楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

バイポーラトランジスタを使ってみよう

  

前のページで、モーターの回転を制御する場合に、150mA程度の電流であれば、汎用の安価なトランジスタを使って、何かできそうだということがわかりました。そこで、ポピュラーなバイポーラトランジスタを使って、その基本的な使い方や考え方を見ていきます。

ここでは、はじめに、LEDの点灯させる回路でトランジスタの特性などを見てみることにします。

バイポーラトランジスタは、NPN・PNPなどの半導体構造で、増幅作用がある電子素子として昔からある種類のトランジスタです。「トランジスタ」といえば、このことを指します。

ただ、トランジスタには分類される種類はたくさんありますし、名前の付け方も一定したものでないこともあって、使おうとする場合は、データシートを見て検討するようにしなければいけません。

現在はICやマイコンなどを使って遊ぶ記事が主流ですので、バーポーラトランジスタの記事も少なくなりました。

しかし、各所で用途があるのでしょうか、すでに廃番になっているものや日本製でなく、外国で使われていた型番のものなどが、オリジナルの会社製でないものなどを含めて、WEB上でも出回っており、非常に安く販売されています。→Amazonのトランジスタをみる  

また、電子部品を扱うWEB店では、これらが小ロットで販売されており、これらは高くても数十円ですので、これらがうまく使えると電子工作も面白くなると思っていますが、初心者にわかりやすい書籍が少ないために、私自身が理解していけるように・・・とこの記事を書いています。

近年は、マイコンを用いていろいろな制御をさせる方法がが多くなっていますが、マイコンやパソコンから命令を出力しても、扱える電力は小さいので、どうしてもトランジスタやオペアンプなどを使って、それらとは別に動作させることも多いので、トランジスタの知識を知っておくと、いろいろなことに役に立つでしょう。

ここでは、アナログ回路で使えるトランジスタについて、電流増幅の基本的な内容を紹介して、先に紹介したLEDの明るさを変えたり、モーターの回転数を変更することなどについて見ていくことにしましょう。


前のページでは、DCモーターに加える電圧を変えるとモーターの回転数が変わる事がわかりましたが、トランジスタを使ってボリュームを回すことでそのような動作ができそうですね。

それらを動作させるための考え方について、トランジスタの性質や基礎事項を理解しやすいように、ここでは、LEDを用いて電力増幅回路を説明します。

これらの基礎が理解できると、トランジスタを用いてDCモータの回転数を変える考え方や、コンプリメンタリ・ペアを用いたモーターの正逆転回路などの応用事項も、理解しやすいと思います。

この記事は技術文書ではないので、考え方がわかるようにするために、何回も基本的な内容を説明しながら、実際に回路を組んでそれを確かめる実験をしながら進めます。

もちろん、ここで説明するものは、それらの基本のさらに一部分です。トランジスタだけでも、すごい範囲があるので、ここでは、1から考えていって、「何かができるようになる満足感」を感じていただくのを主眼にしています。専門文書ではないので注意ください。

バイポーラトランジスタ

  

古くからあるトランジスタで、ここでは、2SC1815を使います。

もしも新たにトランジスタを購入される場合は、2SC1815とコンプリメンタリ・ペアの2SA1015という型番のものを同時に購入しておくと良いでしょう。

2SC1815はNPN型で、2SA1015は特性がよく似たPNP型で、カタログには、コンプリメンタリ・ペアのトランジスタ名が書かれているので、それを見ておいてください。

これらの型番のトランジスタは数十円と非常に安いものですし、その他電子工作の本などでもしばしば出てくるものですので、数個を同時に購入しておくといいでしょう。

これらのトランジスタは、製造元の東芝ではすでに製造中止ですが、使いやすいし、いろいろな記事に取り上げられていており、その他のトランジスタも同様ですが、サードパーティー製の安価なものが今でも簡単に手に入るので、ここでもこれを使います。

最初から、どんなトランジスタが使えるのかを理解するのは難しいかもしれません。

ここでは専門的説明ではありませんが、選択する場合には、「低周波電圧増幅用」「低周波電力増幅用」などから探すことになります。

WEBで「低周波電圧増幅 バイポーラ」などで検索すると、2SA1832 TTB001 2SD1415 2SB962・・・などたくさんの型番がヒットしますので、その中から、どのぐらいの電流が扱えるのかをデータシートなどの仕様内容を確認するのですが、これも専門的でわかりにくいと思いますので、記事中では、少しのポイントを抑えると、次のページでは、どのようなものでも使えることも説明しています。ともかく、手持ちがなければ、何かを購入しておいて、一緒に実験していきましょう。

