CMOS 555 장시간 적색 LED 플래셔 – 신뢰성 높은 정밀 드라이버 회로

부품 및 재료

• AAA 배터리 2개 (신선한 알카라인 권장)
• 배터리 클립 (Radio Shack #270‑398B)
• 디지털 멀티미터 또는 전압계
• U1 – CMOS TLC555 타이머 IC (RS #276‑1718 또는 동등품)
• Q1 – 2N3906 PNP 트랜지스터 (RS #276‑1604 또는 동등품)
• Q2 – 2N2222 NPN 트랜지스터 (RS #276‑1617 또는 동등품)
• D1 – 적색 LED (RS #276‑041 또는 동등품)
• R1 – 1.5 MΩ, ¼ W, 5% 저항
• R2 – 47 kΩ, ¼ W, 5% 저항
• R3 – 2.2 kΩ, ¼ W, 5% 저항
• R4 – 27 Ω, ¼ W, 5% 저항 (LED 순방향 전압에 맞춰 조정)
• C1 – 1 µF 탄탈 커패시터 (RS #272‑1025 또는 동등품)
• C2 – 100 µF 전해 커패시터 (RS #272‑1028 또는 동등품)

참조 자료

• Lessons In Electric Circuits, Vol. 1, Chap. 16 – 전압 및 전류 계산
• Lessons In Electric Circuits, Vol. 1, Chap. 16 – 미지 시간 구하기
• Lessons In Electric Circuits, Vol. 3, Chap. 4 – 양극성 접합 트랜지스터
• Lessons In Electric Circuits, Vol. 3, Chap. 9 – 정전기 방전
• Lessons In Electric Circuits, Vol. 4, Chap. 10 – 멀티바이브레이터

학습 목표

• 실제 회로에서 RC 시상수 개념 적용
• 비안정 555 타이머 구성 탐구
• 듀티 사이클 이해 및 계산
• 민감한 CMOS 소자용 ESD 보호 구현
• 트랜지스터로 전류 구동 능력 향상
• 적절한 LED 직렬 저항 계산

회로도

조립도

제작 지침

ESD 예방 조치

TLC555는 정전기에 매우 민감하므로 Lessons In Electric Circuits Vol. 3, Chap. 9의 지침을 따르세요. 정전기 방지 손목 스트랩을 사용하거나 접지된 매트 위에서 작업하세요.

이 설계는 이전의 "최소 부품 장시간 적색 LED 플래셔"에 트랜지스터 드라이버를 추가해 배터리 전압이 떨어져도 LED 전류를 일정하게 유지합니다.

Q1과 Q2는 낮은 부하, 높은 이득의 드라이버를 구성해 TLC555의 출력 드라이브를 보존합니다. 배터리 전압이 2V 근처로 떨어져도 드라이버는 여전히 Q2를 포화시키기에 충분한 전류를 공급해, 온 페이즈 동안 LED가 완전히 켜진 상태를 유지합니다.

LED 순방향 전압(V_F)은 제품마다 다르므로, 목표 전류 ~20mA를 유지하도록 R4를 선택해야 합니다. 예를 들어:

• V_F = 2.5V → R4 ≈ 27Ω (18.5mA)
• V_F = 2.1V → R4 ≈ 47Ω (20mA)
• V_F = 1.5V → R4 ≈ 75Ω (20mA)

빨간색으로 표시된 점퍼를 사용해 LED를 상시 점등 상태로 두고 V_F를 측정한 후, 다음 공식으로 R4를 계산하세요:

R4 = (3V – V_F) / 0.02A

C2(100µF)를 교체하면 일시적으로 배터리 수명이 줄어듭니다. LED가 1~2주 후 어두워지지만, 커패시터가 복원되면 몇 초 내에 밝기가 회복됩니다. 신선한 AAA 전지로 이 플래셔는 최대 3개월까지 중단 없이 작동할 수 있습니다.

동작 원리

트랜지스터 드라이버는 공통 컬렉터 단(Q1)과 공통 이미터 단(Q2)을 캐스케이드 연결합니다. 이 구성은 다음을 제공합니다:

• 매우 높은 입력 저항(≥100kΩ)으로 TLC555에 최소한의 부하만 가함
• Q2를 포화시키기에 충분한 강력한 드라이브로 각 사이클마다 LED를 완전히 켬

Q1의 β(최소 약 50)는 이미터 저항을 증폭시켜 드라이버가 555 IC에 거의 부하를 주지 않게 합니다. 동일 트랜지스터 패밀리 내 이득 변동이 있어도 설계는 견고합니다. Q1이 켜지면 약 1mA를 Q2에 공급하는데, 이는 Q2를 포화시키고 LED를 켜기에 충분합니다.