トランジスタ

トランジスタのhfeとは?電流増幅率の求め方、ばらつき、温度特性

トランジスタのhfeのイメージ図

  • トランジスタのhfeについて知りたい
  • トランジスタのhfeの求め方と測定方法も知りたい
  • トランジスタのhfeのばらつきって何ですか?

こんな質問にお答えします。

 

 

仕事を通じて電子回路の勉強を約10年しています。

新人の頃はトランジスタのhfeもよくわかりませんでしたが、今ではわかるようになりました。

本記事でトランジスタのhfeを理解すると、データシートのどこを見れば良いか分かるようになりますよ。

3分で読めますので、ぜひ最後までご覧ください。

 

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トランジスタのhfeとは何か?

トラジスタのhfeとは、エミッタ接地のときの電流増幅率のことです。

 

トランジスタには、hパラメータ(エイチパラメータ)というトランジスタの特性を表す4つのパラメータがあります。

hi:入力インピーダンス
hr:電圧帰還率
hf:電流増幅率
ho:出力アドミッタンス

この4つの中の「hf」のことを電流増幅率と言います。

 

「hfe」の「e」がありませんが、この「e」はエミッタ接地(emitter接地)の頭文字の「e」を表しています。

 

つまり、トランジスタの「hfe」とは、エミッタ接地(e)のときの電流増幅率(hf)ということになります。

エミッタ接地とは、トランジスタのエミッタ端子をGNDに落としている(接続している)回路のこと。

トランジスタのエミッタ接地

 

一般的にトランジスタの回路は、エミッタ接地で使うことが多いので、トランジスタの電流増幅率というと「hfe」を指す場合がほとんどです。

 

トランジスタのhfeの求め方と測定方法

トランジスタのhfeはベース電流IBとコレクタ電流Icの比で求めることができます。

 

このベース電流IBとコレクタ電流Icを測定するために、以下のような回路を使用します。

 

トランジスタのhfeの測定回路

 

電源電圧Vccを決めて、可変抵抗RBを変化させたときのベース電流IBとコレクタ電流Icを測定します。

 

この時の測定結果を使って

hfe = Ic / IB

と計算すれば、トランジスタのhfeを計算できます。

 

例えば、Vcc=6[V]と決めて、可変抵抗を200~1000[Ω]の範囲で変化させたときの結果が以下になります。

 

トランジスタのhfeの測定結果

 

IBとIcが比例関係にあり、hfe=100であることが分かりますね。

 

よくある質問:

トランジスタの電流増幅率hfeを測定しましたが、理論値と比較したところ誤差が非常に大きいです。理由はなんでしょうか?

データシートと同じ測定条件で測定しても、hfeは70~700のような範囲でばらつくからです。

誤差が発生しても不思議ではありません。理論値と一致しないことは多いです。

 

このばらつきに関しては、これから説明します。

 

トランジスタのばらつきをデータシートで解説【温度特性とランク】

トランジスタのhfe-Ic特性

先程の測定結果のように、トランジスタのデータシートには、hfe-Ic特性があります。

これはIcの変化に対して、hfeがどのくらい変化するかを示したグラフです。

先程はIcが変化しても、hfe=100で一定でしたね。

 

それでは、実際のトランジスタのデータシートに載っているhfe-Ic特性はどうなっているでしょうか?

トランジスタとしては有名な東芝製の2SC1815のデータシートに記載されているhfe-Ic特性をみてみましょう。

 

トランジスタのhfe-Ic特性

東芝トランジスタ 2SC1815 のデータシートより抜粋

 

測定結果と同じく、hfeは一定ですね。

これは、先程測定したようにIBとIcが比例関係にあることを示しています。

 

しかしIcが大きくなると、30mAぐらいから急にhfeが下がっていきます。

この理由は、コレクタ電流Icは無限に大きくすることはできないからです。

 

どんなものにも限界というものはあります。

例えば、コレクタ電流Icは電源から電流を供給していますが、電源の供給能力以上の電流を流すことはできません。

また、トランジスタ自体も電流を流せる許容量があります。

 

つまり、先程も説明しましたが、hfeは、

hfe = Ic / IB

という関係にあるので、

IBが大きくなると、Icも大きくなるという比例関係にあったため、hfeが一定でしたが、

IBを大きくしても、Icが大きくならないという関係になるため、hfeの値が下がっていくのです。

 

私の経験上、トランジスタを使って回路を設計する場合は、Ic = 20mA以下を目安に使用すると、hfeを一定値で使用できる場合が多いです。

 

さて、「一定値」と言いましたが、実はトランジスタのhfeには「ばらつき」があります。

これは、コレクタ電流Icを大きくするとhfeが下がっていくこととは別の話です。

 

ばらつきの要因は、「温度特性」と「個体差」です。

 

ばらつきの要因:温度特性

2SC1815のデータシートに記載されているhfe-Ic特性をもう一度見てください。

 

トランジスタのhfeの温度特性

東芝トランジスタ 2SC1815 のデータシートより抜粋(再喝)

 

トランジスタの周囲温度 Ta が

100℃のとき、hfe = 200
25℃のとき、hfe = 150
-25℃のとき、hfe = 100

となっていることがわかります。

つまり、トランジスタの周囲の温度によって、hfeが変動しているのです。

 

トランジスタは、温度が高いほど内部の自由電子が動きやすくなるため、hfeが大きくなります。

温度によってhfeが変化するので、温度変化が激しい場所で使用する場合は注意が必要です。

hfeが室温(25℃)で150あるから大丈夫だと思って設計した回路が、冬の寒い日に、hfeが小さくなって回路が動かなくなった・・・ということがないように、温度によるhfeの変動も考慮して設計する必要があるということです。

 

ばらつきの要因:個体差

トランジスタは、個体により大きな「ばらつき」を発生します。

これは、製造工程上どうしても避けられないものです。

 

このばらつきに対応するため、トランジスタにはランクが存在します。

2SC1815の電気的特性をみてみましょう。

 

 

ランクは赤枠の部分です。

O(Orange):70~140
Y(Yellow):120~240
GR(Green):200~400
BL(Blue):350~700

と分類されています。

ちなみに、これらの色は、hfeの値を抵抗のカラーコードの順番に分類しています。

 

ばらつきを抑えるためには、自分が設計する回路に合わせて適切なhfeのランクのものを選べば良いのです。

 

例えば、hfe=100のものが欲しければ、ランク:O(Orange)のトランジスタを選びましょう。

それでも多少のばらつきは残ってしまします。

ランクO(Orange)でも、70~140の範囲でばらつきます。

 

このばらつきを、さらに抑えるには回路設計で対応することになります。

 

よくある質問:

2SC1815のO(Orange)ランクよりも、GR(Green)ランクのトランジスタを使用すると、電流は増幅され、何倍もの電流が流れるのでしょうか?

結論、関係ありません。

理由は、自分でトランジスタの回路を設計した場合、自分が設計した電流値に合わせこむというプロセスが発生するためです。

確かに、OランクよりもGRランクの方が大きな電流が流れます。

しかし、大きな電流が流れても、自分で抵抗値を変えて、設計した電流値に戻すだけなので、最終的には、OランクでもGRランクでも、電流の大きさは変わらないということになります。

 

まとめ

今回はトランジスタのhfeについて解説しました。

トランジスタのhfeについて理解することはできたでしょうか?

本記事が少しでもお役に立てば幸いです。

 

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