2SC1815は、150mA程度までの電流が扱えます。そうすると、別のページで使ったマブチモーターFA-130RAの電流が60mA程度だったこともあって、コレクタ電流が100mA程度が制御できるので、高価な大電力用ではない、安いトランジスタが使えます。

まず最初は、データシートを見て使えるかどうかを考えます。(2SC1815のカタログはWEBでも掲載されていますので印刷しておくといいでしょう)

2SC1815のカタログ例

着目するところは、赤で囲んだ「絶対最大定格」「電気的特性及び、それを示すグラフ」です。

2SC1815最大定格値 東芝資料

絶対最大定格には、使用できる条件範囲が示されており、これを超えると、トランジスタが破損するということです。この定格以内で使用しないといけません。

電子工作に使用する電源電圧は12V程度までが多いですので、ほとんど使用上は問題はないので、「突撃電流」「逆電圧」など、瞬間的なものに対処する必要はあるものの、これらは、都度に説明されるのが普通ですので、ここでは、コレクタ電流が150mAまで流せるということに注目しておきます。

2SC1815電気的特性2SC1815データ

その他では、電気的特性の直流電流増幅率が100程度であることや、コレクタ電流を100mA流す場合には、ベース電流は少なくとも1mA以上に必要であること、さらに、電源電圧は1Vでは100mA流したときの増幅率が低下するので、高い電源電圧を使うようにしたほうがいいこと、熱による増幅率の影響がどれくらいあるのか ・・・ などを見ておくといいでしょう。

これらをきっちりと理解するにはいろいろな知識が必要になるのですが、ここでは、単なる直流の少電力の制御だけですので、使ってみてから、何かあれば考える・・・としておきましょう。

ちなみに、私の手元にあるその他のいくつかのトランジスタについて使えるかどうかを見たところ、NPNタイプでは、2N2222、2N3904、2SC945など多くの電力増幅用のトランジスタが使えそうだということがわかりました。(次のページで紹介しています)しかし、S9018など、コレクタ電流が許容値の少ないものもあります。

ともかく、手元にトランジスタがあるなら、このような少電力では、何でも使えそうな感じですので、データシートをWEBで探して、使えるようなら使ってみましょう。


基本的な回路で考えてみましょう

一般的には、電圧増幅や電力増幅は「エミッタ接地方式」で考える・・・と覚えておいてください。ここでは、電子回路の勉強ではないので、その他の方式については、必要に応じて考えることにして、エミッタ接地で考えていきます。

トランジスタを使った実験回路

上左がエミッタ接地方式の回路例ですが、具体的にイメージできるように、上右のように、トランジスタ2SC1815を使って、LEDの明るさを調節できるような回路を例にして考えてみましょう。

ボリューム側をアースしているのは、ボリュームを最大にしても少しの電流がトランジスタのベースに加わるので、LEDが消えてくれない・・・ということになるので、それを防ぐために可変抵抗を最大にした時に、余分な電流をアースに流してしまおうというための回路です。(※これは後で説明します) 

最初は、そのアースがない・・・として計算したほうが簡単ですので、回路を組んで確認するまでの計算は、アースを取っていない状態で進めていきます。

ここでお断りしておきますが、私は電子の専門家ではありません。だから、これから説明するのは、正統の一般的な書き方ではないかもしれませんことをご了承ください。

ともかく、本を読んでも、よくわからないことが多いので、自分が納得するように、考えたとおりに回路を組んで、それを測定して、考えた通りになっておればよい・・・ということにして進めていますので、そういう記事内容だということで読み進めてください。


基本的な考え方は、『わからない数値のところは「適当に」数値を決めてそれをもとにしてオームの法則などによって未知数を埋めていくようにする・・・』ということで進めていきます。そして、測定してみればいいのです。

まず赤枠にある固定抵抗はLEDを定電流で光らせるためのものです。たくさんの電流を流すとLEDが切れてしまいます。そのために、抵抗を入れると、抵抗とLEDには(計算上は)同じ電流が流れるので、抵抗によって、流れる電流を制限してやろう・・・というものです。

この抵抗値を決めるための仮定として、①LEDで2Vの電圧降下がある ②LEDには15mAの電流を流して光らせる ・・・とします。(これは一つの仮定で、1.9V・10mAなどと書いてあることもあります)

