디지털 가변저항(AD5220 Digital Potentiometer)의 와이퍼로 LED를 구동할 때 확인할 것

세 제어선과 세 저항 단자를 구분합니다

디지털 가변저항(digital potentiometer)은 내부 저항 네트워크에서 접점의 위치를 디지털 신호로 고르는 부품입니다. 양 끝 단자 A·B 사이의 저항 네트워크에서 이동 단자 W가 가리키는 위치를 바꾸며, W의 전압이나 A–W·W–B 저항을 이용합니다. AD5220은 CLK(clock), U/D(up/down), CS(chip select) 세 제어선을 사용합니다. CS=LOW일 때 CLK의 하강 에지(falling edge)마다 W가 한 단계 이동합니다. U/D가 HIGH이면 A 쪽으로, LOW이면 B 쪽으로 이동합니다. CS가 HIGH이면 CLK가 바뀌어도 위치는 유지됩니다.

8핀 패키지를 윗면에서 보며 기준 표시로 1번 핀 방향을 확인한 다음, 핀 번호를 회로도와 대조합니다. A·B·W는 도면에 A1·B1·W1로도 적힙니다.

이 번호는 AD5220의 해당 8핀 배치에만 적용합니다. 부품 몸체의 기준 표시와 데이터시트의 패키지 그림을 맞춰 보고, 같은 모양의 다른 부품에 그대로 적용하지 마십시오.

A를 전원 VDD, B를 접지 GND에 놓으면 W는 분압 출력이 됩니다. 분압(divider)은 두 저항에 전압이 나뉘어 걸리도록 하여 중간점의 전압을 얻는 방식입니다. LED를 W에 직접 연결하면 W 단자의 허용 전류와 전압이 쉽게 문제가 되므로, W는 베이스 저항을 거쳐 NPN 트랜지스터의 베이스를 제어하고 LED 전류는 별도의 경로로 흘리도록 구성합니다. 그림의 R_B는 베이스 전류를 제한하고 R_LED는 LED 전류를 제한합니다. 그림의 값은 모든 전원·LED·트랜지스터에 공통으로 쓸 수 있는 정격값이 아닙니다.

같은 A·W·B 저항 네트워크도 두 단자 가변 저항(rheostat)으로 쓰는지, 세 단자 분압기(potentiometer)로 쓰는지에 따라 확인할 전류가 달라집니다. A와 W만 부하에 직렬로 넣으면 A–W 저항이 바뀌면서 부하 전류가 W 접점도 통과합니다. 반면 A·B 양 끝에 전압을 걸고 W에서 중간 전압을 꺼내면 W는 분압 출력이며, 여기에 연결한 회로가 전류를 끌어가면 계산한 무부하 전압이 달라집니다. 이 글의 AD5220 회로는 후자입니다. 기계식 가변저항의 두 단자 부하 연결을 AD5220이나 LED에 그대로 옮기지 말고, 선택한 부품의 W 허용 전류와 부하 경로를 먼저 확인하세요.

와이퍼 전압을 무부하 분압값으로 계산하지 않습니다

AD5220의 저항 네트워크 전체값 R_AB는 품번에 따라 달라집니다. 저항 네트워크의 현재 위치에서 A–W 쪽을 R_AW, W–B 쪽을 R_WB라 하면, 베이스 연결을 떼어 둔 상태의 와이퍼 전압은 대략 V_W,open=VDD×R_WB/(R_AW+R_WB)입니다. open은 출력에 부하를 연결하지 않았다는 뜻입니다. 실제로 NPN 베이스를 연결하면 W에서 R_B와 베이스–이미터 접합으로 전류가 빠져나가므로 이 값보다 낮아질 수 있습니다.

처음 계산에는 와이퍼 쪽 회로를 테브난 등가(Thevenin equivalent)로 단순화할 수 있습니다. 이는 분압망을 전압원 V_W,open과 직렬 저항 R_th≈R_AW∥R_WB로 바꾸어 보는 방법입니다. ∥는 두 저항의 병렬 연결을 뜻합니다. 와이퍼 접점 저항과 트랜지스터 특성을 잠시 단순화하면, 베이스 전류는 I_B≈max(0,(V_W,open−V_BE)/(R_th+R_B))입니다. V_BE는 베이스–이미터 사이에 실제로 걸리는 전압이며, 소자와 전류·온도에 따라 달라집니다.

