다이오드와 트랜지스터: 단계별 풀이가 있는 연습 문제

그림, 힌트, 자세한 풀이가 있는 무료 다이오드와 트랜지스터 연습 문제. 매번 새로운 값으로, 세 가지 난이도: 다이오드 회로, BJT 동작점, 스위치로서의 BJT.

무료 연습 문제쉬움
+−24 VR = ?2.2 V15 mA

순방향 전압 2.2 V의 초록 LED가 직렬 저항을 통해 24 V 전원으로 동작합니다. LED 전류를 15 mA로 정하는 저항 R을(를) 구하시오.

Vs = 24 VVF = 2.2 VI = 15 mA
Ω
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다이오드와 트랜지스터 무료로 연습하기지금 다이오드와 트랜지스터 연습하기매일 무료 문제 5개. 카드 등록이 필요 없습니다.

연습 내용

  1. 쉬움다이오드 회로
  2. 보통BJT 동작점
  3. 어려움스위치로서의 BJT

핵심 공식

다이오드(정전압 강하 모델)
VD = 0.7 V when conducting
활성 영역
VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
고정 바이어스
IB = (VCC − 0.7)/RB
전압 분배 바이어스
IB = (VTH − 0.7)/(RTH + (β + 1)RE)
분압기의 테브난 등가
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
컬렉터 루프
VCE = VCC − ICRC − IERE
포화
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

다이오드와 트랜지스터 처음부터 배우기

먼저 알아 둘 것: 저항의 직렬·병렬

1다이오드: 일방통행 밸브

다이오드는 수도관의 일방통행 밸브처럼 전류를 한 방향으로만 흐르게 합니다. 기호의 화살표는 전류가 흐를 수 있는 방향을 가리킵니다.

도통할 때(순방향 바이어스) 실리콘 다이오드는 전류와 관계없이 양단에 약 0.7 V를 유지합니다. 이것이 정전압 강하 모델입니다.

+−Vs​R0.7 VI

따라서 도통하는 다이오드는 전압을 빼앗는 작은 0.7 V 전지처럼 동작합니다. 저항에는 남은 전압이 걸립니다:

I = (Vs − n·0.7) / R

여기서 n은 직렬로 도통하는 다이오드의 개수입니다. 역방향이면 다이오드는 차단하고 전류는 0입니다.

자가 점검 9 V 전원이 1 kΩ 저항과 직렬로 연결된 순방향 바이어스 실리콘 다이오드 두 개에 전류를 흘립니다. 전류는 얼마입니까?
  1. 10.4 mA
  2. 7.6 mA
  3. 8.3 mA
  4. 9 mA

답: 7.6 mA. I = (9 − 2·0.7)/1 kΩ = 7.6 mA입니다. 다이오드를 하나만 세면 8.3 mA, 다이오드를 무시하면 9 mA, 그 전압을 더하면 10.4 mA가 됩니다.

2바이폴라 트랜지스터

BJT(바이폴라 접합 트랜지스터)는 베이스(B), 컬렉터(C), 이미터(E)의 세 단자를 가집니다. NPN형에서는 전류가 컬렉터와 베이스로 들어가고 이미터로 나옵니다.

RC​VCC​RB​CBEβ

작은 베이스 전류 IB가 훨씬 큰 컬렉터 전류 IC를 제어합니다. 수도꼭지와 같아서, 손잡이를 조금 돌리면 큰 흐름이 조절됩니다.

정상 동작 영역인 활성 영역에서는 세 가지 사실이 성립합니다:

VBE = 0.7 V IC = β·IB IE = (β + 1)·IB

전류 이득 β(베타)는 보통 50에서 300 사이입니다. 베이스-이미터 접합은 다이오드이므로 VBE가 0.7 V입니다.

자가 점검 β = 80인 트랜지스터가 활성 영역에서 베이스 전류 0.05 mA를 가집니다. 컬렉터 전류는 얼마입니까?
  1. 0.05 mA
  2. 0.625 µA
  3. 4 mA
  4. 4.05 mA

답: 4 mA. IC = β·IB = 80·0.05 = 4 mA입니다. 4.05 mA는 이미터 전류 (β + 1)·IB이고, 0.625 µA는 β를 곱하지 않고 나눈 값입니다.

