トランジスタのスイッチング回路

トランジスタのスイッチング回路

リレーと同じようなトランジスタの使い方　、トランジスタのスイッチング利用について

様々なタイプがあります。

様々なトランジスタのスイッチング回路

ベースに電流を送り込むと
トランジスタのスイッチがつながる。

図のようにベースでスイッチを入れるようなトランジスタの使い方です。

 

LED用の回路

LEDを点灯させるスイッチの役割のトランジスタの回路です。

Vf=1.8V、最大電流40mAの超高照度LEDを30mAで点灯する回路です

　

 

これで、ベースが流れればLEDは点灯します。
スイッチをつなげ、ベースに５Vがつながると、 　本流に電流が流れLEDが点灯する回路です。

 

マイコンやデジタルICにつなげてみます。

マイコンに

上図のスイッチをマイコンやデジタルIＣでONにする回路。

貧弱な電流で、超高照度LEDに30mA流す。

デジタルICのからの信号で超高照度LEDを30mAで点灯する回路です。
（ＬＥＤドライブ回路）

 

リレーに使う

 

前にでてきたリレーもこの回路で作動させることができます。
（リレードライブ回路）

 

省略されるグランド表示

グランドの配線は回路図では省略されることが多い。

 

よくこのように、
　　＋側だけしか入力、出力のが書いてない
　　回路図があります

 

 

これは、暗にＧＮＤを共通にして
このように、つなぐことです。

実際は同じＧＮＤにこのように接続することになります。

 

それでは各抵抗値はどのように決めているのでしょうか？

ちょっとした回路設計みたいな計算になりますが、その抵抗値などを求めるトランジスタのスイッチング回路の計算です。

トランジスタをスイッチ利用の回路について

スイッチング回路とは　ベースの電流を流しスイッチを入れるというスイッチとしての使い方です。

スイッチングの回路では複雑に考える必要はありません。
スイッチング回路では　トランジスタの本流をONにするのに十分な電流をベースに流せばスイッチが入ります。

電圧は5Vだが微弱な電流でＬＥＤを光らせるトランジスタのスイッチング回路を作ってみたいと思います。

トランジスタのスイッチング回路では、増幅率hfeから考えればいいです。

スイッチング回路の計算と設計

最初に、通常のLED点灯回路

 

普通にLEDを点灯させる回路です。使用するLEDは赤色、

　Vf=1.8V、最大電流40mAの超高照度LEDです。

 

計算

まず、上の回路の計算は

　LEDに電流30mA流すには　その抵抗値は

なので、

＝ 約100Ω

となります。

抵抗を100ΩにすればLEDに約３０mA流れ点灯することになります。

それではこのように、このLEDをトランジスタでスイッチを入れて点灯させる回路にします。

計算式を実験

上の普通にLEDを点灯させる回路の電流を実測してみます。

　

 

２９．２ｍA　の電流が流れています。
（計算値が　３０ｍA）

 

トランジスタ　スイッチング回路の各抵抗値の計算

素のままのＬＥＤ点灯では　３０ｍＡ流れます、

これをこのままトランジスタをスイッチ代わりに、ＯＮ、ＯＦＦさせる

トランジスタスイッチング回路を作ります。

トランジスタ　スイッチング回路に

まず、本流=コレクタ－エミッタ間に流したい必要な電流から考えます。

30mＡ程度流して超高照度LEDを点灯させるので、30mAを流せるスイッチング回路にします。

 

スイッチング回路では、このようにベースの入り口に抵抗Rbを入れます。

 

トランジスタは2SC1815のGRランクを使用するので、増幅率は200～400　です。

増幅率ｈfe:２００とすれば、目標の電流を流すためには、ベースに　30mＡ/200（増幅率）　＝0.15mＡ流せるようにすればいいでしょう。

これで単純計算で、ベースに0.15mＡ流すと　コレクタには　２００倍され、 0.15mＡ×200（増幅率）=30mA　流れることになります。

30mA以上流れるようにすればいいので、ベースには0.15mＡ以上流れればいいのですが、十分に多めに余裕を持たせ、この３倍の0.45mＡ　は流せるようにします。

ここでは0.45mＡ流れるような抵抗値を計算します。

ここではGRランクを使用です。　増幅率は200～４００。スイッチング使用では、増幅率の最低で考え、その３倍程度にします。

つまり、必要な電流よりもずっと多めの電流が流れるよう余裕を持たせることです。

ベース抵抗の計算

上のようにベースへ0.45mＡ流すベース抵抗Rbの計算は
ベースからエミッタへ流れるときには半導体の壁　約0.6Vがあるので

＝ 約10ｋΩ

これで　ベースには１０ｋΩの抵抗を入れます。

これで、0.45mＡ　流れるので、増幅率を範囲の最低の　ｈfe：２００　としても 本流コレクタのLEDには　0.45×200=90mA の電流を流すことが可能です。

これで、各抵抗値の計算は完了です。でも、設計通りいくんでしょうか？

実験しときましょう。

作った回路の実験

　

 

素のままのＬＥＤ点灯では
　電流　２９．２ｍＡ流れました
　（上の確認実験）

 

これをトランジスタのスイッチング回路でスイッチを入れる回路にすると　各部に流れる電流は？

 

• ベース:　０．４３ｍＡ
  （計算値０．４５mA）
• コレクタ:　２８ｍＡ
  （計算値３０mA）

 

ベース抵抗を半分のRb=５ｋにすると　 コレクタ　２８.４ｍＡ　という結果。

まとめ トランジスタのスイッチング回路とは

設計のような計算をしましたが、問題を解くように手順についていってやってみると、結局何をしたのかボンヤリとしかわからない　ということがよくあります。

いったい　どこの何を、どう計算したのでしょうか？

トランジスタのスイッチング回路とは

 

蛇口を
　　全開　で　ＯＮ
　　全閉　で　ＯＦＦ
　（全開、全閉だけで、半開のような調節はしない）
と　出す、止める　の２種類だけにして、蛇口のベースで開け閉めすることでしたが

 

蛇口全開にして　ドバッと出てくる水の量は、蛇口のひねり加減で調節するのではなく
このように　本流の抵抗Ｒｃ　で　全開にしたときの水の量を　本流の水道管で絞ってしまう、

というものです。（その絞り調節は本流の抵抗Ｒｃです）

ベースは蛇口の開け閉めで　全開にすると　決められた水の量が出る　というのがスイッチング回路と言えるでしょう。

その量が十分出るだけの蛇口をあけてやるのがベース電流です。

　　

全開にすると出る量が決めてあるので、それがもし蛇口半開にしたら出るんならば、全開でも半開でもどっちでも欲しい量が流れるので、蛇口のあけ具合は細かく気にする必要はないのです。

• 蛇口を全開にしたときの　ＬＥＤ点灯に必要な（流したい）電流が流れるように、本流の抵抗Ｒｃ　を決めた
• 蛇口がＯＮのとき、流したい電流が十分流れるように蛇口を開けるベースの抵抗Ｒｂ　を決めた。

そんな計算をしたことになります。

流れる量は本流の抵抗で調節し、蛇口はＯＮ、ＯＦＦに回すだけ”　という　スイッチング回路