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零電完全理解(07) トランジスタ
2012年07月18日 (水) | 編集 |
(※ニコニコ動画「零からの電子工作」シリーズは私の作ではなく、剣菱P氏という別の方です。私は動画を見て学ぶ側です。)



いよいよトランジスタ。
以前、電動ガンの電源スイッチに使おうとして失敗し、リレースイッチに逃げました。
今なら出来るようになっている気がします・・・



零からの電子工作 第7回:トランジスタ
http://www.nicovideo.jp/watch/sm12736646



1)AND回路にLEDを3つけ、それぞれに10mA流したいとする。

7_1.jpg


とすると、分岐の前では30mA必要。
ところで前回のAND回路「74HC08」は、最大で25mA(=余裕をみて12mAで使う。)
電流がAND回路の定格を超えることになってしまいNG。

こんなとき、どうするか?

答えは、「トランジスタ」を使う。

7_2.jpg
ちなみに型番は、「2SC1815Y」。このYも大事。4)で解説。



2)トランジスタとは何か?

電流増幅器と言われたりするもの。
(「増幅」という言葉は分かりにくさの原因かもしれない。)



3)NPN型


7_3.jpg
エミッタ(E)・コレクタ(C)・ベース(B)の3本からなる。
(よくエクボと言われるが、必ずしもこの順番ではないので注意。)



7_4.jpg
イメージ図。
コレクタ(C)からエミッタ(E)へと本流があるが、
水門があり流れない。
この水門が、支流のベース(B)の水圧で開くという仕組み。

7_5.jpg
支流からチョロチョロ流れて開く水門の隙間に対し、
連動して動く本流の水門の隙間は非常に大きい。

支流にちょっと流すと、本流にドバッと流れるので、増幅回路と呼ばれる。
ちなみに電流そのものを増やすわけではないので、そもそものネーミングが間違っている。
ネーミングがややこしさを助長している。

支流と本流の流れる電流の比率を「直流電流増幅率(hFE)」と言う。



4)トランジスタが小さい電流で大きい電流を制御できる
  という特徴を使って、1)を解決する。


7_1.jpg
ロジック回路で、LEDの電源を直接制御するという回路ではなく、

7_6.jpg
ロジック回路の微量な電流で、LEDの電源であるトランジスタのゲートを開閉するという回路にする。

hFEを100とすると、

100倍して本流(C-E)に30mAを流すには、
支流(B-E)には0.3mA流せばよいとなる。


5)データシート

7_7.jpg
エミッタ・コレクタ・ベースの位置を確認。


7_8.jpg
<最大定格>
コレクタ・エミッタ間電圧: 50Vで余裕。
エミッタ・ベース間電圧:5Vでギリギリのようだが、大丈夫。
コレクタ電流:150mA。これも余裕を見て半分で使う。
ベース電流:ベースからエミッタに流せるのが50mA。
コレクタ損失:コレクタとエミッタに流れている電圧×電流の最大値=400mWを超えない。
        許容コレクタ損失は、温度によって変化する。温度が高いほど許容度が下がる。

7_9.jpg
(許容コレクタ損失図)



7_10.jpg
<電気的特性>
直流電流増幅率(hFE):
注釈を見ると、さきほどの記号Yの意味が分かる。
Y:120~240とあるが個体差があるので、基本的に小さい方の数字120を期待する。
コレクタ・エミッタ間飽和電圧:ベースに十分な電圧がかかった時の数値だが、基本無視。


6)実際の回路をデータシートに照らし合わせて検証する。


7_11.jpg
コレクタ電流:
最大 150mA(目安75mA)に対し、30mAで問題なし。

コレクタ損失:
最大 400mAに対し、5V×30mAで150mW。ということで問題なし。

7_12.jpg
ベース電流:
最大値が50mAに対し、hFEが120なので30mA÷120=0.25mA。問題なし。
この0.25mAはAND回路に対しても問題ない電流。

コレクタ・エミッタ間電圧:
最大50Vに対し、5Vしかかからないので問題なし。

7_13.jpg
エミッタ・ベース間電圧:
最大5V。
B-E間では約0.7V電圧降下される。
残りの4.3Vは外部の抵抗にかかる。

7_15.jpg
0.25mA(hFEの小さい方で見積もったので、余裕をみて倍の0.5mA)を流すとする。
AND回路とベースの間につける抵抗値は、
R=V/Iで、4.3/0.0005=8,600Ω(8.6kΩ)となる。

