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

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

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

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

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

この線を負荷線と呼びます

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

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

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・・・

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

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は

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