楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

電界効果トランジスタFETを使うための初歩の初歩

バイポーラトランジスタと同じように、もう一つのトランジスタ「電界効果トランジスタFET」を使ってなにかをしてみましょう。

電界効果トランジスタ・・・って何?

  

難しいことは取り上げていません。ここでは、FETの初歩的な基本事項を知って、今までやってきたような、LEDやモーターなどのコントロールにつかえるかどうかを考えていこうと思います。


FETには「接合型FET(ジャンクションFET、JFETなどと書かれている場合もあります)」と「MOS型FET」があり、そのそれぞれに「Pチャンネル」と「Nチャンネル」があります。もちろん、それぞれに異なった「型番」がついています。

例えば、2SK2233(Nチャンネル)、2SJ334(Pチャンネル)などです。

バイポーラトランジスタでNPNとPNPでコンプリメンタリ・ペアとして使うものがありました。JFETの一部ではコンプリ的な使われ方をしているものもあります。しかし、MOS-FETでは、それぞれの特性も違うので、個々のものと考えればいいのでしょう。

チャンネルの違いで、FETへの電流の流し方や特性は全く違います。 ここでは、「Nチャンネル」の製品が「Pチャンネル」の製品にくらべて、たくさんあるようなので、Nチャンネルのものを取り上げて説明をします。

バイポーラの「バイ」は「2」や「複」という意味(NPN・PNPの接合)でしたが、FETは「モノポーラ(またはユニポーラ:NP・PNの接合)」という説明がされています。

このFETの大きな特徴は、

電圧で制御する素子であること 
②入力インピーダンスの高い回路を組める

・・・ というところに特徴があります。

また、バイポーラトランジスタと同様に ①増幅作用 ②スイッチング に使用できるのですが、バイポーラトランジスタとFETは、それぞれに得手不得手がありますし、回路図の図示記号も違いますし、また、使い方も異なります。

FETはバイポーラトランジスタのようにポピュラーな感じがしないかも知れませんが、特別なものではなく、非常にたくさんの用途で使われています。

バイポーラトランジスタと同じように簡単に使うことができれば、楽しいし、知っておくにこしたことはありません。

そして、今まで遊んできた用途などには、このFETのうちのMOS-FETを使うと、色々な用途に使えそうなので、そのあたりを実験をしながら紹介していきたいと思います。

私の手元には少し古いFETしか無いので、それを用いて説明しますが、バイポーラトランジスタと同様に、基本の特性の見方や考え方がわかれば、いろいろなものが使えます。

とにかく、使うときのポイントが分ればいいということなので、そのような説明をしていきましょう。


FETの記号

FETについても、いろいろな図示記号があるのですが、ここでは、BSch3VというFREEのCADソフトを使わせていただいているので、それにしたがって、下記のような記号を使います。

FETの図示記号表1

図示記号の見方

ここで使う2種類のFET

ここではこれらを使用して説明しています。 写真のように、2SK30Aは「K30A GR 8A」と書かれています。そして、2SK2231は(写真では見にくいですが)「東芝セミコンダクタのメーカーマーク・k2231 7・G」とあります。

K30Aは「2SK30A」、GRは特性(この場合は、東芝の特性区分)で、8Aはメーカーの管理番号のようです。

K2231も同様に、2SK2231で、7はロット番号、GはRoHSとの互換性があるという意味・・・のようです。(RoHSは、EU域内で使用する電気関係部品類の有害物質の使用を制限する指令で、電子工作でよく使われているCdSセルは、カドミウムが使われていることから、これに適合していません)

この2SK30Aも2SK2231は現在は製造中止になっています。

だから、2SK30Aは、新しい製品としては、2SK117、2SK246、などに、2SK2231も、2SK2232、2SK2312、2SK2313などが特性的に似通ったものですので、市販されているそれらのもので充分代替できますので、それらを購入するといいでしょう。

