トランジスタ

トランジスタの使い方と用途【使用例:PNPとフォトトランジスタ】

トランジスタの使い方のイメージ図

  • トランジスタの使い方や使用例を知りたい
  • PNPトランジスタ、フォトトランジスタ、ダーリントントランジスタ、デジタルトランジスタ・・・、色々なトランジスタがあるけど、どのような用途があるの?

このような疑問にお答えします。

 

 

本記事を書いている私は電子回路設計歴10年です。

電子回路を設計するとき、トランジスタはいつも使いますね。
その経験に基づいて、様々なトランジスタの使い方を解説します。

5分程度で読めますので、ぜひご覧ください。

 

トランジスタの使い方は「増幅」と「スイッチ」

トランジスタは以下の2つの使い方があります。

  • 増幅
  • スイッチ

 

電流の増幅については、

1mAをトランジスタに入力すると100mAを出力する

というような使い方です。

 

また、スイッチについては、

トランジスタに信号を入力する → トランジスタからONを出力する
トランジスタに信号を入力しない → トランジスタからOFFを出力する

というような使い方です。

 

このようにトランジスタは「スイッチ」や「増幅」という用途で使うことができます。

具体的な使用例は、以下の記事で解説してるので、参考にどうぞ。

» トランジスタとは?トランジスタの仕組みをわかりやすく解説

 

よくある質問1:
トランジスタには、エミッタ、ベース、コレクタがありますが、どの2つの間に電流を流せば、どの2つが導通するのですか?

ベース-エミッタ間に電流を流せば、コレクタ-エミッタ間が導通します。

ベースが+、エミッタが-です。

トランジスタの導通させる使い方

 

よくある質問2:
トランジスタの入力と導通する出力の定格電圧、定格電流はどのくらいですか?

代表的なトランジスタ 2SC1815 のデータシートを見てみましょう。

 

絶対最大定格(Ta=25℃)
トランジスタの絶対最大定格

東芝トランジスタ 2SC1815 のデータシートより抜粋

入力の定格電圧 → エミッタ-ベース間電圧:5V
入力の定格電流 → ベース電流:50mA

出力の定格電圧 → コレクタ-エミッタ間電圧:50V
出力の定格電流 → コレクタ電流:150mA

となっています。

ただし、この値はトランジスタによって様々なので、使用するトランジスタのデータシートを必ず確認するようにしましょう。

 

PNPトランジスタの使い方

これまで解説したのはNPNトランジスタですが、PNPトランジスタの使い方も「増幅」と「スイッチ」です。

しかし、全く同じ使い方をするわけではありません。

「スイッチ」を例として、使い方の違いを解説します。

 

PNPとNPNトランジスタの使い方の違い

トランジスタで、LEDを点灯する用途を考えてみます。

 

PNPとNPNトランジスタの違い

左図:PNPトランジスタのLED点灯回路
右図:NPNトランジスタのLED点灯回路

 

使い方の違いは、

PNPトランジスタ → 電源側
NPNトランジスタ → GND側

という配置になります。

 

両方ともLEDを点灯できるので、
NPNトランジスタの使い方だけ知っていれば良いのでは?
と思うかもしれません。

 

しかし、以下の2つの特徴をもったLEDは、NPNではなく、PNPトランジスタで点灯します。

  • RGBフルカラーLED
  • カソードコモン

秋月電子で入手できるLED『OSTA5131A』の使用例で解説します。

 

RGBフルカラーLED

RGBフルカラーLEDの外観図

RGBフルカラーLEDの外観図
OSTA5131A のデータシートより抜粋

RGBフルカラーLEDには、LED1個の中に、

緑(G:グリーン)のLED
青(B:ブルー)のLED
赤(R:レッド)のLED

が内蔵されています。

 

RGBフルカラーLEDの回路図

 

つまり、

緑のLEDに電流を流す → RGBフルカラーLEDは緑に点灯
青のLEDに電流を流す → RGBフルカラーLEDは青に点灯
赤のLEDに電流を流す → RGBフルカラーLEDは赤に点灯

ということです。

 

この3色が内蔵されたRGBフルカラーLEDが1個あれば、様々な色に点灯できます。

なお、図の①~④の番号は、「RGBフルカラーLEDの外観図」の端子番号①~④のことです。

 

カソードコモン

カソードコモンとは、3色LEDの「カソード側が接続されている」ということです。

 

RGBフルカラーLEDのカソードコモン

 

簡単に説明しますと、LEDにはアノードからカソードに電流が流れます。

カソードコモンは、3色LEDのカソードが内部で接続されているのです。

 

それでは、なぜ「RGBフルカラーLED 」「カソードコモン」のLEDだと、PNPトランジスタが必要なのか、みていきます。

 

