電子回路

トランジスターの「コレクタ」と「エミッタ」の違い【定電流動作・定電圧動作】

トランジスターは、ベース電流(電圧)によって、コレクタ電流をコントロールします

しかし、エミッタも同時に、コレクタ電流とほぼ同じ電流が流れます

一見、トランジスターに出入りする、電流の向きの違いだけに思えますが・・・

一体、どう違うのでしょう

トランジスターの構造などは、コチラの記事をどうぞ

トランジスターとは何だろう?仕組みを解説します 電子回路のパーツ「トランジスター」 基本的な半導体ですが、いざ勉強しようと思うと、実はなかなか難解です 「いつかは攻略して...

トランジスターの

コレクタとエミッタには、決定的な違いがあります

トランジスターの

コレクタは「定電流動作」

エミッタは「定電圧動作」

コレクタは「定電流動作」

「定電流動作」とは負荷(抵抗)が変化しても、一定の電流を保つ動作です



実際にどんなふうになるか

ブレッドボードに回路を組んで実測しました

R2でベース電流を流します、Vbe≒0.6Vとすれば

ベース電流は(20-0.6)/2.2x106≒8.8μA

Icは1.14mA流れていますから、hFEはおよそ129です

コレクタ抵抗R1を変化させてデータをとってみました

(回路図にはありませんが、BーC間に発振防止C1500pFを挿入)

コレクタ抵抗を変えながら測定した結果のグラフです

10KΩまではICは水平で、一定電流であることがわかります

しかし、20KΩを超えると急にICが減少しました・・・

能動領域

トランジスターは「コレクタ・エミッタ間電圧(Vce)」がコレクタ抵抗(Rc)に合わせて能動的に変化し、一定の電流を保ちます(定電流動作)

今回の実験では、Rcが10KΩ以下の場合です

Vceが変化し「定電流動作」する範囲を「能動領域」と呼びます

「能動領域」にあるトランジスターのコレクタは、定電流源に近い動作をします

※能動領域では、ある程度Vceに電圧が印加される必要があります

定電流源とは・・・

  • どのような負荷(抵抗)が接続されても一定の電流を流す電源です
  • 理想定電流源のインピーダンスは「無限大」です

トランジスターのコレクタも、能動領域では定電流動作です

つまり、インピーダンスが非常に高いといえます

※インピーダンスとは、交流的な抵抗です(複素数を含みます)

能動領域ではトランジスターの

コレクタ側PN接合=逆バイアス

エミッタ側PN接合=順バイアス

になっています

能動領域は「増幅回路」などで使われます

能動領域では、hFE(hfe)の変化が少なく、コレクタ電流とベース電流の関係が

非常にリニアです(歪が少ない)

飽和領域

Rcが大きくなって「Vceが0Vに近づく」と、Vceの変化が徐々に頭打ちになります

この、Vceが0V付近で頭打ちになる領域を「飽和領域」と呼びます

今回の実験で、Rcが20KΩ以上の場合です

Vce≒0まで振れてしまっていて、Rcに電源電圧(20V)が直接印加される状態です

さすがに、Vceはマイナスにはならないので、ICはオームの法則にそって変化します

飽和領域ではトランジスターの

コレクタ側PN接合=順バイアス

エミッタ側PN接合=順バイアス

になっています

飽和領域は「スイッチング回路」などで使われます

Vce≒0V付近にすることで、コレクタ損失を少なくし

大きな電流を扱うことができます

飽和領域でも「ベース電流」を増やしていくと

比例はしませんが「Vce」は0Vに近づきます

しかし、コレクタ電流が大きくなると

どんなにベース電流を流しても、Vceが低下せず頭打ちになります

※この飽和領域でVceに残る電圧を「飽和電圧」といいます

飽和電圧が高いと、トランジスターで消費される電力(コレクタ損失)が増加し、発熱しやすくなります

大きな電流を扱う場合は、素子の放熱対策も重要です

※Vce≒0V付近の「深い飽和領域」では、スイッチングスピードが落ちます(μsオーダー)

そのため、高速ロジックIC(nsオーダー)などでは、深く飽和させない工夫をした回路もあります

トランジスターのスイッチング回路は、コチラで詳しく書きました

【マイコン出力増強】トランジスターで「スイッチング」回路を作る 前記事では、トランジスターの増幅作用を簡単な実験で確かめました せっかくなので、その知識と、オームの法則で設計できる、実用的な電...

ICーVCE特性図

トランジスターのデータシートでは、多くの場合

「ICーVCE」特性図を見ることができます

2SC1815データシートより引用

ICが少ない時は、線が「ほぼ水平」です(定電流動作でインピーダンスが高い)

ICが増えると、定電流動作から徐々に離れていきます

これは、どのトランジスターでも同じような傾向があります

負荷線

トランジスターの「IcーVCE特性図」を使って

コレクタ抵抗(Rc)を入れた時の「Vce変化」を見る方法があります

2SC1815データシートより引用(負荷線)

この線を負荷線と呼びます

負荷線を引くには・・・

電源電圧(Vcc)・コレクタ抵抗(Rc)の場合

  • A点:電源電圧(Vcc)→ これはIc=0のVce
  • B点:Vcc/Rc → これはVce=0のIc

に直線を引きます

例えば・・・

A点:電源電圧=5V

B点:5V/32Ω≒156mA

A点とB点間に直線を引きます

Rc=32Ω時、トランジスターの「Vce」と「Ic」はこの負荷線上を動いていきます

増幅回路では、負荷線を参考に「取出す波形の中心(動作点)」を決めたりします

2SC1815データシートより引用(負荷線その2)