そうすると、オームの法則 R=E/Iから、R=(5-2)/0.015=200Ω というように数値が導き出せます。

ここで、市販品では200Ωの抵抗器がないために、市販されているので最も近い値の「220Ω」を使う・・・ということで抵抗値が決まります。

次に、青枠の上側の固定抵抗は、トランジスタのベース電圧を与えるものです。

このためには、トランジスタの増幅を利用して、ボリュームが0Ωの時に最大の15mAのコレクタ電流が流れるように抵抗値を決めてやればいいのです。

この「可変抵抗=ボリューム」の役割は、抵抗値が増すと、ベース電圧を下げることになり、その結果、LEDの光が弱くなります。だから、可変抵抗器の抵抗が「0」として電流の最大値で計算すればいいことになります。

【説明の補足】

ここまでの説明で、少し変?・・・だと思いませんでしたか? 
上には、「ベース電流ではなくて、ベース電圧」と書いてあります。なぜでしょう?。

このように、電圧と電流はよく似たものと考える場面がよく出てきます。これについては、説明が必要な時に説明するようにしますが、今回の場合は、ベース電流を制御することで、LEDを通してトランジスタに流れるコレクタ電流を制御するということを言っています。 つまり、直列に繋がれた回路に流れる電流値を変えるということは、その電圧値を変えているということが言える・・・というのです。

まだまだわかりにくいでしょうが、ここでは、これは、「こんなものだ」と受け取っておいてください。

トランジスタの特性で検討するところは、特性表を見ます

この回路では、先の表にあった「最大定格」を超えるような条件ではなさそうですので、この中でまず、「電流増幅率」に着目します。 

同条件での試験値はないので、適当な数字を選ぶのですが、ここでは、電流増幅率は、100と考えます。

「適当」というのは、上のグラフでは、25℃のときエミッタ電圧が6Vのとき150ですので、それで計算してもいいでしょうし、200で考えてもいいのです。仮定が間違っていれば、測定すればわかりますから・・・。

つぎに、トランジスタを考える時に基本になる「3つの基本」について説明します。

【1番目】 ここでは、コレクタ電流Ic=ベース電流Ibx電流増幅率h という関係を利用します。これを使って、必要となる「ベース電流」が求められることになります。

次に、トランジスタのエミッタに流れる全電流は、「コレクタ電流+ベース電流」なのですが、増幅率が100なので、コレクタ電流に比べてベース電流は1/100、すなわち、1%ですので、その程度の違いがあっても問題ないと考えて、両者は等しいと考えます。

【2番目】 つまり、コレクタ電流Ic=エミッタ電流Ie と考えます。

最後にもう1つあります。 コレクタ電流を流すためには、ベースとエミッタ間に電圧を与えないといけません。

これは、どのトランジスタにも必要なもので、下の特性表を読むのも一つの方法ですが、細かい条件は合致しないので、それを「エイヤッ」と「0.7V」とします。

【3番目】 下図では温度によって、0.4以上のベース・エミッタ電圧をかけないとベース電流が流れませんし、そこそこのベース電流を流すので、これを0.6や0.65と計算する人も多いようですが、どのようなトランジスタでも、0.6~0.7V程度の値であるものが多いので、ここでは、(たびたび出てくる言い方ですが)適当に考えて、 エミッタベース間電圧Vbe=0.7V とします。

ベース電流と負荷電圧

この3点から、(ボリュームの値は後で決めるとして) 必要な数値が(一応)計算できます。もう一度書くと、

①コレクタ電流Ic=ベース電流Ibx電流増幅率h
②コレクタ電流Ic=エミッタ電流Ie
③エミッタベース間電圧Vbe=0.7V
   ・・・の3点です。

この回路では、この3つを使わなくても良いのですが、エミッタ側に抵抗があったりして複雑になっても、常に、この3つで未知の数値を考えることができます。

この基本の考え方はよく使います。何回か出てくる間に、覚えていきましょう。

①から、ベース電流は 0.015A/100=0.00015A つまり150μA流れることによって、(5-0.7)Vの電圧降下させるのですから、R=E/I から、28.7KΩの固定抵抗をつければ良いことになります。

そして、市販の抵抗は、28.7kΩというものはないので、22kΩか33kΩを使用すればいいことになります。

(LEDに220Ωの電流制限抵抗をつけていますので、22kΩにしたとしても、LEDに電流が流れすぎて危険になることはありませんが、一般的には、電流を多く流さないように、大きめの抵抗を選ぶのが安全だと言えます。このため33kΩが正解だとしましょう)

