NPN + LED
小さな信号で制御しよう。
小さなベース電流でLED電流を制御しよう。
- NPN · NPN型トランジスター
- n-type / p-type / n-type. N–P–Nはn型、p型、n型という3つの半導体領域を表します。n型の多数キャリアは電子、p型は正孔です。ここでは小さなベース電流でLED電流を制御します。
- LED · 発光ダイオード
- Light-emitting diode. 順方向に電流が流れると発光する半導体部品です。この回路では抵抗が電流を制限します。
実験台
回路の設定を変え、測定値を予想してから課題を確認しましょう。教材用のモデルで、各レッスンに仮定を説明しています。
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電流の道は二つ。
簡略NPN：増幅率100、VBE 0.7 V、飽和VCE 0.2 V、LED 2 V。仮定の値。
ベース電流はRbとB–E、コレクター電流はRcとLEDとC–Eを通る。飽和時はRcが電流を制限する。
難易度
組み立て · 点灯
電源とベース信号を入れ、LED電流を5–20 mAにする。
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Rb = 10 kΩ、Rc = 330 Ω。
探究 · 消灯
電源を入れたままベース信号を切る。LED電流をゼロにする。
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ベース駆動は5 Vと0 Vを切り替える。
自力で解く · 効率よく制御
信号を入れ、飽和かつ8–12 mA、ベース電流≤0.20 mA。
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Rb = 33 kΩ、Rc = 330 Ω。実物では増幅率のばらつきに余裕を持たせる。
追加の読み物と回路レシピ
小さな信号、別の電力経路
NPNの小さなベース電流でコレクター電流を制御します。LEDのエネルギー源は電源です。ベース信号はその経路を制御し、エネルギーを作るわけではありません。電子制御の出発点です。
Ib ≈ (Vin − 0.7) / Rb; Ic ≤ (5 − 2 − 0.2) / Rc
Rb = 10 kΩでベース電流は約0.43 mA。Rc = 330 Ωが飽和時のLED電流を約8.48 mAに制限します。モデルのコレクター・エミッター間電圧は約0.2 Vです。
増幅率は保証ではない
モデルの能動領域の増幅率は100。実際は部品、電流、温度で変わります。確実なスイッチには設計余裕が必要です。
入力を増やしても限界がある
飽和するとLEDの電流は主に抵抗と電源で決まります。ベース電流を増やしても、LED電流が常に100倍になるわけではありません。
グラウンドは共通の基準
別の信号源にはスイッチ回路と適切な共通基準が必要です。なければ「入力5 V」がトランジスターにとって意味を持たないことがあります。
避けたい落とし穴
モーターやリレーは大きなLEDではありません。誘導性負荷は遮断時に高電圧を生じます。適切なフライバック保護と電流定格が必要です。この保護は本実験では再現しません。
すでに飽和した状態でRbを小さくすると、LED電流は…
- 必ず2倍になる
- 主にRcで制限される
- ゼロになる
詳しく読む
ベース電流は増えますが、Rcと利用可能な電圧がすでにコレクター電流を制限しています。
信号で動く表示灯
ベース信号を切り替え、2つの電流を見よう。
約0.43 mAで約8.48 mAを制御します。2つの電流は別の経路を流れます。
駆動を減らしても同じ明るさ？
Rcを変えずベース電流を減らそう。
増幅率100の理想モデルなら約0.091 mAでも飽和します。実回路での動作保証ではありません。