コレクタ・エミッタ間飽和電圧:
C-E間では飽和状態で最大0.25V、標準で0.1Vの電圧降下が起こる(コレクタ・エミッタ間飽和電圧)。
飽和状態での損失は、0.1V×30mAで3mA。問題なし。


7)実験

ベースの電源を断線すると、LEDは消える。



8)計測


7_15.jpg

エミッタ・コレクタ間電圧:98mVで、約0.1V。(想定通り。)
エミッタ・ベース間電圧:0.7V。(想定通り。)
LEDと抵抗の間の電圧:4.9V(5V-降下電圧0.1V)

7_16.jpg



9)ベースの抵抗を大きくしてみる。(8.6kΩ→100kΩ)

7_17.jpg
7_18.jpg

LEDと抵抗間の電圧が、5Vではなく、3V程度になってしまう。
理由は、ベースの電流量が下がり、エミッタに流れる電圧も下がるから。
コレクタ・エミッタ間に5V流れるところが、3Vになると、
2Vはトランジスタへの負荷となる。


7_19.jpg
もともと、5Vで10mA流すように抵抗をつけていたので、
1個あたりの抵抗は、R=5V/0.01A=500Ω(330Ω?)
抵抗1個に1V程度電圧がかかっていると想定すると(?)
I=V/R=1/330=3mA
これが3個で9mAが流れている。

トランジスタのコレクタとエミッタの間に2Vの負荷がかかっていたので、
P=2V×0.009A=0.018W=18mWとなる。
飽和の時の3mAと比べて、だいぶ負荷が生じていることが分かる。

7_20.jpg
飽和の時はゲートが開いているので勝手に電流が流れるだけだったが、
ゲートが閉じていると、ゲートに電気が引っ掛かり、負荷がかかる(発熱する)イメージ。
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コメント
この記事へのコメント
いつも楽しみに動画を見させてもらっています
ひとつ教えてもらえますか?
74hc08からの複数の出力を、他のICの入力1つに
入れる場合は、複数の出力それぞれに,
ダイオードを入れたほうがいいのでしょうか?
1Y - - - >IN
2Y - |
3Y - |
4Y - 」
2012/09/21(金) 07:41:43 | URL | hikaru #-[ 編集]
hikaruさま
コメントありがとうございます。
複数の出力が全部HIGHになったとき、
その全部が接続された入力側がどうなるかということですよね。
どうなるんでしょう??
考えたこともなかったです。
誤解があったかもしれませんが、私は「零からの電子工作」を学ぶ側で、動画の制作者は剣菱Pさんという別の方です。
質問に回答できるように勉強中ですが、まだ至らずすみません。
2012/09/21(金) 11:38:48 | URL | 二名川 #-[ 編集]
割り込み!
hikaruさん、こんにちわ、
通常、複数出力を集約する場合は多入力のICを使います、簡略的にワイヤードORをすることがありますがダイオードが入ります。
ICの出力端子がHiの時は電源に、Lowの時はGNDに内部でつながると考えてください、出力端子からは電流が出て来たり、流れ込んだりします、
HiとLowを出力しているICの出力端子同士つないでしまうと”事故発生”です。
2012/09/22(土) 12:54:24 | URL | shiogig #haeTDVwM[ 編集]
shiogigさん補足ありがとうございます。
私も勉強になってしまいました!
2012/09/22(土) 15:03:32 | URL | 二名川 #-[ 編集]
shiogigさん、二名川さん、ありがとうございました
結局、短絡は良くない、みたいな記述を東芝のwebで見た記憶があったので
ダイオードを入れて、入力側(ne555)にプルダウンして入れてみて、なんとか完成しました
or回路入れればよさそうですけど、部品もないし
スペースもないしということで・・
また、何かありましたら教えて下さい~
2012/09/24(月) 20:10:44 | URL | hikaru #-[ 編集]
ダイオードの効果的な使い方、勉強になりました。
hikaruさんがどんなガジェットを作っているのか興味津々です。完成したら教えてください!
2012/09/28(金) 02:32:48 | URL | 二名川 #-[ 編集]
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