예를 들어 계산 방법만 보여 주기 위해 VDD=5 V, R_AB=10 kΩ, W가 대략 중간, R_B=1 kΩ, V_BE=0.7 V라고 가정하면 V_W,open≈2.5 V, R_th≈2.5 kΩ, I_B≈(2.5−0.7)/(2.5 kΩ+1 kΩ)≈0.51 mA입니다. 같은 위치라도 R_AB=100 kΩ이면 R_th≈25 kΩ이어서 이 근사는 약 0.069 mA가 됩니다. 두 값은 측정값이 아니라 가정한 회로의 첫 계산이며, 저항 네트워크 공차·와이퍼 접점 저항·실제 베이스 전압을 반영해 다시 확인해야 합니다. 단순히 '코드가 절반이면 베이스에도 2.5 V가 유지된다'고 보지 마십시오.

LED 경로는 따로 계산합니다

NPN을 로우사이드 스위치(low-side switch)로 쓰면 LED 전류는 VDD → R_LED → LED → NPN 컬렉터–이미터 → GND로 흐릅니다. 트랜지스터가 충분히 켜졌다고 가정한 첫 계산은 I_LED≈(VDD−V_F−V_CE(sat))/R_LED입니다. V_F는 실제 전류에서 LED의 순방향 전압, V_CE(sat)는 트랜지스터가 포화되었을 때 컬렉터–이미터 전압입니다. 예를 들어 5 V, V_F=2 V, V_CE(sat)=0.2 V, R_LED=470 Ω이라면 약 6 mA입니다. 이는 특정 LED의 실제 밝기나 실측값이 아닙니다.

이 전류를 흘릴 충분한 베이스 구동이 있는지도 확인해야 합니다. 트랜지스터 데이터시트의 포화 조건에서 제시하는 베이스 전류와 위의 I_B 근사를 대조하고, 시제품에서는 LED 전류와 V_CE를 측정합니다. 베이스 구동이 부족하면 LED가 어둡거나 트랜지스터의 V_CE가 높아져 발열이 늘 수 있습니다. 반대로 W가 A 쪽으로 움직였다고 밝기가 매 단계 같은 양만큼 증가하는 것은 아닙니다. LED의 전류–밝기 관계와 BJT의 베이스·포화 특성이 비선형이기 때문입니다.

전원 투입과 클록 에지를 시험합니다

1. 실제 AD5220 품번의 R_AB, VDD 허용 범위, A·B·W 단자의 허용 전압을 확인합니다. AD5220의 동작 전원 범위는 2.7–5.5 V이며 A·B·W를 그 범위 밖으로 몰지 않습니다.
2. A를 VDD, B를 GND에 연결하고 CS의 LOW 상태를 확인합니다. CS를 계속 접지해 두면 모든 유효 CLK 하강 에지가 단계 변경 명령이 되므로, 불필요한 클록이 들어오지 않는지도 봅니다.
3. CS를 LOW로 둔 채 U/D를 먼저 정한 다음 깨끗한 CLK 하강 에지를 한 번 보냅니다. W 전압이 예상 방향으로 한 단계 바뀌는지 LED를 연결하기 전 측정합니다. 기계식 버튼을 CLK에 쓴다면 접점 바운스(bounce) 때문에 한 번 눌러 여러 단계 움직일 수 있으므로 디바운스(debounce) 회로가 필요합니다.
4. 베이스 회로를 연결한 뒤 같은 코드에서 W 전압이 얼마나 내려가는지 확인합니다. LED 전류와 트랜지스터 V_CE, 베이스 전류 또는 베이스 저항 양단 전압을 함께 기록합니다.
5. 전원을 껐다 켜서 시작 위치와 LED의 시작 상태를 확인합니다. AD5220은 전원 투입 시 와이퍼가 대략 중앙 위치로 설정되므로, 이전 밝기가 자동 복원된다고 가정하지 않습니다. 상·하한 코드까지 반복 이동시키며 더 이상의 펄스가 상태를 바꾸지 않는지도 확인합니다.

W를 저항 단자로 직접 사용하거나 한쪽 끝과 사실상 맞닿는 상태로 몰 때는 접점 전류 제한도 중요합니다. 제조사 자료는 W–B가 직접 접촉하는 조건에서 5 mA 이하로 제한하도록 안내합니다. 본문의 분압–베이스 연결과 다른 사용법에 그 수치를 무조건 적용할 수는 없지만, 어느 경우든 실제 단자 전압·전류가 제품 정격 안에 있는지 확인해야 합니다. 디지털 제어라는 이유만으로 잡음이 없다고 단정하지 않고, 필요하면 W 전압과 LED 전류의 전환 파형을 측정합니다.