NPNトランジスタで点灯すると、色を変えられない

NPNトランジスタのRGBフルカラーLED点灯回路

NPNトランジスタでLEDを点灯する場合、トランジスタはGND側になります。

これでLEDを点灯すると、3色のLEDに電流が流れ、白色に点灯します。
(赤、緑、青が全て光ると白色になる)

 

つまり、3色を同時に点灯することはできますが、赤、緑、青の1つずつ点灯することができません。

しかし、PNPトランジスタなら、それぞれの色のLEDを点灯することができます。

 

PNPトランジスタなら色を変えられる

PNPトランジスタのRGBフルカラーLED点灯回路

PNPトランジスタで点灯する場合は、上図のような回路になります。

トランジスタの数は増えますが、3色のLEDに流す電流をコントロールできるので、赤、緑、青に光らせることができます。

例えば、赤色に点灯する場合は、赤色のLEDに繋がるPNPトランジスタをONにして電流を流せば良いのです。

なので、「RGBフルカラーLED 」「カソードコモン」のLEDには、PNPトランジスタが必要になります。

 

 

フォトトランジスタの使い方

フォトトランジスタは光を検出できる

フォトトランジスタも使い方としては「増幅」と「スイッチ」なのですが、トランジスタとの違いは、光を検出できることです。

なぜなら、フォトトランジスタには光を電流に変換する部品があるからです。
(これをフォトダイオードと言います。)

 

具体的に解説すると、トランジスタは、
ベース端子に電流を入力することで、コレクタ-エミッタ間が導通し電流が流れます。

 

NPNトランジスタ

 

それに対してフォトトランジスタは、
ベース-コレクタ間に光を電流に変換する部品があり、この部品に光を当てると電流が流れます。

その結果、ベース端子に電流が流れ、コレクタ-エミッタ間が導通し電流が流れます。

 

フォトトランジスタの等価回路

 

なので、フォトトランジスタは光を検出することができます。

 

「スイッチ」を例として、具体的な使用例を解説します。

 

フォトトランジスタをスイッチとして使う用途

フォトトランジスタをスイッチとして使うことで、遠くにあるライトの点灯/消灯をコントロールすることができます。

 

なぜなら、

フォトトランジスタが光を検出する → ライトをONする
フォトトランジスタが光を検出しない → ライトをOFFする

という使い方ができるから。

 

具体的には、以下のような回路で検出できます。

 

フォトトランジスタの使用例

 

送信機から光を発射して、その光をフォトトランジスタが検出すると、コレクタ-エミッタ間が導通します。

コレクタ-エミッタ間が導通するため、CPUには電源が入力されます。

 

それに対して、送信機から光を発射しないと、フォトトランジスタが光を検出しないので、コレクタ-エミッタ間が導通しません。

なので、プルダウン抵抗(GNDに接続している抵抗)によって、CPUにはGND(0V)が入力されます。

 

つまり、

CPUに電源を入力 → ライトをON(点灯)する
CPUにGND(0V)を入力 → ライトをOFF(消灯)する

というようにCPUでコントロールします。

 

このようにフォトトランジスタをスイッチのように使うことで、遠くのライトを点灯したり、消灯したりすることができます。

使用例としては、蛍光灯やテレビをリモコンでON/OFFするような使い方ができますね。

 

 

デジタルトランジスタ(デジトラ)の使い方

デジタルトランジスタは、トランジスタと同じく、スイッチのような用途に使うことができます。

トランジスタをスイッチとして使用するとき、ベース端子に抵抗を接続したり、ベース-エミッタ間に抵抗を接続したりしますが、デジタルトランジスタを使用すると、これらの抵抗を接続する必要がありません。

なぜなら、内部に抵抗を内蔵しているからです。

 

デジタルトランジスタ

 

内部に抵抗を内蔵していると、以下のメリットがあります。

  1. 入力電圧を入力電流に変換できる
  2. ノイズ電流による誤動作を防止する
  3. 回路を小型化する

1 と 2 は抵抗を内蔵しているメリットというよりは、トランジスタに抵抗を接続するメリットといった方が正確です。

純粋に抵抗を内蔵しているメリットは 3 になります。

 

具体的に解説します。

 

1. 入力電圧を入力電流に変換できる

トランジスタは、電流を入力することで動作します。

しかし入力信号は、ほとんど電圧です。

 

トランジスタのベース端子に抵抗R1があると、入力電圧を入力電流に変換することができます。

実際に、デジタルトランジスタ DTC143EL で入力電圧を電流に変換します。

 

デジタルトランジスタの回路図記号
DTC143EL のデータシートより抜粋

 

電気的特性(Tq=25℃)