3활성 영역과 포화

컬렉터 전류는 RC를 통해 흐르므로 트랜지스터에 남는 전압은 다음과 같습니다:

VCE = VCC − IC·RC

IC는 한없이 커질 수 없습니다. 트랜지스터가 완전히 켜지면 작은 VCE(sat) ≈ 0.2 V만 남고, RC만이 전류를 결정합니다:

IC(sat) = (VCC − VCE(sat)) / RC
  • 활성 영역: β·IB가 IC(sat)보다 작습니다. 그러면 IC = β·IB입니다. 증폭기에 사용됩니다.
  • 포화: β·IB가 IC(sat)보다 큽니다. 그러면 IC = IC(sat)이고, 트랜지스터는 닫힌 스위치입니다.
  • 차단: 베이스 전류가 없으면 컬렉터 전류도 없습니다. 트랜지스터는 열린 스위치입니다.

트랜지스터를 스위치로 쓰려면 최소 IB = IC(sat)/β를 흘려야 하며, 안전을 위해 흔히 몇 배 더 흘립니다.

자가 점검 β = 100인 트랜지스터에서 VCC = 10.2 V, RC = 2 kΩ이고 베이스 전류는 0.1 mA입니다. VCE(sat) = 0.2 V로 합니다. IC는 얼마입니까?
  1. 0.1 mA
  2. 10 mA
  3. 5 mA
  4. 5.1 mA

답: 5 mA. IC(sat) = (10.2 − 0.2)/2 = 5 mA입니다. β·IB = 10 mA는 이보다 크므로 트랜지스터는 포화 상태이고 IC = 5 mA입니다. 0.2 V를 빠뜨리면 5.1 mA가 됩니다.

4단계별 방법

VCC에서 베이스 저항 RB를 통해 바이어스하는 트랜지스터(고정 바이어스)의 경우:

  1. 베이스 루프를 따라가세요: VCC가 RB에서 강하하고, 이어서 베이스-이미터 접합에서 0.7 V가 강하합니다.
  2. 베이스 전류를 구하세요: IB = (VCC − 0.7)/RB.
  3. 컬렉터 전류를 구하세요: IC = β·IB.
  4. 컬렉터-이미터 전압을 구하세요: VCE = VCC − IC·RC.
  5. 영역을 확인하세요: VCE는 약 0.2 V보다 커야 합니다. 그렇지 않으면 트랜지스터는 포화 상태이고 IC = IC(sat)입니다.

V를 볼트, R을 kΩ으로 쓰면 전류가 mA로 나옵니다. 숫자가 간단해집니다.

5풀이 예제

모든 단계를 따라가 보세요. 다음 단계를 열기 전에 미리 예측해 보세요.

풀이 예제

β = 100인 NPN 트랜지스터에서 VCC = 12 V로부터 베이스까지 RB = 565 kΩ이고, RC = 2.2 kΩ이며 이미터는 접지되어 있습니다. VBE = 0.7 V로 합니다. IC와 VCE를 구하시오.

1

회로 살펴보기

RC​2.2 kΩVCC​ = 12 VRB​565 kΩCBEβ = 100IB​IC​VCE​

베이스 전류는 VCC에서 RB를 통해 흐릅니다.

2

베이스 전류

IB = (12 − 0.7) / 565 = 0.02 mA
3

컬렉터 전류

IC = β·IB = 100·0.02 = 2 mA
4

컬렉터-이미터 전압

VCE = 12 − 2·2.2 = 7.6 V
5

영역을 확인합니다

포화 전류는 (12 − 0.2)/2.2 = 5.36 mA가 됩니다. 우리가 구한 2 mA는 그보다 작고, VCE = 7.6 V는 0.2 V보다 훨씬 큽니다.

따라서 트랜지스터는 실제로 활성 영역에 있고, IC = β·IB를 써도 됩니다.

답

IC = 2 mA, VCE = 7.6 V.

6흔한 실수

  • 도통하는 각 다이오드나 베이스-이미터 접합의 0.7 V 강하를 빠뜨리기.
  • 트랜지스터가 포화 상태인데 IC = β·IB를 쓰기. 항상 VCE를 확인하세요.
  • IC와 IE를 혼동하기. 이미터에는 베이스 전류도 흐릅니다: IE = (β + 1)·IB.
  • 스위치에서 IC(sat)에 VCE(sat) = 0.2 V를 반영하는 것을 잊거나 β로 나누는 것을 잊기.
자가 점검 β = 100인 트랜지스터가 VCC = 5 V에서 100 Ω 부하를 스위칭합니다. 베이스는 5 V에서 RB를 통해 구동됩니다. VCE(sat) = 0.2 V로 합니다. 여전히 포화시킬 수 있는 가장 큰 RB는 얼마입니까?
  1. 10.4 kΩ
  2. 8.6 kΩ
  3. 8.96 kΩ
  4. 89.6 Ω

답: 8.96 kΩ. IC(sat) = 4.8/100 = 48 mA이므로 IB ≥ 0.48 mA이고 RB = (5 − 0.7)/0.48 = 8.96 kΩ입니다. 0.7 V를 빠뜨리면 10.4 kΩ, β를 빠뜨리면 89.6 Ω, 0.2 V를 빠뜨리면 8.6 kΩ이 됩니다.

