KRC101 TR 오픈컬렉터 스위칭 회로, 내장 저항 덕분에 부팅 순간 오동작이 사라진 이야기
장비 전원을 켜는 순간, 밸브가 "딸깍" 하고 한 번 튀는 현상을 잡느라 일주일을 쓴 적이 있습니다.
소프트웨어는 멀쩡했고 출력도 분명히 꺼져 있어야 했습니다. 문제는 MCU가 깨어나기 전, 아직 아무것도 구동하지 않는 그 짧은 순간에 있었습니다.
그 뒤로 제가 즐겨 쓰는 부품이 KEC의 KRC101입니다. 트랜지스터 몸체 안에 저항 두 개가 이미 들어 있는 이 작은 부품으로 오픈컬렉터 스위칭 회로를 어떻게 만드는지, 데이터시트 숫자와 함께 정리했습니다.
KRC101이란, 저항을 품고 태어난 디지털 트랜지스터
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| [KRC101] |
KRC101은 KEC가 만드는 NPN 에피택셜 플래너 트랜지스터인데, 일반 TR과 달리 바이어스 저항 두 개가 내장되어 있습니다. 이런 부품을 업계에서는 디지털 트랜지스터 또는 바이어스 저항 내장 트랜지스터(BRT)라고 부릅니다. 쉽게 말해 TR 하나에 입력 저항(R1)과 베이스-이미터 저항(R2)을 한 몸으로 묶어놓은 부품입니다.
KEC 데이터시트는 KRC101~KRC106 시리즈를 스위칭, 인터페이스 회로, 드라이버 회로 용도로 소개하고, 특징으로 내장 바이어스 저항, 회로 설계 단순화, 부품 수와 제조 공정 감소를 꼽습니다(출처: KEC, KRC101~KRC106 데이터시트). KRC101은 TO-92 패키지(허용 손실 625mW), 뒤에 S가 붙은 KRC101S는 SOT-23 패키지(200mW)입니다.
시리즈는 R1·R2 값에 따라 여섯 가지로 나뉘고, 이 값이 입력 문턱전압과 필요한 구동 전류를 결정합니다.
| 품번 | R1 / R2 | VI(ON) typ/max | VI(OFF) min | 전류이득 GI typ |
| KRC101 | 4.7kΩ / 4.7kΩ | 1.5V / 2.0V | 1.0V | 55 |
| KRC102 | 10kΩ / 10kΩ | 1.8V / 2.4V | 1.0V | 80 |
| KRC103 | 22kΩ / 22kΩ | 2.1V / 3.0V | 1.0V | 120 |
| KRC104 | 47kΩ / 47kΩ | 2.8V / 5.0V | 1.0V | 200 |
| KRC105 | 2.2kΩ / 47kΩ | 0.8V / 1.1V | 0.5V | 200 |
| KRC106 | 4.7kΩ / 47kΩ | 0.9V / 1.3V | 0.5V | 200 |
KRC101은 입력 저항 R1과 베이스-이미터 저항 R2가 4.7kΩ씩 내장된 NPN 디지털 트랜지스터입니다. 시리즈는 R1·R2 값에 따라 입력 문턱전압이 달라지므로 구동 전압에 맞춰 골라야 합니다.
내장된 R1과 R2가 하는 일
내부 구조는 단순합니다. 입력(IN) 핀과 트랜지스터 베이스 사이에 R1이 직렬로 들어가고, 베이스와 이미터(COMMON) 사이에 R2가 병렬로 걸려 있습니다. 컬렉터는 출력(OUT) 핀으로 그대로 나옵니다.
R1은 베이스 전류를 제한하는 저항입니다. 일반 TR이라면 설계자가 베이스에 직렬로 따로 달아야 했던 바로 그 저항입니다. R2는 베이스를 이미터 쪽으로 붙잡아 두는 풀다운 저항입니다. 입력이 끊어지거나 Hi-Z일 때 베이스가 허공에 떠서 누설전류나 노이즈로 켜지는 일을 막아주고, 턴오프 때 베이스에 남은 전하를 빠르게 빼주는 역할도 합니다.
