トランジスタ回路


  1. トランジスタの構造と動作


    1. 構造

      トランジスタは、エミッタ（E)、ベース（B)、コレクタ（C)と呼ばれる３端子の半導体で、増幅や半導体スイッチとして利用されます。トランジスタには NPN 型と　PNP型 があります。NPN型の場合、中央の 薄いP型　半導体の両側に N型 の半導体が接合されています。



      片側の中央のP型の半導体にB（ベース）端子、両側の N型 半導体に　E（エミッタ）とC（コレクタ）端子が接続されています。

    2. 動作（NPN型）

      　CにB,やEより高い電圧を加えます。このままでは、E-C 間に電流は流れません。この状態で、B端子にE端子より高い電圧を加えます。すると、B-E間はダイオードの順電圧になるため、B より E に電流が流れます。すると、E-F 間にも電流が流れます。これが、「トランジスタ」の発見です。


      EからB に電子が流れます（電子の流れと電流は逆向きになります）。しかし、Bは非常に狭いため、電子はコレクタ側に突き抜けます。すると、コレクタの　＋ 電圧に吸い込まれて電流が流れます。これが、コレクタに流れる電流の「正体」です。このためには、ベースは極めて薄く作成する必要があります。エミッタは電子を放出する（Emitする）、コレクタは電子を集める（Cllectする）役目を持ちます。
      　エミッタからベース電極に吸い取られる電子（電流）を Ib とし、Bを突き抜けCに流れる電流がIcとします。 この電流の比
      　　β= Ic / Ib
      を電流増幅率と呼びます。Bに流れる電流のβ倍がIcになります。βの値は数十程度になります。

    3. トランジスタの回路記号

      下図は、トランジスタの記号です。B から E端子 に電流の流れる向きに矢印がついています。PNP 型の場合、E から B 方向に電流を流します。


    4. トランジスタの部品の構造と品番

      　小電力型のトランジスタは、通常以下の用な構造です。コレクタが中央の端子になっています。

      　

      　NPN型のトランジスタは 2SC**　または2SD** の品番となります。**は数字です。PNP型は、2SA**または2SB**となります。

  2. トランジスタのスイッチ動作


    1. スイッチ動作

      ベースからエミッタに向けてベース電流を流すと、その約数十から100倍の電流をコレクタからエミッタに流すことができます。ベース電流によって、コレクターエミッタの間の電流を制御出来るため、半導体スイッチとして利用できます。例えば10mAベース電流で、1Aまでの電流をコレクターエミッタの間に流すことができます（オン状態）。ベース電流を止めれば、コレクターエミッタの間は絶縁状態になります（オフ状態）。

    2. スイッチ回路

      　下図が実際のスイッチ回路です。小型トランジスタの場合、最大コレクタ電流は150mA程度ですから、βを100としてベース電流は1.5mA程度必要です。TTLでベース電流を供給する場合、Highの電圧が3V程度とすれば、ベース抵抗は約2Kオームとなります。
      ランプへの電圧は、ランプの定格電圧を加えます。抵抗rは、ランプ点灯時に定格より大きな電流が流れるのを防ぐのが目的で、定格の２割程度の電流をスイッチに無関係に流します。

      　

      注：ランプは点灯すると高温度になり大きな抵抗となりますが、低音の場合は非常に小さな抵抗値です。したがって消灯時にも、少し電流を流し、高温を維持しておくと、点灯時の大電流を防止できます。

    3. トランジスタのチェック法

      トランジスタが正常に動作するためには、ベース端子から見て、コレクタとエミッタ端子がダイオードになっている必要があります。ベースからコレクタ（エミッタ）、逆にコレクタ（エミッタ）からベース方向の抵抗を測定し、ダイオードの動作をするかどうかけんさします。回路に組み込んだ状態で検査するには、ベースの接続線を取り除いてから検査します。



  3. スイッチ回路


    1. 抵抗負荷の場合

      小型トランジスタの場合、最大コレクタ電流は150mA程度ですから、ベース電流は1.5mA程度必要です。TTLでベース電流を供給する場合、Highの電圧が3V程度とすれば、ベース抵抗は約2Kオームとなります。
      ランプへの電圧は、ランプの定格電圧を加えます。抵抗rは、ランプ点灯時に定格より大きな電流が流れるのを防ぐのが目的で、定格の２割程度の電流をスイッチに無関係に流します。

      　

    2. コイルをスイッチする場合

      コレクタの回路にリレーやモータ等、コイル（電磁石）を接続する場合注意が必要です。コイルはその性質上、流れている電流を急激に停止しようとすると、数千ボルト以上の電圧をだして、電流を持続しようとします。この、電流を吸収するためには、図のようにコイルの両端にダイオードを接続します。このダイオードはコイルに蓄積されたエネルギーを吸収するのが目的です。



    3. ベースへの逆電圧

      ベースに負の電圧がかかる場合、ベースの逆耐電圧に注意して下さい。ベースとコレクタ間は普通のダイオードより、逆耐電圧が低く、数ボルトしかありません。図のように、ベースにダイオードを入れて、保護します・




    4. ダーリントン型複合トランジスタ

      1. ダーリントン型とは
        通常のトランジスタの電流増幅率は100程度ですから、数ミリAのベース電流では、数百ミリAの電流しかスイッチできません。これでは、少し大型のモータやランプは直接駆動できません。
        ダーリントンは人名で、前段のトランジスタで増幅されたコレクタ電流を次の段のトランジスタのベース電流とします。このため、非常に高い（10000以上）電流増幅率を誇ります。

        　

      2. プルダウン
        僅かのベース電流でもコレクタ電流が流れるため、ベース端子を抵抗を通してグランドに接続する必要があります。この処理をプルダウンとよびます。

        　

ホーム