- トランジスタの仕組みと役割を知りたい。
- トランジスタはどのように使われているの？
- ディジタル回路で使われるMIL記号は、トランジスタでできているの？
このような疑問にお答えします。
電子回路を10年、仕事を通じて勉強しています。
トランジスタは最初に勉強する部品といっても過言ではありません。
色々な回路で使われるほど基本的な部品なので、わかりやすく説明します。
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トランジスタとは
トランジスタとは以下の特徴をもつ電子部品です。
- コレクタ端子、エミッタ端子、ベース端子の３つの端子から構成される
- 電流を増幅することができる
- スイッチのようにON/OFFする素子として利用できる
なお、ここでいうトランジスタはバイポーラトランジスタのことです。
トランジスタの仕組み
トランジスタは、ベース端子に電流を流すことで動作します。
理由は、ベース端子に電流を流すと、電流の流れを止める「空乏層」という領域がほとんどなくなるからです。
トランジスタには、NPNトランジスタとPNPトランジスタがありますが、
ここでは良く使われるNPNトランジスタで動作を説明します。
NPNトランジスタ
NPNトランジスタは、ベース端子に電流を流さないと「空乏層」という領域ができ、電流を流すことができません。
ベース電流に電流を流すと「空乏層」という領域がほとんどなくなるので、電流を流すことができます。
このように、ベース端子に電流を流すとトランジスタは動作することができます。
この仕組みを利用して、トランジスタは電流を増幅したり、スイッチのようにON/OFFしたりすることができます。
トランジスタの２つの役割
電子回路におけるトランジスタの役割は２つです。
- 電流を増幅する
- スイッチのようにON/OFFする
電流を増幅する
トランジスタには増幅率という特性があります。
例えば、増幅率が100だったとします。
ベース端子に1mAを流すと、コレクタからエミッタに100mAを流すことができます。
これは、ベース端子の電流 1mA × 増幅率 100 = 100mA ということです。
このように、トランジスタを使うと、電流を増幅することができます。
スイッチのようにON/OFFする
トランジスタはスイッチのように動作する性質があります。
ベース端子に電流を流さないと、コレクタからエミッタへ電流が流れないことは、これまで説明した通りです。
このトランジスタをスイッチに置き変えてみます。
スイッチをOFFすると、同じようにコレクタからエミッタへ電流が流れません。
また、ベース端子に電流を流すと、コレクタからエミッタへ電流が流れますよね。
このトランジスタもスイッチに置き変えてみます。
スイッチをONすると、同じようにコレクタからエミッタへ電流が流れます。
つまり、ベース端子に電流を流すか流さないかによって、コレクタ端子とエミッタ端子の間をスイッチのようにON/OFFすることができます。
このようにトランジスタは電子回路において「電流を増幅する」「スイッチのようにON/OFFする」という使い方をします。
トランジスタの使用方法
トランジスタは「電流を増幅する」「スイッチのようにON/OFFする」という使い方できることが分かりました。
これらが実際に使われている回路として、一番わかりやすいのがLEDの点灯回路です。
500mAで点灯するパワーLEDを例に説明します。
マイコンから出力できる電流はせいぜい数十mA程度なので、500mAのLEDを光らせることはできません。
こういうときにトランジスタを使えば、LEDを光らせることができます。
トランジスタは増幅率 500 のものを使用します。
そうすると、
CPUからベース端子への電流 1mA × 増幅率 500 = 500mA
の電流をコレクタからエミッタに流すことができるようになります。
つまり、LEDに500mAを流せるようになり、LEDを光らせることができるのです。
トランジスタの「電流を増幅する」という使い方をしています。
さらに、LEDを光らせたり消したりという動作をしたい場合は、「スイッチのようにON/OFFする」という使い方を利用します。
CPUから1秒間隔でベース端子への電流を流したり流さなかったりすると、コレクタ端子とエミッタ端子の間が１秒間隔でONとOFFの状態を繰り返します。
つまり、LEDを１秒間隔で光らせたり消したりという点滅動作を実現することができるのです。
ディジタル回路のMIL記号はトランジスタで表現できる
ディジタル回路のMIL記号は以下の記号のことです。
このMIL記号はトランジスタと抵抗で表現することができます。
NANDを例に説明します。
NANDの動作は以下の通りです。
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
AとBが両方とも１のときだけ、Yが0になります。
NANDをトランジスタと抵抗の回路で表現すると以下のようになります。
回路図「A」の電圧波形：V(a)の信号（青線）
回路図「B」の電圧波形：V(b)の信号（赤線）
回路図「Y」の電圧波形：V(y)の信号（緑線）
これは電子回路シミュレータLTspiceでNAND回路をシミュレーションした結果です。
5Vを「１」とすると、上図のようになります。
先程の表と同じように、AとBが両方とも１のときだけ、Yが0になっているのが分かりますね。
これはトランジスタを「スイッチのようにON/OFFする」という使い方をすることで実現しています。
このようにディジタル回路のMIL記号はトランジスタと抵抗で表現することができるのです。
まとめ
トランジスタの仕組みと役割について解説しました。
トランジスタは電子回路には欠かせない電子部品なので、ぜひ理解してください。
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