같은 구조의 ROHM 디지털 트랜지스터 데이터시트도 내장 바이어스 저항 덕분에 외부 입력 저항 없이 인버터 회로를 구성할 수 있고, 박막 저항으로 만들어 입력에 음전압을 걸어도 되는 구조라고 설명합니다(출처: ROHM, DTD143EK 데이터시트). KRC101의 입력 전압 정격이 +20V, -10V로 음전압 쪽도 규정되어 있는 것과 같은 맥락입니다.
정리하면 — R1은 베이스 전류를 제한하고, R2는 베이스를 이미터 쪽으로 붙잡아 둡니다. 둘이 내장된 덕분에 부품 수가 줄 뿐 아니라 입력이 떠 있는 순간에도 트랜지스터가 꺼진 상태를 유지합니다.
오픈컬렉터란, 내릴 줄만 아는 출력
오픈컬렉터(Open Collector) 출력은 컬렉터를 내부 어디에도 연결하지 않고 그대로 밖으로 열어놓은 NPN 트랜지스터 하나로 이루어진 출력단입니다. TI의 응용 노트는 이 구조가 전류를 끌어내리는(sink) 것만 할 수 있고, High 전압은 외부 풀업 저항이 만들어주며, 풀업 저항 위쪽에 걸어준 전압이 곧 출력 High 레벨(VOH)이 된다고 설명합니다(출처: Texas Instruments, SLCA006 Comparator output types).
같은 자료가 꼽는 장점은 풀업 전압을 바꿔 서로 다른 High 레벨을 만드는 레벨 시프팅이 가능하다는 점, 그리고 여러 출력을 한 선에 묶으면 어느 하나라도 Low로 끌어내릴 수 있는 OR 버스가 된다는 점입니다. 단점은 전류를 내보낼(source) 수 없고, 외부 풀업이 반드시 필요하며, 출력이 Low일 때 풀업 저항으로 전류가 계속 흐른다는 것입니다.
| 구분 | 푸시풀(Push-Pull) | 오픈컬렉터 |
| High 만드는 주체 | 출력단 내부 트랜지스터 | 외부 풀업 저항 |
| High 전압 | 자기 전원 전압으로 고정 | 풀업 전압을 정하는 대로(트랜지스터 정격 이내) |
| 여러 출력을 한 선에 묶기 | 불가(High와 Low가 충돌해 단락) | 가능(와이어드 OR/AND) |
| 전류 방향 | 소스와 싱크 모두 | 싱크만 |
| 대표 용도 | 일반 디지털 신호 | 레벨 변환, 인터럽트 공유선, 릴레이·LED 구동 |
오픈컬렉터는 Low로 끌어내리는 일만 하고 High는 외부 풀업이 맡습니다. 그래서 풀업 전압으로 레벨을 바꾸고, 여러 출력을 한 선에 안전하게 묶을 수 있습니다.
KRC101 오픈컬렉터 스위칭 회로 구성하기
회로는 부품 하나와 풀업 저항 하나가 전부입니다. MCU의 GPIO를 KRC101의 IN에 직접 연결하고, COMMON(이미터)은 GND에 연결합니다. OUT(컬렉터)에는 풀업 저항을 원하는 전압 쪽에 달고, 그 노드가 곧 출력선이 됩니다. 릴레이나 LED 같은 부하를 직접 구동한다면 부하를 풀업 자리에 두면 됩니다.
동작은 반전(인버터)입니다. 입력이 High면 트랜지스터가 켜져 OUT이 Low로 떨어지고, 입력이 Low면 꺼져서 OUT이 풀업 전압까지 올라갑니다. 소프트웨어에서 논리를 한 번 뒤집어 써야 한다는 뜻입니다.
| MCU GPIO(IN) | KRC101 상태 | OUT 레벨 |
| High (3.3V) | ON(포화) | Low (약 0.1V, 10mA 기준) |
| Low (0V) 또는 Hi-Z | OFF | 풀업 전압(5V·12V·24V 등) |
풀업 저항은 출력 Low일 때 흐를 전류를 먼저 정해서 계산합니다. Rpull = (Vpull - VO(ON)) ÷ IO입니다. KEC 데이터시트의 VO(ON)은 IO=10mA, II=0.5mA 조건에서 typ 0.1V, max 0.3V입니다. 여유 있게 5mA 전후를 목표로 하면 다음과 같이 잡을 수 있습니다.
