- 電子工作「トランジスタ回路の設計法」のご紹介
- 「トランジスタ回路の設計法」のご紹介
- 「トランジスタの機能」について
- 「トランジスタには抵抗が必要」
- 「トランジスタのドライブ回路での使い方」について
- 「ドライブ用に使うときの選択方法」
- 「ドライブ回路の基本構成」
- 「電流増幅率が高いトランジスタが必要なケース」について
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電子工作「トランジスタ回路の設計法」のご紹介
ご訪問ありがとうございます。
今回は、「トランジスタ回路の設計法」をご紹介します。
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「トランジスタ回路の設計法」のご紹介
ICが全盛の時代ですが、トランジスタもちょっとしたドライブ用や信号増幅などに使われる場合もまだ多く残っています。
電気工作でも簡単な回路で増幅やドライブ回路が構成できるので、まだままだ現役で使う機会が多くあります。まずはトランジスタ回路を動作させるために必要なことをご紹介していきます。
「トランジスタの機能」について
トランジスタそのものの機能を一言でいうと電流増幅機能となります。つまり、下図（トランジスタの増幅機能）のようにトランジスタを見たときに、ベース電流IB対コレクタ電流ICの関係は下図(トランジスタの特性)2のようにほぼ比例関係になります。
トランジスタの増幅機能
トランジスタの特性
最大振幅は約0.42A。したがって、420/3=140で約140倍増幅されています。
トランジスタで100倍以上大きく変化する電流
この関係を利用すれば、例えば、上図（トランジスタの特性）のようにベース電流を一定時間で正弦波状に変化させたとすると、コレクタ電流も同じように正弦波状に変化することになります。
ここで重要なことはベース電流の数mA程度のわずかな変化に対して、コレクタ電流が100倍以上の値で大きく変化していることです。つまり増幅されていることになるわけです。
ベース電流のどこを中心にして変化させるのか
この機能を使うとき、ベース電流のどこを中心にして変化するように工夫すれば、ちょうどよい出力が得られる増幅になるかということが課題となります。この工夫をすることがトランジスタ増幅回路の設計そのものになります。
「トランジスタには抵抗が必要」
トランジスタの使い方
もうひとつのトランジスタの使い方は、
- ベース電流が“0”でコレクタ電流も“0”の状態(これをOFF状態と呼ぶ)と、
- 多めのベース電流を流してコレクタ電流が十分流れる状態(これをON状態と呼ぶ)の2値で使う使い方で、いわゆるデジタル回路用として使います。
トランジスタの過電流を防ぐ「抵抗」
このとき下図(トランジスタのベース電流)からわかるように、ベース電流は、ほんのわずかにベース電圧を変化させるだけで大きく変化し、しかも電圧が一定値以上になるとコレクタ電流はいくらでも流せる状態になってしまいます。
このままではトランジスタが熱くなって壊れてしまいますので、何らかの方法で電流を制限することが必要になるわけです。これでトランジスタ回路に抵抗が必要なことが理解できるかと思います。
トランジスタのベース電流
「トランジスタのドライブ回路での使い方」について
現在のトランジスタの主な使用用途は？
最近は、オペアンプが非常に使いやすく、安価になったためアナログ増幅回路にトランジスタを使うことは高周波用途以外にはなくなってしまいました。このためトランジスタの用途は大電流や高電圧の負荷をドライブする用途がほとんどです。
トランジスタの主な使用例
例えば、セグメント発光ダイオードの桁ドライブ、モータやリレーのドライブ、電源のON/OFF制御、照明灯の制御などが対象で、マイコンなどのデジタルICの出力では直接制御できないような場合にドライブ用として使う使い方です。
ここではドライブ回路用としてトランジスタを使う方法をご紹介します。
「ドライブ用に使うときの選択方法」
実際にトランジスタをドライブ用に使うときの選択方法ですが、規格表を参考にして選びます。実際に回路設計をするときに、ドライブ用トランジスタの規格で大切なポイントは下記の4点となります。
【1】何ボルトまで使えるか
最大定格の中のコレクタ・エミッタ間最大定格電圧(VCEO)で見ます。そして実際には、これの1/2以下の電圧で使うようにします。
【2】何アンペアまで流せるか
これは2つの観点から考えます。まず、コレクタ最大定格電流(IC)は絶対超えられない値です。これも実際の使用では1/2以下で使います。
もう一つは最大全損失(PT)、何ワットまで使えるかということです。
で考え、やはりこれの1/2以下で使うようにします。しかし、全損失は放熱板の有無と、周囲温度で極端に変わるので、グラフで確認して使います。
【3】何倍の増幅ができるか
直流電流増幅率(hfe)で単純に入力電流が何倍になって出力されるかがわかりますが、非常にMinとMaxの差が大きいので、Minで考えておく必要があります。
あるいは、hfeの大きさで分類されているものもあるので、それを指定して入手することも可能です。
【4】どれくらいの周波数まで使えるか
参考ドライブ用として使う場合は、周波数特性は、オン・オフの立ち上がり、立ち下りの早さに影響します。
これは、利得帯域幅積(ft)で判定しますが、その判定は、下記のようにします。
この値が使う周波数に十分対応できるものを使います。
「ドライブ回路の基本構成」
次に実際の大きな負荷の制御用としての回路ですが、この大きな負荷とはどういうことかというと、数10mA以上の電流が流れたり、数V以上の電圧が必要な負荷で、マイコンやデジタルICでは直接ドライブすることができない負荷をいいます。
