56.고전력 출력

임베디드 시스템에서 고전력 디지털 출력이 필요한 경우가 많습니다. 대표적인 예로 모터 제어, 고출력 LED 드라이버, 릴레이 구동, 전자 밸브 제어 등이 있습니다.

그러나 아두이노와 같은 MCU의 디지털 핀들은 제한된 전류와 전압을 출력하기 때문에 직접적으로 큰 부하를 다룰 수 없습니다. 따라서 트랜지스터, MOSFET, 릴레이 등을 활용하여 고전력 출력을 안전하게 처리하는 방법을 알아보겠습니다.

 

 

1. 아두이노의 핀당 최대 전류 및 칩 전체 전류 한계

아두이노와 같은 마이크로컨트롤러(MCU)는 고전력을 직접 공급할 수 없으며, 데이터시트를 보면 출력 전류 제한이 명확하게 나와 있습니다.

아두이노(ATmega328P) 출력 전류 스펙

핀당 최대 전류: 40mA (추천 20mA 이하)

VCC-GND 전체 최대 전류: 200mA

핀당 최대 전압: 5V

 

주의:

40mA를 지속적으로 출력하면 MCU 손상 가능

여러 개의 핀에서 동시에 출력하면 전체 전류 제한(200mA)을 초과할 위험

결론:
따라서, 고전력이 필요한 출력은 반드시 별도의 전력 증폭 소자를 사용하여 처리해야 합니다.

 

 

 

2. 고전력 출력을 위한 트랜지스터 사용법

(1) 양극성 트랜지스터(BJT)로 전력 제어

트랜지스터는 작은 전류(베이스 전류)로 큰 전류(컬렉터-이미터 전류)를 제어할 수 있습니다.

회로 구성 예제

NPN 트랜지스터(BJT)를 이용한 릴레이/모터 구동 예시

 

     +5V

         │

         │

      ┌┴┐ 릴레이 or 모터

      │ │

      └┬┘

         │

         │

      ┌┴┐NPN (예: 2N2222, TIP120)

      │ │

      └┬┘

          │

      1kΩ

         │

     GPIO (아두이노)

 

 

장점 및 단점

장점

간단한 회로로 구현 가능

저렴한 가격

중전류(100~200mA) 정도까지 직접 사용 가능

단점

베이스 전류가 필요(MCU에서 직접 공급해야 함)

전압 강하가 발생(V_CE가 존재하여 출력을 완전히 0V로 만들기 어려움)

돌입 전류가 커질 가능성이 있음(부하에 따라 초기 전류가 순간적으로 커질 수 있음)

 

 

 

3. MOSFET을 이용한 고전력 출력 처리

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)는 전압으로 전류를 제어하는 소자로, BJT보다 전력 효율이 좋습니다.

(1) N채널 MOSFET을 이용한 스위칭 회로

N채널 MOSFET(예: IRF540, IRLZ44N)을 사용하여 모터, LED 드라이버, 릴레이 제어

 

     +12V

         │

         │

      ┌┴┐ 모터, LED, 릴레이

      │ │

      └┬┘

         │

         │

      ┌┴┐N채널 MOSFET (예: IRLZ44N)

      │ │

      └┬┘

         │

         ├── 10kΩ (풀다운 저항)

         │

     GPIO (아두이노)

 

(2) MOSFET의 주요 특성

문턱전압(Threshold Voltage, V_GS_th)

MOSFET은 게이트-소스 전압(V_GS)가 특정값 이상이어야 동작합니다.

아두이노(5V)에서는 Logic-Level MOSFET을 사용해야 합니다.

일반 MOSFET(IRF540 등)은 10V 이상 게이트 전압이 필요하므로 사용 불가.

IRLZ44N 같은 Logic-Level MOSFET을 사용하면 5V에서 동작 가능.

 장점

고전력 스위칭 가능(10A 이상 가능)

게이트 전류가 거의 없음

전압 강하(낮은 R_DS_on)가 적어 전력 손실이 작음

 단점

문턱 전압 문제(일반 MOSFET 사용 시 동작 불가)

BJT보다 회로가 조금 더 복잡

 

 

 

4. 더 높은 전류를 위한 두 개의 TR 사용 (다윈턴 트랜지스터 & MOSFET 조합)

고전류를 제어하기 위해 2개의 트랜지스터를 조합하는 방법도 있습니다.

(1) 달링턴 트랜지스터(Darlington Transistor)

BJT 2개를 연결하여 더 높은 전류 증폭을 가능하게 하는 방식

예제: TIP120, TIP122

단점: 전압 강하(V_CE)가 크고, 속도가 느릴 수 있음

(2) MOSFET + BJT 조합 (하이사이드 스위칭)

BJT가 게이트를 제어, MOSFET이 전력 스위칭

고전압 게이트 드라이버 필요 없이 큰 부하를 제어 가능

PNP 트랜지스터가 MOSFET의 게이트를 제어하여 아두이노 5V에서도 동작 가능.

 

 

 

5. 응용 예제: 모터 속도 조절 (PWM 사용)

아두이노에서 MOSFET을 사용하여 모터의 속도를 제어하는 예제입니다.

 

#define MOTOR_PIN 9  // MOSFET 게이트 제어 핀

 

void setup() {

  pinMode(MOTOR_PIN, OUTPUT);

}

 

void loop() {

  for (int speed = 0; speed <= 255; speed++) {  // 속도 증가

    analogWrite(MOTOR_PIN, speed);

    delay(10);

  }

  for (int speed = 255; speed >= 0; speed--) {  // 속도 감소

    analogWrite(MOTOR_PIN, speed);

    delay(10);

  }

}

PWM(아날로그 출력)으로 모터 속도를 조절

MOSFET을 사용하여 큰 전류를 안전하게 스위칭

 

 

 

6. 결론

아두이노 등 MCU의 디지털 출력은 전류 제한이 있으므로 직접 고전력 부하를 제어할 수 없습니다. 따라서, 트랜지스터, MOSFET, 다윈턴 트랜지스터 등의 전력 스위칭 소자를 사용해야 합니다.

방식	장점	단점
BJT (NPN)	저렴하고 간단	전압 강하(V_CE) 존재, 베이스 전류 필요
MOSFET	고전류 가능, 효율적	문턱 전압(V_GS) 고려 필요
다윈턴 TR	높은 전류 제어 가능	속도가 느리고 전력 소모
MOSFET+BJT	고전압 제어 가능	회로 복잡

MCU에서 고전력 출력을 다룰 때는 용도에 맞는 방법을 선택하여 회로를 설계하는 것이 중요합니다.