마다 NPN·PNP 극성과 핀별 역할(E·B·C)을 직접 고를 수 있어 실제 부품의 핀 배열에 맞춰 배치할 수 있습니다.
NPN 스위치 회로
부하를 +V와 컬렉터 사이에 넣고 이미터를 접지에 연결하는 구성입니다. 입력이 High이면 베이스에 전류가 흘러 부하가 켜집니다.
베이스 저항 계산
베이스 전류는 포화를 보장하도록 컬렉터 전류의 약 1/10로 잡습니다(강제 베타 10). 입력 전압에서 베이스-이미터 전압(약 0.7V)을 뺀 값을 베이스 전류로 나눕니다.
Ib = Ic / 10 R_B = (입력 전압 - 0.7V) / Ib
| 컬렉터 전류 | 베이스 전류 | R_B (5V 입력) | R_B (3.3V 입력) |
|---|---|---|---|
| 10mA | 1mA | 4.3kΩ → 4.7kΩ | 2.6kΩ → 2.2kΩ |
| 50mA | 5mA | 860Ω → 820Ω | 520Ω → 470Ω |
| 100mA | 10mA | 430Ω → 390Ω | 260Ω → 220Ω |
2N3904와 2N3906의 연속 컬렉터 전류 한도는 약 200mA입니다. 입력 핀이 줄 수 있는 전류(보통 수 mA~20mA)도 확인하세요. 100mA급 부하를 켜려면 베이스 전류 10mA가 필요하므로 핀 허용 전류에 맞는지 봐야 합니다.
예를 들어 5V 로직 신호로 LED를 10mA에 켜려면, LED 저항 (5 − 2 − 0.1) ÷ 0.01 ≈ 300Ω, 베이스 저항 4.7kΩ이면 됩니다.
PNP 스위치 회로
이미터를 +V에, 컬렉터를 부하를 거쳐 접지에 연결하는 하이사이드 스위치입니다. 베이스를 접지 쪽으로 당겨야 켜지므로 입력이 Low일 때 켜집니다. 꺼 둘 때는 베이스가 이미터와 같은 전압(+V)이 되어야 하므로 베이스와 +V 사이에 10kΩ 정도의 풀업 저항을 둡니다.
흔한 실수
| 실수 | 결과 | 예방 |
|---|---|---|
| 베이스 저항 생략 | 베이스 전류가 폭주해 입력 핀이나 트랜지스터 손상 | 항상 직렬 저항 사용 |
| 핀 배열 착오 | 동작하지 않거나 발열 | 데이터시트로 확인 |
| 유도성 부하에 다이오드 없음 | 역기전력으로 트랜지스터 파손 | 부하에 역방향 병렬 다이오드 |
| 접지 공유 누락 | 신호 기준이 달라 동작 안 함 | 마이크로컨트롤러와 부하 전원의 GND 연결 |
| 전류 한도 초과 | 과열 | 큰 전류는 MOSFET이나 전용 드라이버 |
패턴도에서 확인하기
패턴도에는 2N3904(NPN), 2N3906(PNP) 트랜지스터가 있어 연결 방향과 극성이 맞는지, 베이스에 전압이 걸리면 LED가 켜지는지 시뮬레이션으로 확인할 수 있습니다. 다만 시뮬레이션의 트랜지스터는 베이스와 이미터 사이 전압이 약 0.5V를 넘으면 켜지는 단순한 스위치 모델이어서 전류 증폭률(hFE)이나 포화 정도는 반영하지 않습니다. 그래서 베이스 저항을 아주 크게 바꿔도 LED가 어두워지지 않습니다. 베이스 저항 값은 이 글의 계산식으로 직접 구하고, 실제 부품에서 밝기와 발열을 확인하세요. 시뮬레이션 사용법은 패턴도 시뮬레이션 사용법에 있습니다.
정리
NPN은 이미터를 접지에 두고 High로 켜며, 베이스 저항은 (입력 전압 − 0.7V) ÷ (컬렉터 전류 ÷ 10)으로 구합니다. 핀 배열은 부품마다 다르니 데이터시트를 확인하고, 유도성 부하에는 반드시 플라이백 다이오드를 달아야 합니다. 큰 부하의 예는 모터·릴레이·솔레노이드 구동, 직접 만들어 보려면 트랜지스터 2개로 만드는 LED 깜빡이를 보세요.