現在販売されている新しい製品は、どれもが、廃番となったものよりも「性能の良いもの(使用範囲が広いもの)」になっていますので、細かいことはデータシートで比較すればいいのですから、気にせずに、新しい製品を購入すればいいでしょう。

このHPにあるような低電圧低電流で、さらにラフな使い方をしている程度の使い方では、データシートで基本的な特性を見比べてみれば、いろいろな型番のものが使えるはずです。

このHPの記事では、しっかりとした製品を作るわけではないので、特に、データシートを詳しく検討する必要もありません。

基本的に最大定格内の電圧・電流であることをチェックしておけば、たとえ間違った使い方や接続の仕方をしてしまっても、トランジスタが壊れて事故になることもありません。 そして、もしも壊れても、安いものですので、あきらめられるでしょう。


FETにはバイポーラトランジスタと同様に3本の足が出ています。

2SK30A(JFET)は、大きさも形も、バイポーラNPNの2SC1815などと全く同じ外形ですので、ルーペを用意しておいて、表示を確かめて、間違わないようにしましょう。

MOS-FET Nチャンネル
(MOS-FET Nチャンネルの図示記号です)

構造の違いから、JFETとMOS-FETでは、図示記号は違います。 3本の足は、ドレインDrain、ゲートGate、ソースSource と呼ぶのは同じです。

もちろん、バイポーラトランジスタとは呼び方や図示方法は違いますが、イメージは「コレクタ=ドレイン」「ベース=ゲート」「エミッタ=ソース」という感じで、電流の流れ方もD→Sに流れますので、コレクタ→エミッタに流れるという感じですね。

つまり、FETは、G-S間の「電圧」を制御することで、D-S間の「電流」をコントロールすることができる・・・というものです。

普通は、N形(Nチャンネル)のものを「ソース接地」になるようにして使います。

(後で説明していきますが) 電圧によって「電流を流すか止めるか・・・」という「スイッチ」として使うのであれば、「エンハンストタイプ」というFETが使いやすいでしょう。

エンハンストとは、下の図のように、ゲートに加える電圧によって、急激にドレーンに流れる電流を制御できる「MOS型FET」で、それが使いやすいのですが、これらの技術的用語や内容も、バイポーラと同じように、徐々に覚えるようにしていくといいでしょう。

FETのディプレッションとエンハンスト

英和辞書で引くと、ディプレッションとは、「押さえつけられた、減衰する」という意味で、エンハンストとは「能力を高める」という意味ですので、上の図のように、ゲート・ソース間の電圧で、ドレイン電流が変化するのですが、両者では全く特性が異なります。

ディプレッションタイプは、G-S間電圧が0Vのときにドレイン電流が最大になっており、その流れる電流も多くないので、ここでは、ドレイン電流を大きく変える使い方をしたいので、「エンハンスト」タイプを使おう・・・ということになります。

バイポーラトランジスタとの大きな違いは、ゲートにかける「電圧」によって、負荷に流れる「電流」をコントロールすることができるというところを押さえておきましょう。

バーポーラトランジスタのときは、ベースに加える「電流」でコレクタ電流をコントロールしましたが、MOS-FETは、電圧を制御して、ドレイン→ソース に高電流を簡単に制御して流すことができますし、価格的にも100円以下のものも多いですから、ある意味で使いやすいでしょう。

そこでまず、「なぜMOS-FETがいいのか・・・」ですが、まずここでは、今までやってきた電子工作には、JFETは使いにくい・・・ということから説明をします。

つまり、今までのようなLEDやモーターを回すなどには、JFETが向いていないということですが、これは、「JFETが使えない」というより、そのような用途には向いていない・・・というだけのことです。

JFETは少電流のオーディオ用途向きなので使いにくい?

