エレキ素人が何か考える（その21）：今さらながらトランジスタ

トランジスタの初歩

今さらながら、トランジスタ（ここではNPN型）のスイッチング機能を確認。

確認内容

トランジスタがONになると（ある程度の電流をベースに流すと）、コレクタに電流が流れ始める（エミッタへ）。回路的には次のようなもので、コレクタ部にLEDが接続されている。

一般的に、「ベース」と「エミッタ」の間の電圧が0.7V以上になると、ONになるらしい。下記サイトなど数多くのサイトで、そういった記載がある。

• トランジスタのスイッチ動作の解説とスイッチ回路の設計方法

そこで、電子ポテンショメーターを用いて、ベースに掛かる電圧を変化させ、LEDのON状況、コレクタ電流を観察する。また、ベース抵抗も変化させる（10KΩと1KΩ）。

電子ポテンショメーターを操作するソースコード

こちらの回「エレキ素人が何か考える（その６：ツェナーダイオード；失敗?）」のコードと全く同じ。Arduino互換機で制御。

#include <SPI.h>

#define W_ADDR 0x00
#define R_ADDR 0x0c
#define CS 10

void setup() {
  pinMode(CS, OUTPUT);
  SPI.begin();
  Serial.begin(9600);
  digitalPotWrite(127);  // 0: Vwb=0V;Vaw=Max   127: Vwb=Max;Vaw=0V
  delay(10);
  int r_val = digitalPotRead();
  Serial.print("Read  "); Serial.println(r_val);
}

void loop() {
  while (Serial.available()) {  // Waiting for writing data (0-127)
    String data = Serial.readStringUntil('\n');
    int w_val = data.toInt();
    Serial.print("Write "); Serial.println(w_val);
    digitalPotWrite(w_val);
    delay(10);
    int r_val = digitalPotRead();
    Serial.print("Read  "); Serial.println(r_val);
  }
  delay(10); 
}

int digitalPotWrite(int value) {
  digitalWrite(CS, LOW);
  SPI.transfer(W_ADDR);
  SPI.transfer(value);
  digitalWrite(CS, HIGH);
}

int digitalPotRead() {
  int val;
  digitalWrite(CS, LOW);
  SPI.transfer(R_ADDR);
  val = SPI.transfer(255); // Must be 255, instead of 127
  digitalWrite(CS, HIGH);
  return val;
}

シリアルコンソールから入力された数値（0-127）により、ポテンショメーターの出力電圧（ベース電圧）をコントロールするもの。

実際の状況

ブレッドボード右にあるものがトランジスタ、左にあるものが電子ポテンショメーターである。

検証

まず、PCからの入力値と測定したベース電圧(V)は下記となる。

値	10	14	15	16	17	18	19	20	25	26	27	30	40	50	127
Ｖ	0.42	0.57	0.61	0.64	0.68	0.71	0.75	0.79	0.95	0.98	1.02	1.11	1.42	1.72	4.97

LEDの点灯開始

LEDの点灯が開始される電圧は下記となった。

ベースに接続される抵抗値	ベース電圧(V)
1KΩ	0.64
10KΩ	0.68

おおよそ、0.7V程度から、トランジスタがONになることを確認。

コレクタ電流測定

ベース電圧とベースに接続される抵抗値をパラメータとして、コレクタ電流(mA)を測定してみた。

Ｖ	0.42	0.57	0.61	0.64	0.68	0.71	0.75	0.79	0.95	0.98	1.02	1.11	1.42	1.72	4.97
1KΩ	0	0	0	0.00	2.45	5.01	7.91	9.50	9.94	9.89	9.81	9.93	9.85	9.88	9.98
10KΩ	0	0	0	0	0.00	1.08	2.64	3.47	7.79	8.56	9.08	9.54	9.74	9.84	9.88

上記の”0.00”は、それぞれの抵抗値においてLEDが点灯開始した時のデータである。

• ある程度の電圧以上では、コレクタ電流値は一定値となっている。これは、今回用いたLED（最大10mA程度）の特性であろう。
• 10KΩでLEDが点灯を開始したときの次の電圧は0.71Vである。ここから単純計算。ベース電流は0.71V/10KΩ=71μA、この時のコレクタ電流は1.08mA、1.08mA/71μA=15.21が増幅率(hFE)となる。

利用したNPNトランジスタ2N3904のデータシートによると、状況により、もっと高いhFEが期待できるようである（100以上の3桁の数値も見える）。そこで、4個のLEDを並列にコレクタ部に接続し、コレクタ電流を測定。

この時の、抵抗値は10KΩ、電圧は4.97Vである。単純計算すると、

• ベース電流：4.97V/10KΩ = 497μA
• 増幅率(hFE)：39.4mA/497μA = 79

となった。おそらく、hFEの実力値はもっとありそう。

まずは、機能を確認。

EOF