7시험 문제의 유형

  • 쉬움: 다이오드 회로. 전원, 저항, 직렬 다이오드 한두 개, 또는 저항과 병렬인 다이오드. mA 단위의 전류를 구합니다.
  • 보통: BJT 바이어스점. 예제와 같은 고정 바이어스 또는 이미터 저항이 있는 전압 분배 바이어스. IC 또는 VCE를 구합니다.
  • 어려움: 스위치로서의 BJT. 때로는 과구동 계수를 포함해 포화를 위한 RB를 설계하거나, 주어진 RB가 트랜지스터를 포화시키는지 판단합니다.

저항과 병렬인 다이오드는 그 노드를 0.7 V로 고정합니다. 그러면 저항에는 0.7/R이 흐르고, 나머지 전류는 다이오드가 흘립니다.

분배 바이어스에서는 먼저 분배기를 테브난 등가 회로로 바꿉니다:

VTH = VCC·R2/(R1 + R2) RTH = R1 ∥ R2
IB = (VTH − 0.7) / (RTH + (β + 1)·RE) VCE = VCC − IC·RC − IE·RE

과구동 계수 k를 쓸 때는 최소 베이스 전류의 k배로 설계합니다: RB = (Vin − 0.7) / (k·IC(sat)/β).

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예제 풀이

예제 1쉬움
+−18 V470 Ω3.3 VIR​ = ?

3.3 V 제너 다이오드에 470 Ω 저항을 통해 18 V를 공급하며 부하는 연결되어 있지 않습니다. 저항에 흐르는 전류 IR을(를) 구하시오.

Vin = 18 VVZ = 3.3 VR = 470 Ω

구하는 값: IR (mA)

힌트 보기
  1. 제너는 출력을 VZ로 유지합니다.
  2. VR = 18 − 3.3 = 14.7 V.
  3. I = V/R.
정답과 단계별 풀이 보기

제너 레귤레이터: 역방향 바이어스된 제너 다이오드는 전류가 최소값 IZ,min 이상인 동안 전압 VZ를 유지합니다. 직렬 저항 R이 입력과 출력의 차이를 받습니다: IR = (Vin − VZ)/R. 이 전류는 부하 IL = VZ/RL과 제너 IZ = IR − IL로 나뉩니다. 최악의 경우에 맞춰 설계하세요: 입력이 가장 낮고 부하가 가장 클 때도 IZ,min이 남아야 하고, 입력이 가장 높고 부하가 없을 때 제너 전력 PZ = VZ·IZ가 가장 큽니다.

저항 전압

VR = 18 − 3.3 = 14.7 V

전류

IR = 14.7/470 = 31.28 mA

답

IR = 31.28 mA
예제 2보통
+−12 V270 Ω5.1 V3300 ΩIZ​ = ?

5.1 V 제너 레귤레이터에 270 Ω을 통해 12 V를 공급하며 3300 Ω 부하에 전력을 줍니다. 제너 전류 IZ을(를) 구하시오.

Vin = 12 VVZ = 5.1 VR = 270 ΩRL = 3300 Ω

구하는 값: IZ (mA)

힌트 보기
  1. IR = (12 − 5.1)/270 = 25.56 mA.
  2. IL = 5.1/3300 = 1.545 mA.
  3. IZ = IR − IL.
정답과 단계별 풀이 보기

제너 레귤레이터: 역방향 바이어스된 제너 다이오드는 전류가 최소값 IZ,min 이상인 동안 전압 VZ를 유지합니다. 직렬 저항 R이 입력과 출력의 차이를 받습니다: IR = (Vin − VZ)/R. 이 전류는 부하 IL = VZ/RL과 제너 IZ = IR − IL로 나뉩니다. 최악의 경우에 맞춰 설계하세요: 입력이 가장 낮고 부하가 가장 클 때도 IZ,min이 남아야 하고, 입력이 가장 높고 부하가 없을 때 제너 전력 PZ = VZ·IZ가 가장 큽니다.