手元に、2SK30Aという、古い型番の、接合型FET(ジャンクションFET・JFET)がありますのでこれで説明しますが、他の物もデータシートは同じようなものになっています。

NチャンネルのJFETではその他の型番でも見方や考え方は同様ですので、これで説明します。とりあえず、特性の見方から見ていきましょう。

特性的には・・・

特性表

FETの特性表2

このFETは、主に、オーディオ用などに使われています。これは、JFETのうちの、Nチャンネルのディプレッションタイプです。

バイポーラトランジスタと違って、ともかく、FETは電圧で出力がコントロールできるので、それが強みです。

しかし、上に見るように、流せるドレイン電流が10mA以下のものがほとんどですので、このHPで扱っているような、LEDの点灯をコントロールするような場合でも、流せる電流が少なすぎるので、バイポーラトランジスタなどで増幅回路を追加するなどが必要になるので、ここでやろうとしている電子工作には、ちょっと使いにくい感じです。 (これが、JFETが使いにくい理由です)

この図の見方は、左半分の、右上がりのカーブの部分が重要です。

ゲートに「負電圧」をかけると、ドレインD→ソースS の方向に電流が流れるのですが、この図では、-0Vのときにドレイン電流が最大になり、3mA程度の電流を流すことができる・・・ということが読み取れます。

図示記号(表1参照)の中に、小さく「D」と書いてあります。 これは、JFETは、原理的に、ドレインDとソースS の「足」を入れ替えても、プラス側からマイナス側に電流が流れるので、どちらの「足」であってもいいことになるのですが、便宜的にどちらかを特定するために「D」をいれて、「この回路ではD→Sに電流が流れる」・・・ということがわかりやすくするためにDの文字を入れてあります。

そしてこの、「負電圧」になっているところが重要なポイントです。これは後で説明します。

左半分は、ドレイン・ソース間電圧が10VのときのG-S電圧とD電流を引っ張り出して表示しています。0VのときのドレインD電流が最大で、負電圧を加えていくと、D電流が少なくなっていく様子が示されています。

右半分は、D-S間の電圧をとD電流の関係を示していますが、ドレイン・ソースの電圧が10V~58Vの間では、ドレイン電流値はほとんど変化しないということが示されています。

すなわち、10-60V程度の電圧で用いる何かの器具や装置を、G-S間の電圧を変えることで電流制御ができますし、例えば、図で、-2VになればD電流が流れなくなるので、スイッチの役割になる・・・ということで、10-60V負荷をON-OFFすることができます。

そして、そのドレイン電流が最大になるのは、ゲート電圧が-0Vのときですよ・・・ということです。

JFETを使うための回路を、今までやってきたバイポーラトランジスタのイメージで書いてみると下のようなものができます。

JFETの検討用回路(ダメな回路例)

しかし、この2つの図のように、今までにやってきたような、「電源の電圧を下げてゲートに加える方法」ではダメです。

なぜなら、これでは、FETのゲートには「正電圧」が加わってしまうからです。

つまり、マイナスの電圧をかける必要があるのです。 右の図のように書き変えるとわかりやすいのですが、これでは、ゲートにはプラスの電圧が加わるので、こういう使い方では、特性が発揮できません。

今までのバイポーラトランジスタでは、ベースに加える「電流」を、電源電圧を抵抗器によって下げるとともに「電流値の制限」をさせてベースに流していたのですが、FETは電圧で制御する必要がありますし、さらに、ここでは「負電圧」が必要なので、回路の電源とは別に電源を用意する必要があります。

つまり、別の電源から負電圧を加える必要があります。

例えば、下図のように、2つの電源を用いて、2つを合体させます。

負電源をつける

左の枠が負電圧を供給する方法です。

これは私もよくわからなかったところですので、この図で、「負電圧」がドレインに加わるということをゆっくり考えてこの図を見てください。

この回路をブレッドボードに組んで、ゲート電圧・ドレイン電流を測定してみました。

回路をブレッドボードで組んでみた

-0Vのときに、4.1mAの電流が流れて、LEDが薄っすらと点灯しています。

ボリューム回して、負電圧を上げていくと、-2.2Vのときに電流が0mAになりました。つまり、電圧を下げていく(マイナス電圧を増やす)とドレイン電流は減っていき、最終的には、ドレイン電流が流れなくなります。