| 풀업 전압 | 계산(5mA 목표) | 선택 저항 | Low일 때 전류 / 저항 손실 |
| 5V | (5-0.1)÷5mA = 980Ω | 1kΩ | 4.9mA / 약 24mW |
| 12V | (12-0.1)÷5mA = 2.38kΩ | 2.4kΩ | 약 5.0mA / 약 59mW |
| 24V | (24-0.1)÷5mA = 4.78kΩ | 4.7kΩ | 약 5.1mA / 약 121mW |
24V 쪽은 저항 손실이 0.12W까지 올라가서 1/4W급 저항이라면 정격의 절반 정도를 쓰는 셈이니 고온 환경에서는 여유를 더 보는 게 좋고, 풀업이 클수록 상승 속도가 느려지는 트레이드오프도 있습니다. 또 하나 반드시 기억할 점은 출력 전압 정격이 50V라는 것입니다. 릴레이 코일 같은 유도성 부하를 풀업 자리에 두면 꺼지는 순간 역기전력이 이 50V를 넘길 수 있으니, 다이오드 시리즈에서 다룬 프리휠링 다이오드를 코일과 병렬로 반드시 붙여야 합니다.
입력 쪽 계산, 정격 100mA와 실제 구동 가능 전류는 다르다
데이터시트의 출력 전류 100mA는 절대 최대 정격이지, 아무 조건에서나 포화 스위치로 쓸 수 있는 전류가 아닙니다. 포화로 쓸 수 있는 전류는 입력에서 얼마나 밀어주느냐가 결정합니다. KEC가 VO(ON)을 보증하는 조건이 IO=10mA에 II=0.5mA, 즉 출력 전류가 입력 전류의 20배입니다. TR 시리즈 4편에서 다뤘던 강제 이득(forced beta) 개념과 같은 이야기입니다.
3.3V MCU로 직접 구동하면 입력 전류는 R1에 걸리는 전압으로 계산합니다. II ≈ (3.3V-0.7V)÷4.7kΩ ≈ 0.55mA입니다. 이 값에 20배를 곱하면 약 11mA, 즉 3.3V 직접 구동에서 포화 스위치로 안심하고 쓸 수 있는 싱크 전류는 대략 10mA 안팎이라는 뜻입니다. 5V로 구동하면 II≈0.92mA라 약 18mA 정도까지 올라갑니다.
입력 문턱전압도 구동 전압과 맞춰봐야 합니다. KRC101의 VI(ON)은 typ 1.5V, max 2.0V이므로 3.3V 로직 High는 충분하지만 1.8V 로직으로는 부족합니다. 1.8V MCU로 쓰려면 VI(ON) max가 1.1V인 KRC105나 1.3V인 KRC106처럼 R2를 47kΩ으로 키운 품번을 골라야 합니다. 반대로 10mA를 넘는 부하, 예를 들어 100mA급 릴레이나 램프는 KRC101로 직접 구동하지 말고 외부에 일반 TR이나 MOSFET을 두고 KRC101은 그 앞단의 구동용으로만 쓰는 게 안전합니다.
KRC101의 100mA는 절대 최대 정격이고, 3.3V 직접 구동 시 포화로 쓸 수 있는 싱크 전류는 약 10mA입니다. 1.8V 로직에는 VI(ON)이 낮은 KRC105·106 계열을 골라야 합니다.
스위칭 속도, 저장시간이 발목을 잡는다
속도도 확인해야 합니다. 데이터시트는 VO=5V, VIN=5V, RL=1kΩ 조건에서 KRC101의 상승시간 tr 0.03, 저장시간 tstg 2.0, 하강시간 tf 0.12를 typ로 표기합니다(단위는 μs로 표기). 켜질 때는 0.03μs지만, 꺼질 때는 저장시간 2.0μs에 하강시간 0.12μs를 더해 약 2.1μs가 걸린다는 뜻입니다.
