トランジスタ

科目：

一般
トランジスタの動作
スイッチとしてのトランジスタ
アンプとしてのトランジスタ
トランジスタ特性
特性のある回路例
ダーリントントランジスタ

一般：
トランジスタには 2 つの異なる用途があり、次のように使用されます。

アンプ (オーディオアンプを思い浮かべてください)
スイッチ (トランジスタは大電力を非常に素早く切り替えることができ、特に自動車の制御装置に使用されます)。

トランジスタは電流で制御されます。たとえば、マイクロプロセッサでは、熱の発生により電流をできるだけ低く抑えたいと考えられます。これにはMOSFETがよく使われます。

トランジスタにはNPNトランジスタとPNPトランジスタの2種類があります。これらについては以下で説明します。

NPNトランジスタ：

B は「ベース」、C は「コレクタ」、E は「エミッタ」を表します。
NPN トランジスタの場合、矢印はトランジスタから離れる方向を指します。このトランジスタは、エミッタがグランドに接続される「グランド回路」の場合によく使用されます。

PNPトランジスタ：

PNP トランジスタの場合、矢印はトランジスタの方向を指します。 PNP の便利なニーモニックは「Arrow to Plate」です。

トランジスタの動作:
自動車技術では、トランジスタはスイッチとして最もよく使用されるため、これについてさらに詳しく説明します。 NPNトランジスタを例に挙げます。

画像では、左側にベースがあり、コレクタの上、エミッタの下にあります。基本電流が流れ始めると (青い矢印)、エミッタに向かって流れます。これにより、コレクタ電流もエミッタに流れます。ベース電流がなくなるとすぐに、コレクタからエミッタへの電流も止まります。
基本電流の半分が流れると、(I max.と比較して) 電流の半分も流れます。したがって、トランジスタを介してスイッチングされる電流 (C から E) が B の高さに完全に依存していることがはっきりとわかります。
トランジスタには、PN 遷移による電圧損失が常に発生します。ベースとエミッタ間は0,7ボルト、コレクタとエミッタ間は0,3ボルトです。

スイッチとしてのトランジスタ:
次の例では、12 ボルト / 5 ワットのランプがトランジスタで制御されます。 UB1 (電圧源 1) の電圧は 12 ボルトのバッテリー電圧です。ランプはアースに接続されています。トランジスタのベースは UB2 で制御されます。 2ボルトの「電圧源6」。
コレクタ - エミッタ (UCE) 間の損失電圧は 0,3 ボルト、ベース - エミッタ (UBE) 間の損失電圧は 0,7 ボルトです。これが以下の計算に反映されることを見てみましょう。増幅率は 200 に設定されています。これは常に異なる可能性があります。ゲイン係数は、ベース電流とコレクタ - エミッタ間電流の比です。

回路は必ず一定の抵抗値（上図のRB）を持って構築する必要があります。この抵抗が存在しない場合、トランジスタはすぐに故障します。抵抗 RB が持つべき値は、すべての要因によって異なります。つまり、UB1 と UB2 の両方の電圧とコンポーネント (抵抗またはランプ) に必要な電流などです。次に、負荷抵抗 RB を計算します。

負荷抵抗 RB を計算するには、まずランプを通る抵抗を計算する必要があります。

抵抗 RL がわかったので、コレクタ電流 (IC) を計算できます。

UCEsat は「飽和」、言い換えれば「飽和」の略です。飽和。トランジスタが導通するとすぐに、点 C と点 E (コレクタ – エミッタ) の間に 0,3 ボルトの電圧降下が発生します。

次のステップは、基本電流 (IB) を決定することです。

各トランジスタ回路には 1,5 x IB の安全マージン (IBK) が適用されます。したがって、IB の値を再度 1,5 倍する必要があります。この理由については後述する。
ベース電流はコレクタ - エミッタ間電流のわずか 12% です。トランジスタは小さな低音電流から大きな主電流に変えることができることがはっきりとわかります。

図内のすべての電流がわかったので、抵抗 RB を計算できます。

UBE はベースとエミッタ間の電圧です。トランジスタの導電性材料により、ポイント B と E の間には常に 0,7 ボルトの電圧降下が発生します。

正確に 1,74k (キロオーム) の標準抵抗器はありません。したがって、異なる値の標準抵抗を選択する必要があります。 E12 シリーズの利用可能な抵抗から選択する必要があります。

