トランジスタのスイッチ動作

1. 回路の機能

   トランジスタがスイッチのようにONとOFFの動作をします。
   トランジスタ・スイッチのON/OFFは電圧または電流により制御します。
   また、トランジスタには電流増幅作用があるため、少ない電流で大きな電流(F_FE倍)を
   ON/OFF制御出来ます
   
   

2. 設計仕様

   (1)電源電圧(Vcc): Vcc(min)～Vcc(max)
   
   電源電圧は一般的に正確にVccである訳ではなく、ある幅で変動します。
   この変動幅内で回路の動作を保障する必要がありますが、設計値は更に
   その電源仕様よりも厳しい値にする必要があります。
   その設計値の電源電圧の最小値をVcc(min)、最大値をVcc(max)とします。
   
   (2)入力レベル(Vi)
   　Vih(min):3.5[V]
   　Vil(max):0.3[V]
   
   この回路の性質上、Vih(min)は高めに、Vil(max)は低めにした方が設計が楽になるため
   上記の値としました。
   
   (3)入力電流(Ii)
   　Iih(max):規定しません。
   　Iil(max):規定しません。
   
   トランジスタのON/OFF制御は入力電圧(Vi)で行うと考え、電流は規定しない
   ことにします。ただし、結果的にいくらになるかの計算は行います。
   
   (4)出力電流(Io):
   　トランジスタON時 ：Ion(max)
   　トランジスタOFF時：Ioff(max)
   
   OFF時はもちろん電流を流す必要はありませんが、回路設計上Ioff(max)まで
   許容して検討することにしました。
   
   
   

3. 回路図

   
   
   

4. 回路の動作原理

   (1)トランジスタのOFF動作
   バイポーラ・トランジスタにおいてベース電流I_Bを次第に減少させていくと
   コレクタ電流Icは
   Ic = h_FE * I_B
   の関係があるためIcも次第に減少していきます。
   このためコレクタの抵抗Rcの電圧降下も減少していき、出力電圧Voは
   次第に上昇しVccに近づいて行きます。
   
   やがて、I_B≒0mAになると、Ic≒0mAになるためVo≒Vccとなります。
   Ic=0とゆうことは電流が流れないので、スイッチのOFF状態と等価です。
   
   
   トランジスタの静特性 で見ると、OFF状態とゆうのは遮断領域にあることを
   意味します。
   
   
   (2)トランジスタのON動作
   バイポーラ・トランジスタにおいてベース電流I_Bを次第に増加させていくと
   コレクタ電流Icは
   Ic = h_FE * I_B
   の関係があるためIcも次第に増加していきます。
   コレクタ電流が増加すると抵抗Rcでの電圧降下が次第に大きくなりVoは低下していきます。
   Ic = Vcc/Rcまで電流が増加すると、トランジスタのコレクタ～エミッタ間電圧V_CE はほぼ0
   (厳密にはV_CE(sat))となります。よってVoもほぼ0となります。
   
   
   V_CEが0になると、もうそれ以上I_Bを増加させても
   Icは増加しなくなります。この状態を飽和状態といい、スイッチのON状態に相当します。
   トランジスタの静特性 で見ると、ON状態とゆうのは飽和領域にあることを
   意味します。
   
   ON状態で流れるコレクタ電流Icは負荷抵抗Rcで決まります。すなわち、
   Ic = (Vcc - V_CE(sat)) / Rc ≒ Vcc/Rc
   
   上記のように入力電圧Viによりトランジスタのコレクタ～エミッタ間を
   スイッチのようにONとOFFの状態に制御することが出来ます。
   (この回路では実際のスイッチとは異なり、電流はコレクタからエミッタ方向にしか
   流すことは出来ません。双方向に電流を流すためには回路上の工夫が必要です。)
   
   
   

5. 回路定数の設計

   1. トランジスタの選定
      
      (1)コレクタ・エミッタ間電圧(V_CEO)：
      トランジスタがOFFのとき、コレクタ・エミッタ間には電源電圧:Vccが
      印加されます。従って、少なくともV_CEO＞Vcc(max)である品種
      を選定する必要があります。
      
      (2)コレクタ電流(Ic)：
      トランジスタがONのとき、コレクタには出力電流Ion(max)が流れ込みます。
      従って、コレクタ電流Icの最大定格が少なくてもIon(max)より大きい品種を選びます。
      
      
      
