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、実用的な電子回路、「トランジスターのスイッチング回路」作ってみたいと思います
オームの法則は、こちらのページで詳しく解説しています
トランジスターの構造や「ｈFE」などは、こちらのページが詳しいです
トランジスターのスイッチング回路とは
「増幅作用を持った電子スイッチ」です
「スイッチ」の名前の通り、マイコン出力などでON/OFFするわけですね
スイッチング回路は
①：トランジスターの増幅作用で、入力電圧/電流をより大きくすることができる
②：電子スイッチなので、メカスイッチに比べ、高速動作、高寿命
トランジスターやMOS-FETなど個別素子を使った「スイッチング回路」は
Arduinoなどの「マイコン」、74シリーズなど「デジタルIC」の出力増強に使われます
マイコンなどのデジタル回路は、3.3Vあるいは5V
マイコンやデジタルICの出力は、多くの場合3.3Vあるいは5Vです、電流も多く流せません
直接「モーター」や「リレー」といった負荷を駆動するには、全く力不足です
一部のIC製品には、出力ピンが
「オープンコレクタ」や「オープンドレイン」
タイプもあります
オープンコレクタ（ドレイン）出力は、最終段のコレクタ（ドレイン）端子がそのまま出力されています
最終段のトランジスター（MOS-FET）は、マイコン、デジタルICの電源より「高い電圧・大きな電流」を扱えるようになっています
使い方は、「スイッチング回路」と同じです（ベース側の抵抗は不要）
スイッチング回路を作る
それでは、実際にトランジスターのスイッチング回路を作ります
今回は、よく使われる「コレクタ側」に負荷を接続する回路にします
目的・仕様を決める
まず最初に、何をさせたいのかを決めます
目的は
74HCシリーズICの出力で、24Vリレーを駆動したい
目的が決まったら、具体的に電気的な仕様を決めます
74HCシリーズの出力は（5V・4ｍA）です
24Vリレーは、駆動に（24V・21ｍA）必要です
設計するスイッチング回路の仕様は
入力：5V・4ｍA未満で（電流は少ない程良い）
出力：24V・21ｍA以上（出力電流は大きいほど良い）
※そのための回路構成と、耐圧がある素子が必要
回路を選ぶ
仕様が決まったら、それを実現するための「回路」と「素子」を選びます
全体の回路イメージはこんな感じです
回路は、前述したコレクタ側に負荷を接続する「スイッチング回路」です
74HC00（NANDゲート）から出力を受けて
24Vリレーを駆動させます
抵抗：R1・R2の役割
下図のスイッチング回路で、R1・R2について考えてみましょう
R2の役割
「IN」に0.6V前後より、高い電圧がかかると
トランジスターQ1が「ON」になり、コレクタ電流が流れます
この時、抵抗R2が無いと、ベース電流が多量に流れ、トランジスターが破損します
これを防ぐたため、ベース電流を制限する役割がR2です
R1の役割
「IN」がオープン時でも、確実にOFFするようにR1を入れます
トランジスターは、わずか0.6V近くでONしますので、
R1でベースを「確実にGND電位」に引張っておくわけです
また、トランジスターがON→OFF時
コレクタ側PN接合に溜まった「電荷」を放電させる役目もあります
少しですが、OFFスピードが早くなります
R1は10KΩ～22KΩ位が一般的です
まとめると、こんな感じです
トランジスターを選ぶ
トランジスターは、負荷（リレー）の24V、21ｍA以上を十分満たすものが必要です
今回は2SC1815を選びました
2SC1815の絶対最大定格
- コレクタ・エミッタ間電圧 ：50V
- コレクタ電流 ：150ｍA
- ベース電流 ：50ｍA
- コレクタ損失 ：400ｍW（25℃）
ｈFEは100以上あれば十分でしょう
最低のｈFEを限定するため、Yランク以上にします
コレクタ損失＝VceｘIc
トランジスターの「コレクタ（C）ーエミッタ（E）」電圧（Vce）
とコレクタ電流（Iｃ）の積で、これは全て熱になります
2SC1815は、十分ベース電流を流せば
Ic=20ｍA前後では、Vce≒0.1V位です
仮にVce＝0.5Vとしても
0.5Vｘ21ｍA ≒ 10ｍWです
コレクタ損失は400ｍWですから、十分余裕があります
回路の定数を計算
まず、わかる部分から計算してみましょう
2SC1815（Y）のｈFEは最低120ですが、100として・・・
①ｈFE100で、IC＝21ｍAを流すには
21ｍA/100 ＝210μA
（IBは最低210μA必要です）
R1は一般的に「22ｋΩ～10ｋΩ」位です
今回は、22KΩにします
②R1に流れる電流I1は・・・
Vbe≒0.7、R1＝22KΩとすれば