例えば、モータの制御や、リレーや大型発光ダイオードなどのドライブです。このようなときには、トランジスタをうまく使います。このときの使い方の基本回路構成は下図（ドライブ回路の基本構成）のようにします。
ドライブ回路の基本構成
(a)電流を引っ張り込む
(b)電流を流し込む
「(a)電流を引っ張り込む」の場合
デジタルICをHighの出力にすると、電源電圧VDDを5Vとした場合VDDに近い4.5V以上の出力電圧になりますから、抵抗R1を通してトランジスタにベース電流IBが流れ、トランジスタがONとなり、コレクタ電流ICが流れて負荷に電流が流れます。
デジタルICの出力がLowになると、トランジスタのベースエミッタ飽和電圧VBE(0.6V程度)より低い出力電圧(0.2V程度)となり、IBが流れなくなりますからトランジスタがOFFとなり、負荷の電流も流れなくなってしまいます。
これで、デジタルICのHigh/Low出力で負荷の制御ができることになります。この回路のメリットは、ON/OFFの制御がベースエミッタ飽和電圧VBEだけで決まるため、負荷側の電源電圧Vを自由に選べることです。
「(b)電流を流し込む」の場合
(a)とは逆で、デジタルICの出力がHighになると、電源電圧に近い出力電圧となりますから、PNPトランジスタのベース・エミッタ飽和電圧VBEが0.6V以下になり、トランジスタがOFFとなって負荷の電流は停止します。
デジタルIC出力がLowとなるとトランジスタがONとなって負荷に電流が流れることになります。つまり(a)のNPNトランジスタの場合とはデジタル出力のHigh/Lowが逆の動作になります。
どちらの回路を使うかは負荷によりますが、大部分は(a)の回路が使われます。
「電流増幅率が高いトランジスタが必要なケース」について
ドライブ回路に使うトランジスタは、ドライブする電圧と流す電流を気にすればよく、最大定格で選定します。
ただし、ドライブしなければならない電流が大きい場合には、電流増幅率を気にすることが必要になってきます。つまり
で求まるドライブ電流をトランジスタのベースに流してやることが必要になります。これが不足しているときは、もっと電流増幅率hfeの高いトランジスタに変更する必要があります。
1個のトランジスタで電流増幅率hfeが不足するときには、ダーリントントランジスタなどに変更します。
注意すること
この回路(ドライブ回路の基本構成)で注意しなければならないことが2つあります。それが図中の抵抗R1とR2の働きです。
ドライブ回路の基本構成
【1】ベースに電流が流れ過ぎないようにすること
トランジスタをONするときには、電流をベースに流し込みます。このときドライブ側に電流を制限する機能がなければ下図（トランジスタのベース電流）のようにいくらでも電流が流れてしまい、トランジスタやドライブ側が熱くなって壊れることもあり得ます。
トランジスタのベース電流
そこで、電流制限用の抵抗R1を挿入します。この抵抗の抵抗値はVDDが5Vのときは下記で求めます。
(抵抗値) = (5V-ON電圧) + (最大ベース電流)・・・(b)のとき
例えば、(a)の回路でモータ制御をするとき、200mAの電流を制御する場合は、トランジスタの電流増幅率が100とすれば、
余裕を見て2倍して4mAとします。したがってON電圧は標準的には、ほぼ5Vですから、
と求められますので、これに近い標準値の1kΩを挿入します。
【2】電源ON時に出力が不安定にならないようにすること
特にマイコンなどで直接トランジスタをドライブする場合、電源ON直後はマイコンの出力が3ステートのハイインピーダンスになっていることがあります。
そうすると、トランジスタはその間はONでもOFFでもない中途半端な状態になってしまうことがあります。そこでこれを避けるために、トランジスタのベースを抵抗でグランド(PNPのときは電源)に抵抗R2で接続してしまいます。
こうすることで、電源投入直後もトランジスタのベースは0V(PNPのときは電源電圧)のいずれかに明確に決まりますから、必ずOFF状態となり不安定な状態はなくなります。
ハイインピーダンス状態では何も接続されていないのと同じ状態となります。
【3】コイル(モータやリレーなど)の逆起電圧に注意
トランジスタでドライブする負荷が、モータやリレーなどのコイルのときには、逆起電圧に注意する必要があります。
つまり、コイルの電流をONからOFFする場合、その瞬間には、逆向きの高い電圧がコイルの両端に発生します。これを何もしないでおくと、この逆起電圧がトランジスタのコレクタ・エミッタ間に加わり、場合によってはトランジスタが壊れることもあります。
コイルの逆起電圧対策
そこで、これを防止するため、上図（コイルの逆起電圧対策）のような向きでダイオードをコイルの両端に並列に接続します。こうすると発生する逆起電圧はダイオードでショートされてしまいますので高電圧は発生しません。
コイルの逆起電圧対策
|
負荷をオフにするとき、逆向きの高電圧が発生する(逆起電圧)
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ダイオードで逆起電圧を短絡する
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【4】トランジスタの発熱に注意
トランジスタがONになったときには、
のパワーが全て熱になりますから、電流が多いときにはかなりの発熱になります。したがって、きちんとした放熱設計が必要で、場合によっては放熱板(放熱器)を付けてやる必要もあります。
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