   2. R_Bの決定
      
      (1)トランジスタON動作時
      
      出力電流Ion(max)を流すために十分なベース電流I_Bが流れるように
      R_Bを設定します。トランジスタの特性式より
      Ic = h_FE * I_B
      
      ですから、 Ic(min) ＞ Ion(max)とすればよいので
      Ic(min) = h_FE(min) * I_BON(min) ＞　Ion(max)
      ∴I_BON(min) ＞　Ion(max) / h_FE(min)
      
      ですが、トランジスタを確実に飽和状態とするためには必要なベース電流の
      5～10倍のI_Bを流します。言い換えると、飽和状態ではh_FEが
      1/5～1/10になると考えます。ここではN倍のI_Bを流すとすれば、上式は
      I_BON(min) = N * Ion(max) / h_FE(min)・・・・・①
      
      となります。一方、回路構成より
      I_BON = (Vih - V_BE)/R_B
      ∴I_BON(min) = {Vih(min) - V_BE(max)}/R_B(max)
      
      です。従って
      R_B(max) = {Vih(min) - V_BE(max)}/I_BON(min)
      
      この式に①式を代入すると、
      R_B(max) = {Vih(min) - V_BE(max)} * h_FE(min) / {N * Ion(max)}
      
      抵抗器の誤差をξとすればR_B(max) = R_B*(1 + ξ)なので
      R_B = {Vih(min) - V_BE(max)} * h_FE(min) / {(1+ξ) * N * Ion(max)}・・・・・(*)
      
      (2)トランジスタOFF動作時
      通常は、トランジスタのON条件からR_Bを決定すればそれで終わりですが
      ここではOFF条件を考えてみます。
      
      出力電流をIoff(max)以下にするためのI_BOFF(max)を検討します。
      トランジスタの特性式より
      Ic = h_FE * I_B
      
      ですから、 Ic(max) ＜ Ioff(max)とすればよいので
      Ic(max) = h_FE(max) * I_BOFF(max) ＜　Ioff(max)
      ∴I_BOFF(max) ＜　Ioff(max) / h_FE(max)　・・・・・②
      
      となります。一方、回路構成より
      I_BOFF = (Vil - V_BE)/R_B
      ∴I_BOFF(max) = {Vil(max) - V_BE(min)} / R_B(min)
      
      です。この式を②式を代入すると、
      {Vil(max) - V_BE(min)} / R_B(min) ＜　Ioff(max) / h_FE(max)
      
      従って
      R_B(min) ＞ {Vil(max) - V_BE(min)} * h_FE(max) / Ioff(max)
      
      抵抗器の誤差をξとすればR_B(min) = R_B*(1 - ξ)なので
      R_B ＞ {Vil(max) - V_BE(min)} * h_FE(max) / {(1-ξ) * Ioff(max)}
      
      この式から、もし分母のIoff(max)を0にしてしまうと、分子は∞となってしまいます。
      これを防ぐためには分子も0にする必要があります。すなわち、Vil(max) = V_BE(min)
      とする必要があります。これは、Vil(max)はV_BE(min)より高くなる仕様は
      実現出来ないことになります。
      
      しかし、もし、Vil(max)＜V_BE(min)であるならば、
      R_Bを決める式は(*)のみで決定してよいと考えられます。
      
      ところで、このV_BE(min)は0.6～0.8[V]と考えたくなりますが、
      そうではありません。V_BE(min)が0.6～0.8[V]となるのは
      トランジスタが能動状態のときの話で、I_Bが減少して
      遮断状態に近づくと下図のようにV_BEは0[V]に近づいていきます。
      
      
      そうるすと、Ioff(max)=0とするためにはI_B=0とする必要がありましたが
      そのためには、V_BE=0、すなわちVil=0[V]としなければなりません。
      実際には、V_BE=0.2～0.3[V]のあたりでIoff(max)≒0となりますが
      この結果トランジスタをOFFさせるためのVil(max)は比較的0[V]に近い値となります。
      (このVil(max)が机上の計算の段階でどの程度になるかを一般的には
      計算困難と思われます。V_BE-I_B特性を指数関数で近似すると
      計算できそうですが、温度の影響を受けるので厳密な計算をして
      もワーストの値を確定するのは難しいと考えます。)
      
      
      (3)ベース電流I_BON(max)の計算
      
      
   
   

6. 課題

   1. スイッチング特性(AC特性)の検討
      
   
   

7. 参考文献

   なし
   
   
   

8. 関連項目

   1. エミッタ接地回路におけるトランジスタの静特性