저항 전류

IR = 6.9/270 = 25.56 mA

부하 전류

IL = 5.1/3300 = 1.545 mA

제너 전류

IZ = 25.56 − 1.545 = 24.01 mA

답

IZ = 24.01 mA
예제 3어려움
RC​ = 150 Ωβ = 200IC​ = ?VCC​ = 12 V5 VRB​ = 100 kΩ

β = 200인 NPN 트랜지스터가 VCC = 12 V와 컬렉터 사이에 연결된 150 Ω 부하 저항을 스위칭한다. 이미터는 접지되어 있다. 베이스는 5 V 논리 출력에서 베이스 저항 RB = 100 kΩ을(를) 통해 구동된다. VBE = 0.7 V, VCE(sat) = 0.2 V로 한다. 입력이 high일 때 컬렉터 전류 IC을(를) mA 단위로 구하시오. 먼저 트랜지스터가 포화되는지 판단하시오.

VCC = 12 VRC = 150 Ωβ = 200Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 100 kΩ

구하는 값: IC (mA)

힌트 보기
  1. 입력 루프에서 베이스 전류를 구하세요: IB = (Vin − 0.7)/RB.
  2. β·IB를 부하가 허용하는 최대 전류 IC(sat) = (VCC − 0.2)/RC와 비교하세요.
  3. IB = 43 µA, IC(sat) = 78.67 mA.
정답과 단계별 풀이 보기

스위치로서의 BJT: 부하를 완전히 켜려면 트랜지스터를 포화 영역으로 구동합니다. 이때 VCE = VCE(sat)이고 컬렉터 전류는 부하가 정합니다: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. 포화에는 최소 IB = IC(sat)/β가 필요합니다. 베이스 전류가 이보다 작으면 트랜지스터는 활성 영역에 머물고 IC = β·IB입니다.

베이스 전류

IB = (5 − 0.7)/100 kΩ = 43 µA

포화인가, 활성인가?

β·IB가 IC(sat)보다 작으므로 트랜지스터는 활성 영역에 머뭅니다.

β·IB = 8.6 mA
IC(sat) = (12 − 0.2)/150 = 78.67 mA

컬렉터 전류

IC = β·IB = 8.6 mA

답

IC = 8.6 mA

트랜지스터가 활성 영역에 있으므로 부하가 완전히 켜지지 않습니다.

질문과 답변

다이오드와 트랜지스터: 무엇인가요?

도통할 때(순방향 바이어스) 실리콘 다이오드는 전류와 관계없이 양단에 약 0.7 V를 유지합니다. 이것이 정전압 강하 모델입니다.

따라서 도통하는 다이오드는 전압을 빼앗는 작은 0.7 V 전지처럼 동작합니다. 저항에는 남은 전압이 걸립니다:

다이오드와 트랜지스터 문제는 어떻게 단계별로 푸나요?

제너 레귤레이터: 역방향 바이어스된 제너 다이오드는 전류가 최소값 IZ,min 이상인 동안 전압 VZ를 유지합니다. 직렬 저항 R이 입력과 출력의 차이를 받습니다: IR = (Vin − VZ)/R. 이 전류는 부하 IL = VZ/RL과 제너 IZ = IR − IL로 나뉩니다. 최악의 경우에 맞춰 설계하세요: 입력이 가장 낮고 부하가 가장 클 때도 IZ,min이 남아야 하고, 입력이 가장 높고 부하가 없을 때 제너 전력 PZ = VZ·IZ가 가장 큽니다.

다이오드와 트랜지스터에서 자주 하는 실수는?
  • 제너는 3.3 V를 유지합니다: R에는 Vin − VZ만 걸립니다.
  • 저항 전압은 VZ가 아니라 Vin − VZ입니다.
  • 답을 mA로 나타내세요.
다이오드와 트랜지스터 연습에서는 무엇을 다루나요?
  • 쉬움: 다이오드 회로
  • 보통: BJT 동작점
  • 어려움: 스위치로서의 BJT

문제마다 값이 새로 바뀌므로 답이 아니라 푸는 방법을 익히게 됩니다. 막혔나요? 먼저 작은 힌트를 열고, 필요할 때만 전체 해설을 보세요.

연습 방법

  • 문제마다 값이 새로 바뀌므로 답이 아니라 푸는 방법을 익히게 됩니다.
  • 막혔나요? 먼저 작은 힌트를 열고, 필요할 때만 전체 해설을 보세요.
  • 진행 상황, 틀린 문제, 저장한 문제가 보관되므로 시험 전에 복습할 수 있습니다.

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