この回路では、220Ωの電流制限抵抗により、最大で (5-2)/220=13.6mAの電流が流れるはずですが、(この計算の仕方を忘れたら、前の記事に戻って再確認しましょう)JFETの能力で制限されて、4mA程度しか電流が流せない・・・ということです。

このために、JFETだけで何かをするとなると、ちょっと使いにくそうだ・・・という感じなのです。

それでは次に、もう一つのFETの「MOS-FET」について見てみましょう。

MOS型FETについて

手元には少し古い型番の2SK2231がありますので、これで説明しますが、WEBにある東芝のデータシートでは、廃番のために、「新しい製品には使わないでくださいね・・・」と書かれてあります。

ただ、他の型番のものを使う場合であっても、説明としては、これと同じ見方考え方でいいので、このデータシートをお借りして説明します。

2SK2331のデータシート例

青枠のところを見ておきましょう。
絶対最大定格は、絶対にこれを超えて使用してはいけないという数値です。

MOS-FETのデータシート1

この2SK2231では、5Aもの電流を流すことができるのですが、使用時の温度が150℃を超えるとFETが壊れてしまうという数字もあります。

電流が増えると発熱があるので、放熱が必要になるのです。ただし、これらの数字があるのですが、ここでやろうとしている内容は、大きな電流は流しませんので、特に気にしなくていいでしょう。

MOS-FETのデータシート例2

「ゲートのしきい値」とは、「スイッチ機能を利用するには、これ以上の電圧をゲートにかけてやる必要がある」・・・というものです。5V電源であれば問題ありません。

次に、このカタログの冒頭に、このMOS-FETは、「4V駆動」と書いてあります。(上のコピーは小さいので読めませんが・・・)

下のグラフで見ると、ドレイン-ソース間に4V以上の電圧をかけ、ゲートに2-5V程度の電圧変化を与えると、充分な電流が流れる状態になるなどが図で示されています。いちおう、4V以上の電源を使うようにするのがいいのでしょう。

その下の「オン抵抗」ですが、これは、電流が流れているときのFET自体の抵抗値です。

これはもちろん「0Ω」が理想なのですが、FETには若干の抵抗による電力ロスがあります。 そしてそれは、ゲート電圧が高いほうが、また、ドレイン電流を多く流すほうが抵抗が低くなっているところを見ておいてください。

もっとも、このHPの記事で取り扱うような電子工作で遊ぶのには、そんなに詳しい内容はいらないのですが、知っておくと、何かに役立つでしょう。

ともかく、データシートのは、すごいデータが提供されていることに驚きますね。

MOS-FETのデータシート例3

あと一つ、「ハイサイド・ローサイド」という言葉が出てくるかもしれません。

ローサイド、ハイサイド

FETに対する負荷回路の位置を示す言い方で、通常は、ローサイドで使うようにすることで考えればいいでしょう。

自動車の計装品などでは、バッテリーが1つで、車体がアースの場合は、いろいろな負荷をアースしやすいように、「ハイサイド」の回路が適していると考えられており、自動車内ではハイサイドの回路が組まれています。

一般の電子回路では、電源電圧が変わる場合も多いので、共通のアースが取りやすいということから、ローサイドの回路が一般的・・・という理由で、ローサイドスイッチとして使う使い方が普通です。

このことから、ここでは、ローサードの回路で考えることにします。

何か基本的な回路をつくって測定して動作を確かめてみましょう。

LEDを点灯させてみる

LED点灯回路例

ボリュームを回してゲートに加わる電圧を変えて、どういう状態でLEDが点灯するのかを見てみようというものです。

220ΩはLEDの電流制限抵抗です。ゲート電圧を0から5Vに可変できればいいので、100kΩは適当に選んだものです。これは、10kΩでも、1MΩでも問題ありません。