デジタルトランジスタの電気的特性
DTC143EL のデータシートより抜粋

 

R1 = typ 4.7kΩ、R2/R1 = 1 となっているので、

R2 = R1 = 4.7kΩ

となります。

また、トランジスタのベース-エミッタ間の電圧は、一般的に 0.7V程度です。

 

よって、以下のように変換できます。

 

デジタルトランジスタの電圧を電流に変換

 

入力電圧を 3.3V とすると、

R1に流れる電流 I1 = ( 3.3V– 0.7V ) / 4.7kΩ = 0.55mA

となります。

 

つまり、

入力電圧 3.3V → 入力電流 0.55mA

と変換することができました。

 

なお、入力電流は 0.55mA ですが、
トランジスタのベース端子に入力される電流は、もう少し小さい値になります。

なぜなら、ベース-エミッタ間にR2(4.7kΩ)の抵抗に電流が流れるからです。

 

どのくらいかというと、

R2に流れる電流 I2 = 0.7V / 4.7kΩ = 0.15mA

なので、

トランジスタのベース電流 IB = 0.55mA – 0.15mA = 0.40mA

となります。

 

いずれにせよ、入力電圧を入力電流に変換できます。

 

2. ノイズ電流による誤動作を防止する

ノイズ電流は「流れてほしくない電流」なのですが、ベース端子に流れてしまうことがあり、トランジスタを誤動作させることがあります。

 

トランジスタのノイズ電流による誤動作

 

「誤動作させることがある」というのは、

ノイズ電流によって、トランジスタが誤動作しないかもしれない

ということです。

なぜなら、ノイズ電流は、電流の大きさが小さいから。

トランジスタを動作させる電流の大きさでなければ、トランジスタは誤動作しません。

 

しかし、ベース端子にノイズ電流が侵入すると、トランジスタを通過してしまうため、絶対に誤動作しないとは言い切れないのです。

 

そこで、誤動作しないようにするために「ベース-エミッタ間に抵抗を接続する」という方法があります。

 

トランジスタの誤動作対策

 

この方法であれば、トランジスタにノイズ電流は流れず、抵抗R2にノイズ電流が流れるので、トランジスタが誤動作しなくなります。

なので、ベース-エミッタ間の抵抗R2は、トランジスタの誤動作を防止する役割があります。

 

「本当にノイズ電流は、トランジスタのベース端子ではなく、ベース-エミッタ間の抵抗R2に流れるの?」

と思うかもしれません。

 

実際にノイズ電流の大半は抵抗R2に流れます。

それは、R2の抵抗値の方が小さいからです。

 

具体的に解説するため、ノイズ電流が1uAのときのトランジスタの抵抗値を考えてみます。

仮にトランジスタのベース端子に 1uA が全て流れるとすると、
ベース-エミッタ間の電圧は 0.7V 固定なので、

トランジスタの抵抗値 = 0.7V / 1uA = 700kΩ

となります。

DTC143ELのベース-エミッタ間の抵抗R2は 4.7kΩ でした。

100倍も大きな値です。

 

電流は抵抗値の小さい方に流れようとしますので、ノイズ電流は、ほとんど抵抗R2を流れるということになります。

なので、ベース端子には、ほとんどノイズ電流は流れず、トランジスタは誤動作しにくくなります。

 

3. 回路を小型化する

抵抗を内蔵したことにより、回路を小型化できます。

例えば、デジタルトランジスタ DTC143EL は抵抗を内蔵していますが、有名な東芝のトランジスタ 2SC1815 とほとんど同じサイズです。

つまり、トランジスタと同じサイズのまま、抵抗を削減できるので、回路を小型化することができます。

 

 

ダーリントントランジスタの使い方

ダーリントントランジスタは、大きな電流を流す使い方をします。

なぜなら、トランジスタを2個接続することで、電流増幅率を大きくすることができるからです。

 

ダーリントントランジスタの使い方

 

具体的にいうと、

トランジスタ1個目の電流増幅率 → hfe1
トランジスタ2個目の電流増幅率 → hfe2

とすると、

ダーリントントランジスタの電流増幅率 hfe = hfe1 × hfe2

となり、電流増幅率を大きくすることができます。

 

なので、ダーリントントランジスタは大きな電流を流す使い方をします。

 

ダーリントントランジスタの使い方を理解したい方は、以下の記事を参考にどうぞ。

使用例を用いて、より詳しく解説しています。

» ダーリントントランジスタを使った電子回路の問題を解く方法

 

まとめ

今回は、様々なトランジスタの使い方について解説しました。

いろいろなトランジスタの使い方について理解できたでしょうか?

トランジスタには、色々な用途や使用例があるので、それらの理解に本記事が少しでもお役に立てば幸いです。

 

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