TR 시리즈 4편에서 설명한 저장시간이 바로 이 숫자입니다. 포화로 깊게 밀어 넣은 트랜지스터는 꺼질 때 베이스에 쌓인 전하가 빠져나갈 시간이 필요합니다. 한 주기 안에 켜짐과 꺼짐 구간이 각각 2μs는 되어야 하니, 듀티 50%라면 한 주기가 최소 4μs대여야 하니 이론상 200kHz대가 한계이고, 실무에서는 100kHz 아래에서 쓰는 게 안전합니다. 보통의 GPIO 제어, 릴레이, LED 구동에는 충분하지만 고속 PWM이나 통신 신호선에는 적합하지 않습니다.
부팅 순간 밸브가 딸깍 튀던 이유, R2 하나의 차이
서두의 사고를 풀어보겠습니다. 자동화 장비의 솔레노이드 밸브를 MCU로 제어하는 보드였습니다. 초기 설계는 범용 NPN TR 하나에 베이스 직렬 저항 하나만 달고 컬렉터에 밸브 드라이버를 연결한 평범한 구성이었습니다. 정상 동작은 전혀 문제가 없었습니다.
증상은 전원을 넣는 순간에만 나왔습니다. 가끔, 정말 가끔 밸브가 "딸깍" 하고 한 번 튀었다가 멈췄습니다. 장비가 아직 부팅 중이라 공압이 걸려 있지도 않은 순간이라 실제 피해는 없었지만, 오동작이 반복된다는 점이 마음에 걸렸습니다.
소프트웨어를 한참 뒤졌는데 아무것도 나오지 않았습니다. 코드는 아직 실행되지도 않은 시점이었기 때문입니다. 오실로스코프를 걸어보고서야 알았습니다. MCU는 리셋 직후 GPIO가 입력(Hi-Z) 상태인데, 그 짧은 구간에 TR의 베이스가 직렬 저항 뒤에서 아무것에도 연결되지 않은 채 떠 있었습니다. 떠 있는 베이스는 전원이 올라가는 과도 상태의 노이즈나 누설전류를 받아 살짝 켜질 수 있었고, 그 순간이 밸브에는 "딸깍"으로 나타난 것입니다.
해결은 간단했습니다. 베이스와 이미터 사이에 풀다운 저항을 하나 추가하면 되는 문제였는데, 저는 아예 부품을 KRC101로 바꿨습니다. R2 4.7kΩ이 이미 베이스를 이미터에 붙잡고 있으니 GPIO가 Hi-Z인 구간에도 트랜지스터는 꺼진 상태를 유지합니다. 같은 보드에서 다시 수십 번 전원을 껐다 켜봐도 딸깍 소리는 다시 나오지 않았습니다. 그 뒤로는 MCU 출력으로 부하를 켜고 끄는 신호선에는 베이스 저항과 풀다운이 한꺼번에 해결되는 디지털 트랜지스터를 기본으로 씁니다.
MCU가 리셋되는 순간 GPIO는 Hi-Z라서, 풀다운 없는 TR은 베이스가 떠서 오동작할 수 있습니다. 베이스-이미터 저항(R2)이 내장된 KRC101은 이런 구간에서도 꺼진 상태를 유지합니다.
KRC101 설계 전에 점검할 5가지
1. 구동 전압에 맞는 품번 고르기, 3.3V면 KRC101~103도 가능하지만 1.8V 로직이면 KRC105·106 계열
2. 출력 전류를 정해 풀업 저항 계산하기, 포화 구동 가능 전류는 입력 전류의 약 20배라는 기준으로 확인
3. 풀업 전압이 정격 50V 이내인지 확인하고, 유도성 부하라면 프리휠링 다이오드 추가
4. 스위칭 주파수가 저장시간(약 2μs)을 감당하는지 확인, 100kHz 이하를 권장
5. 패키지와 허용 손실 확인하기, TO-92형 KRC101은 625mW, SOT-23형 KRC101S는 200mW
참고 링크
오픈컬렉터 출력의 가장 큰 장점은 이름이 말해주지 않는 곳에 있습니다. 여러 장치가 한 가닥 선을 같이 쓰면서도 부딪히지 않는다는 점입니다.