必要な抵抗の 1,74k は 1,5k ～ 1,8k です。その場合、より低い抵抗値を選択する必要があります。 1,5kの場合。これは、コンポーネントの経年劣化や磨耗が回路内の電流に影響を与えないようにするためです。

アンプとしてのトランジスタ:
トランジスタはアンプとして使用できます。ベース電流はポテンショメータを回すことで変更できます。ベース電流を変化させると、ゲイン電圧が変化し、コレクタ - エミッタ間の電圧が変化します。

トランジスタ特性:
NPN トランジスタの特性は次の図を参照してください。

第 1 象限 (右上) = UCE – IC
線は最大 0,3 ボルトまで上向きに傾斜しています。この領域が UCEsat (トランジスタ飽和) です。その後はほぼ水平にラインが走ります。

第 2 象限 (左上) = IB – IC
UB と IC 間の接続をここに示します。 IC = HFE x IB、この特性では HFE= 10 となるため、IC は IB の 10 倍になります。 IB = 1,5 x IBK の安全率はまだ考慮されていません。

第 3 象限 (左下) = UBE – IB
トランジスタのベースとエミッタ間の降下電圧は、ダイオードのしきい値電圧です。しきい値電圧は 0,7 ボルトです。この電圧からトランジスタは導通を開始し、ベース電流 IB が流れ始めます。これも特性に遡ることができます。

特性のある回路例:
次に、関連するトランジスタ特性を備えた (単純な) 回路例を見てみましょう。ここには IB = 1,5 x IBK が含まれており、IB の軸上に水平線が表示されます。以下の回路では、UB1 はバッテリー電圧、UBE (ベース-エミッター電圧) は制御デバイスのスイッチまたは信号から来ます。 UBE の電流を計算するには、まず電流 IC (コレクタ電流) を計算する必要があります。

これで、トランジスタ (前述の UB15 および RB を使用) が完全に導通するには、安全率を含めて 1mA の電流がトランジスタのベースに流れなければならないことが分かりました。その後、特性を完成させることができます。

この特性では、IB (ベース上の電流) が 10mA に増加していることがわかります。この部分は 0 ～ 10 mA で、次の式で計算されます: IB = IC : HFE。その後、ラインは 10 ～ 15mA まで完全に水平に伸びます。この部分はゲイン係数 1,5 です (IB = 1,5 x IBK の計算から)。ベース電流が15mAの場合、コレクタ電流(IC)は1000mA流れます。

トランジスタは電流で制御されます。たとえば、マイクロプロセッサでは、発熱のため電流をできるだけ低く抑えたいと考えられます。これには多くの場合、次のものが含まれます。 MOSFET 行き過ぎ。

ダーリントントランジスタ:
制御デバイスはベース電流をトランジスタに送ります。トランジスタは、制御装置によって 0,1 ～ 0,5 mA の電流で導通させることができます。大電流を必要とするアクチュエーターを制御したい場合、ECUではトランジスタに必要な電流を供給できません。イグニッションコイルの一次電流は約8アンペアです。トランジスタを導通させるには、制御電流を増幅する必要があります。これにより、マイクロプロセッサがトランジスタに必要な電流を供給できないという問題が発生します。

ダーリントントランジスタを使用すると、ECU からの小さな制御電流を使用して、アクチュエータへの大電流を切り替えることができます。

ダーリントントランジスタは、XNUMX つのハウジング内に接続された XNUMX つのトランジスタで構成されています。
T1 のコレクタ - エミッタ電流は T2 のベース電流を供給します。両方のトランジスタのゲイン係数を乗算できるため、ゲイン係数が大きくなります。
多くの場合、T1 の非常に小さなベース電流 (ミリアンペアのわずか 2 分の XNUMX) で、TXNUMX を導通させるのに十分です。

ダーリントントランジスタの電流利得係数 (Hfed) は、多くの場合 1000 ～ 10.000 の間です。ダーリントントランジスタのゲイン係数を計算する式は次のとおりです。

Hfed = Hfe1 * Hfe2

利点: 大きな電流増幅率 (Hfed) のおかげで、ダーリントントランジスタを導通させるには小さな制御電流で十分です。
欠点: ダーリントン回路のベース-エミッタ電圧は、単一トランジスタの XNUMX 倍です。したがって、ダーリントントランジスタの降下電圧は、単一のトランジスタの降下電圧よりもかなり大きくなります。

このページの「出力信号」セクションインターフェース回路ダーリントントランジスタの例と応用例が示されています。