I1＝0.7V/22KΩ ≒ 32μA
また、実際の回路では「IBを多め」に流します
③通常、最低必要なIBの1.5～2倍以上流します（オーバードライブ）
IB= 315～420μA以上
オーバードライブは、ｈFEのバラツキや温度変化などに対し
トランジスターを安定動作させるためです
上記のIBとI1を合計した電流を、74HC00から流せればよいので
④R2に流れる電流I2は・・・
420μA+32μA＝452μA
ざっくり500μA（0.5ｍA）として・・・
0.5ｍA ＜＜ 4ｍA （74HC出力電流）
十分満たしていますので、OKです
そして、R2を計算します
⑤R2を計算します
R2両端の電圧は5Vと0.7Vですから
（5-0.7）＝4.3V
R2は4.3V印加で0.5ｍA流れる抵抗ですから
4.3V/0.5ｍA＝8.6KΩ
抵抗のラインナップで近い値は・・・8.2KΩ
※8.2KΩ時の電流は、約524μA（0.524ｍA）
これで抵抗値が
R1＝22KΩ
R2＝8.2KΩ
と求められました
実験してみましょう
それでは、設計した回路をブレッドボードで組んでみます
今回使った半導体、74HC00と2SC1815です
ブレッドボード全面写真
上の電源ラインが5V（安定化電源から供給）
下の電源ラインが24Vです（左端のACアダプタジャックから供給）
左の黒い箱がリレーです
5Vと24Vのマイナス側は、配線をつなぎ「共通GND」とします
今回は中央のLEDをリレーで制御します
74HC00周辺
右の黄色線が機械スイッチにつながっています
74HC00は（PIN1・2・3）のゲートだけを使っています
未使用のゲートは
- 入力ピン＝GND
- 出力PIN＝オープン
として、誤動作を防ぎます
リレー周辺です
右からの抵抗がR2（8.2KΩ）
下（GND）へ繋がっている抵抗がR1（22KΩ）です
別角度から
今回はリレーでLEDを点灯させました
リレーは、AC100Vや、信号（スピーカー出力など）をON/OFFすることができます
原始的な手法ですが、簡単で実用的な回路です
トランジスターのVceを実測
トランジスターがOFF時：Vceにはリレー側の電源電圧（24V）が印加されます
トランジスターがON時：Vｃe＝116ｍV（0.116V)です
この時、トランジスターに触れても、発熱はないです
3.3Vでも使える回路にする
Arduino ＭＫＲシリーズなど「3.3V出力」でも使用できるよう
3.3V/5Vどちらでも使用可能な回路にしてみました
3.3Vで、I2を500μA（0.5ｍA）流すため
R2を4.7KΩにしました
I2は・・・
- 3.3V時：I2≒553μA
- 5V時 ：I2≒915μA
となります
もっと大きな電流を制御するには
トランジスターの「ダーリントン接続」です
ダーリントン接続にすると、トータルｈFEは「各トランジスターの積」になります
Q1：ｈFE100 Q2：ｈFE50として
トータルのｈFEは：100ｘ50＝5000
つまり、小さな電流で、さらに大きな電流をコントロールできるわけです
上図は「LTSpice」でシュミュレーションしたものです
5V・約700μA（0.7ｍA）の入力で、24V・1Aもの電流を制御しています！
※ただ、注意点もあります※
※Vbeは、トランジスターの段数分増える
- 2段ダーリントンでは、Vbeも2倍分（およそ1.2～1.4V位）になります
※2段目トランジスターのVceは、0.6V以下にならない
- Q2の「Vbe2」＞0.6V （Q2がONするため必要）
- Q2のベースは、Q1のエミッタにつながっている（Q1のエミッタ電位＞0.6V）
- Q1のVce≒0.1V（Q1のコレクタ電位は＞0.7V）
- そして、「Q1のコレクタ電位＝Q2のコレクタ電位」です
もし、Q1のVce＝0Vだとしても、Q2のVceは「0.6V以下」になりません
問題なのは、ダーリントン接続は、Q2のコレクタ損失（PC）が大きくなりやすい
つまり、Q2が発熱しやすいことです
- Q1がわずか1ｍW程度なのに対し
- Q2はなんと、744ｍWです
コレクタ損失（PC）の大きなトランジスターを選ぶことも必要ですし、
場合によっては、Q2に放熱対策（ヒートシンク）が必要になります
おまけ（抵抗内蔵トランジスタ）
R1・R2を内蔵したトランジスターがあります
DTCシリーズという製品から、DTC114を使ってみました
通称デジトラと呼ばれていて、DTCシリーズ以外に他メーカーの製品もあります
今回のように、比較的少ない電流をドライブする用途では、部品削減になり重宝します
ただ、もっと大きな電圧/電流を扱う場合は、自分で設計する必要がありますので
基礎を知っておくことは大切なことですね