LED回路をブレッドボードで

0電圧時 MAX電圧時

測定してみると、ボリュームによって、ゲート電圧は0Vから4.89Vまで変化します。そして、約2.7Vで電流が流れ始めて、LEDが点灯し始めますが、約3.6V以上では、ずっと13.2mAになりました。

つまり、約2.7Vを境にして、負荷の電流をON-OFFできるスイッチの役割が得られている・・・ということです。

CdSセルを使えないでしょうか?

次に、100kΩの可変抵抗に変えて、CdSセルに変えてみると、どうなるでしょう? 

こちらでのページで測定したCdSセルは、光の明るさによって、250Ω~10MΩ程度まで抵抗値が変化しました。

CdSを使ってブレッドボードで 明るいとき

CdSを使った回路例

それで100kΩの可変抵抗をCdSセルに変えて回路を組んでみると、写真のように、室内でも、少し明るいと、LEDが点灯します。

電流も13.2mAと、充分に流れているようです。

CdSセルを覆って、徐々に暗い状態にしていくと、セルの抵抗が増すので電圧が下がってゆき、約2.6VでLEDが消灯し、電流は0mAになります。これは、100kΩのボリュームを使ったときとほぼ同じ電圧です。

すなわち、CdSの抵抗値の変化を利用して、2SK2331のMOS-FETは「スイッチの役割」をしている・・・という感じがわかります。

その他に何かできそうなことを考えてみよう!

これでFETの最低限の説明は終わりです。

さてこれから、これをつかって、何か遊べないか?・・・ということがこのHPの本来の目的です。

基本のスイッチ回路

スイッチの原理は、上図のような回路と考えられます。

これを、「負荷の下に直接スイッチを付けても、同じだ・・・」と考えてはいけません。トランジスタがスイッチの役目をさせるところが重要です。

つまり、バイポーラトランジスタの場合も同様ですが、小さな変化を与えることで大電流の負荷をコントロールする・・・というところに妙味があります。

以上ですが、今までやってきたことをみると、基本的には、MOS-FETは、電圧で機器(負荷)をコントロールできるので、様々なものに使えそうだ・・・というところが大事なことです。

身の回りを見回すと、スイッチやセンサーになりそうなものはたくさんあります。

上では、CdSセルを使った回路を考えましたが、サーミスタを使用すると、温度によるコントロールなどもできそうですし、また、窓辺にある金魚鉢にテスター棒を突っ込んで抵抗を測ってみたところ、40kΩ程度の抵抗値でしたので、これもつかえそう・・・ということがひらめくでしょう。

対向する金属板2枚をスイッチ代わりに使って、水のないところでは抵抗値が無限大ですが、水がスイッチまで来ると40kΩの抵抗値に下がるので、そこにかすかな電流が流れるのを利用して、水量の感知などもできるでしょう。

また、手を湿らせてテスターで抵抗を測ると150kΩでした。これは、手の湿り方や握る強さで抵抗値が変化することがわかりますので、これも何かできるでしょう。

もしも、微弱な電流電圧であるようなら、(バイポーラトランジスタでもいいのですが) ダーリントン回路を組めばいい・・・・などなど

このようなことを頭を巡らせて、いろいろなことを考えて、それをやっていくことが楽しいことで、それを楽しむのがこのHP の目的です。

既成の電子工作の回路やそれを利用したキットなどで電子工作を楽しものも楽しいのですが、「完成されすぎている」ので、面白味にかけます。

ここでは、低電力の内容しか扱いませんので、危険ではありませんので、ちょっと部品を組み替えたりして、失敗を恐れないで、いろいろ考えて試してみることを楽しんでいただけたらと思います。

結構、身の回りにも、何かありそうな感じがしませんか?

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