32Ω負荷では、Vceが小さくなると、Icの傾きが大きく「上下非対称」になりやすそうです

250Ω負荷では、Icの傾きがほぼ水平で、Vceを広い範囲で使えそうです

(2SC1815は、増幅回路で大体0.1mA~10mA前後で使われる事が多い)

エミッタは「定電圧動作」

コレクタ側の「定電流動作」に対し、エミッタ側は「定電圧動作」です

定電圧源とは・・

  • どのような負荷(抵抗)が接続されても「電圧が一定」の電源です
  • 理想定電圧源のインピーダンスは「0Ω」です

トランジスターのエミッタは「定電圧動作」です

つまり、インピーダンスが非常に低いといえます

それでは、エミッタ側の動作を実験で見てみましょう

こんなふうに、ブレッドボードで配線を組みました

トランジスターは同じ2SC1815を使っています(hFE≒129)

ベース電圧(Vb)は抵抗R1とR2で分圧しています

(回路図にはありませんが、BーC間に発振防止C1500pFを挿入)

測定した回路図と測定結果のグラフです

Reが変化しても、Veはほぼ一定です

Ieが抵抗に合わせて変化すると、ベース電流(Ib)も変化します

Re=47Ωの場合、Ie≒40mA流れますが

hFE≒129ですから、Ibも310μA位必要です

Ieを流すためには、Ibが必要

トランジスターのIeを流すためには

Ic/(hFE+1)のIbが必要です

実験回路で、ベースのバイアス電流は

10V/(270+750)≒9.8mA流れています

Ibが0.31mA位流れても、バイアス電流の3%程度です

ベース電位(Vb)には影響ありません

しかし、バイアス電流が十分でない場合、Vbがズレてきます

Vbがズレれば、Veもズレます(Ve≒Vb-0.6ですので・・・)

R1=7.5KΩ R2=2.7KΩの場合

R1とR2を10倍(7.5KΩ、2.7KΩ)とした場合のデータです

ベースバイアスは980μAしか流れていません

この回路でRe=47Ωとすれば

Ib≒300μA → これはバイアスの30%位に達し、Vbの電位がズレます

結果、Veが低下して、定電圧動作に影響がでました

Vbを正確に保つことが、定電圧動作のキモ

大きなエミッタ電流(コレクタ電流)を流しても、定電圧動作を維持するには

ベース電位(Vb)を正確に保ち、必要なベース電流を供給することです

バイアス電流を増やすことにも限界があるため

一般的には、ツェナーダイオードなどを使います

実際の定電圧電源などは、もっと複雑ですが、基本の考え方は同じです

任意のコレクタ電流で「定電流動作」させる

実験を通してトランジスターは

コレクタ側=定電流動作

エミッタ側=定電圧動作

であることがわかりました、これを応用すると

コレクタ電流(Ic)を任意に決めて、定電流動作させることができます

Ic≒(Vb-0.6)/R3

コレクタ側とエミッタ側は、実は、無関係ではありません

Ie=Ic+Ib

普通はIcはIbに対して非常に大きいので

Ie≒Ic 

コレクタ電流は、ほぼエミッタ電流です

また、エミッタ側の定電圧作用で、

エミッタ抵抗(Re)一定 = エミッタ電流(Ie)一定

Ie≒Ic コレクタ電流(Ic)一定

そして、トランジスターが「能動領域」であれば

コレクタ側は「定電流動作(定電流源)」として機能します

つまり・・・

Ic≒(Ve/R3)=(Vb-0.6)/R3

そして、トランジスターが「能動領域」にあるなら

Rcが変化してもIcは一定です

ベース電位(Vb)とエミッタ抵抗(R3)を決めることで

任意にIcの値を決めることができます

これは、hFEとほぼ無関係です

エミッタ抵抗を入れると、温度変化にも強くなる

トランジスターのコレクタ電流は「温度に敏感」です

ベース電位(Vb)とエミッタ抵抗(R3)を決める時

Ve>1Vとすれば、温度によるIc変動を抑えることができます

一般的には

2.5V<Ve<1.5V

と、される場合が多いです

Veが小さいと、Ic変動を抑制する効果が弱くなります

Veが大きいと、Vceの変化できる範囲が減ってしまいます

(増幅回路では、出力振幅が取れない)

まとめ

トランジスターの

コレクター=定電流動作(定電流源)【インピーダンス大】

エミッター=定電圧動作(定電圧源)【インピーダンス小】

トランジスターの定電流動作

コレクターエミッタ間電圧(Vce)が変化する

「能動領域」で動作する

Vceが0Vに近づくと

ベース電流(Ib)を増加させても、コレクタ電流が比例増加せず

Vce変化が頭打ちになる=「飽和領域」

トランジスターの「コレクタ側」動作は、

負荷線を引くと、動作イメージが直感的にわかりやすくなる

トランジスター、エミッタ側の

「定電圧動作」はベース電位(Vb)を安定に保つことが重要

ベース電位(Vb)とエミッタ抵抗(Re)が決まれば

Icの値を任意に決めることができる

コレクタ電流(Ic)、ベース電位(Vb)、エミッタ抵抗(Re)とすれば

Ic≒(Vb-0.6)/Re

また、温度変化によるIc変動を抑制するため

1.5V<Ve<2.5V