これらの抵抗に流れる電力は小さいので、1/4Wでも、1/8Wなどの小さい抵抗器でいいでしょう。

さて、最後のボリュームの抵抗値ですが、「エイヤッ」と100kΩとしましょう。

可変抵抗ですので、もっと大きい1MΩなどでもなんでもいいのですが、ここでは、ボリュウムを回しても、LEDが点いている(あるいは、全く点かない)のなら、可変抵抗値を変えればいいだけですので、ここでは100kΩを使いますが、それがどうなるかは後で計算してみるとわかるのですが、しかし、このような「勘での値ぎめ」はたびたび必要なことです。

このようなLEDを点灯する回路では、電流値が少ないので、燃えだすことはありませんので、しばしば、思い切りで判断するのも「アリ」でしょう。

ボリュームの抵抗が0Ωなら、ベース電流は計算したように150μAで、最大抵抗値では、(5-0.7)/(100000+33000)≒33μAと計算されますね。

もしも、1MΩの可変抵抗を使うとすれば、最小電流は、(5-0.7)/(1000000+33000)から、4μAとなり、ボリュームを最大抵抗値にしたとしても、いずれにしても若干の電流が流れています。

つまり、100kΩの可変抵抗で、この33μAがLEDの明るさにどのように作用するのかわかりませんが、このままにしておくと、LEDが消えない可能性も考えられるので、それをアースに流してベース電流をなくそうという作戦にしたのが今回の回路図です。

ボリュームで抵抗値を最小にした時にコレクタ電流が最高になるのですが、この場合に、100kΩの抵抗に流れる電流は、いくらになるのでしょうか? ちょっと計算が面倒そうな感じなので、まずは測定してみましょう。・・・ 8μAでした。

これを計算で頭の中で考えるとすると、どうすればいいのでしょうか? 何か難しそうですが、ベースからエミッタに流れる時に 0.7V 低下するのが「3つ目」の考え方でした。

つまり、100kΩで0.7Vが電流が流れて0Vになるのですから、R=E/I から 0.7/100000=0.000007A、すなわち、計算では7μAが流れます。 測定値と違うのは、いろいろな少しずつの誤差のため・・・と考えればいいでしょう。次の図でイメージしてください。

検討用回路の例

そうなると、ボリュームが最小のときは、100kΩの抵抗がないとして計算した電流値が150μAは、100kΩに計算値で7μAが流れるので、ベース電流Ibは150-7=143μAがベースからエミッタ側に流れる電流値ということになります。

アースを取ることで、少しだけトランジスタのベースに流れる電流が減ることになりますが、それはともかく、考えたことが正しいかどうかは、回路を作ってテストすればいいのです。

ブレッドボードで回路を作ってみましょう

使用した部品等 LEDと2SC1815

点灯させてみた

このように組み立ててから、電流を測るために、回路の一部を切って、テスターをつないで、下の回路図に沿って測定した値を示します。

回路の実測結果

ほぼ、計画通りになっており、写真のように、ボリュームを回すと明るさが変化します。成功です。

ボリュームのアース部分については、無視して計算をしてきましたが、コレクタ電流に比べるとベースに流れる電流は小さいので、無視しても問題ないという感じの数字ですが、ボリュームを最大にしても0.034mAがベースに流れるので、増幅率が100とすれば、3.4mAがコレクタに流れることになりますので、無視できない数字ですね。

もしも、残った電流はアースに流さないと、点灯しっぱなしになってしまうのですが、初心者が回路を考える場合には、問題が起きてから考えてやってみないとわからないかもしれません。

これはこの段階では、このようなもので考えている・・・としておいてください。


【電流増幅率は・・・】 ここで、最初に、電流増幅率を100としましたが、ベース電流の最大値0.12mAとエミッタ電流の最大値11.6mAから、約97の増幅率のなっており、「エイヤッ」と決めた値も、結果的に正解だったようです。

このようなトランジスタを使って、簡単に電力増幅をすることができますので、、まず、自分の手で回路を作って、それを計算して、最後に測定して確かめるという一連のことをやっておけば、真の理解ができていくと思います。

次の記事は、少し寄り道して、2SC1815以外の、いろいろなトランジスタか使えるということを紹介しています。

→バイポーラトランジスタの互換性を見てみよう

→トランジスタを用いてDCモーターを制御する(実験しながら考え中です。しばらくお待ち下さい)

→ INDEX(目次)のページへ


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