푸시풀 출력 두 개를 한 선에 연결하면 한쪽이 High를, 다른 쪽이 Low를 내보내는 순간 전원에서 접지로 단락 전류가 흐릅니다. 반면 오픈컬렉터는 모두가 "놓고 있는" 동안 풀업이 High를 만들고, 누군가 선을 끌어내리면 그냥 Low가 됩니다. 그 누구도 High를 밀지 않으니 충돌이 구조적으로 불가능합니다. 이 성질 덕분에 여러 센서의 인터럽트 신호를 한 선에 묶거나, 앞서 다뤘던 I2C처럼 여러 장치가 두 가닥 버스를 나눠 쓰는 일이 가능해졌습니다. 오픈컬렉터의 가장 중요한 가치는 레벨 변환이 아니라 공유일지도 모릅니다.
· 기사 링크: Texas Instruments, SLCA006 Comparator output types(오픈컬렉터/푸시풀)
· 뉴스 링크: 소신호 트랜지스터 시장 규모와 성장 전망(2026-2033년)
· 학회 링크: IEEE Electron Devices Society
· 기술자료 링크: KEC, KRC101~KRC106 데이터시트
자주 묻는 질문 Q&A
Q1. KRC101과 KRC101S는 뭐가 다른가요?
저항 값(R1·R2 4.7kΩ)은 같고 패키지가 다릅니다. KRC101은 TO-92로 허용 손실이 625mW, KRC101S는 SOT-23으로 200mW입니다. SMT 보드라면 S 타입을 쓰고, 이때는 열 여유가 더 작다는 점을 염두에 둬야 합니다.
Q2. 입력에 외부 저항을 또 달아야 하나요?
필요 없습니다. R1이 이미 내장되어 있어 GPIO를 IN 핀에 직접 연결하면 됩니다. 오히려 외부 직렬 저항을 추가하면 입력 전류가 줄어서 포화가 얕아지니 구동 전류 계산을 다시 해야 합니다.
Q3. 풀업 전압을 24V로 써도 되나요?
출력 전압 정격이 50V이므로 24V 풀업은 정격 안입니다. 다만 유도성 부하에서는 역기전력 스파이크가 정격을 넘길 수 있어 프리휠링 다이오드가 필요하고, 풀업 저항의 손실(24V, 4.7kΩ이면 약 0.12W)도 확인해야 합니다.
Q4. 출력이 High일 때 전류를 내보내는 부하는 어떻게 하나요?
오픈컬렉터는 전류를 끌어내리는 것만 가능하고 내보낼 수는 없습니다. 전원 쪽에서 부하로 전류를 밀어줘야 하는 하이사이드 스위치는 PNP 트랜지스터나 P채널 MOSFET 같은 다른 구조를 써야 합니다.
Q5. 오픈컬렉터와 오픈드레인은 같은 건가요?
TI 자료도 두 용어를 섞어 쓴다고 하듯이 동작은 같고, 출력 트랜지스터가 BJT면 오픈컬렉터, MOSFET이면 오픈드레인이라고 부릅니다. I2C 버스의 SDA·SCL이 대표적인 오픈드레인입니다.
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결론
오늘 내용을 정리하면, KRC101은 입력 저항과 베이스 풀다운 저항을 내장한 NPN 디지털 트랜지스터이고, 컬렉터를 열어둔 오픈컬렉터 출력으로 쓰면 풀업 전압만 바꿔 레벨을 변환하고 여러 신호를 한 선에 안전하게 묶을 수 있는 작은 스위치가 됩니다. 쓸 때는 풀업 저항 계산, 입력 구동 전류, 정격 전압, 저장시간이라는 네 숫자를 확인하면 됩니다.
제가 부팅 순간 밸브 오동작으로 배운 건, 베이스를 이미터에 붙잡아 두는 저항 하나가 평소에는 보이지 않다가 MCU가 잠들어 있는 순간에야 진가를 발휘한다는 점입니다. 부품 두 개를 줄이는 것 이상으로, 사고가 나는 구간 하나를 같이 막아주는 부품이라는 점이 제가 KRC101을 계속 쓰는 이유입니다.
본 글은 필자의 실무 경험과 공개된 기술 자료를 바탕으로 작성한 참고용 정보이며, 특정 부품의 선정이나 회로 설계를 보장하지 않습니다. 실제 설계 적용 시에는 반드시 해당 부품의 최신 데이터시트와 안전 규격을 직접 확인하시기 바랍니다.