トランジスタ・FET

実際の製品でトランジスタの増幅回路って利用してるの?(初心者向け)

よもやま話チックですが、一応現実の話をしたいと思います。

 

「電子回路入門」みたいな本を読んでいると、突然「トランジスタの増幅回路」が登場して「エミッタ接地」「エミッタフォロワ―」「バイアス抵抗」などと難しい概念のオンパレードが一気に出てきます。

あれ、初心者が読むと絶望しますよね。

よくわかります。

本を書いている人は初心者がなんだか分かっていない。

それまで優しく書いていた人が、トランジスタが登場した途端に、初心者に絶対に理解できないことを平然と書き出します。

(まぁ、トランジスタの増幅回路自体が要素が多くて簡単に説明できないからなんでしょうが)

99%の人はその本を投げ出しますよね。

私も投げ出しました。

 

で、このトランジスタの増幅回路なんですが、たしかに大事です。

トランジスタでオーディオアンプでも作ろうというのなら。

でも、今の製品でトランジスタでそんな難しいことしません!!

 

ということで、実際の製品開発の現場ではどうなのかという話をします。

 

 

そもそもトランジスタのアナログ回路を設計できる人なんてめったに居ないから

専門外の人はそういった入門書を見て「回路設計の人はきっとみんなこれがわかるんだろうな~。自分にはちんぷんかんぷんだよ」と溜息をつくことでしょう。

でも安心(?)してください。

回路設計をしている人でも、トランジスタを使ってアナログ増幅なんてできる人は1割も居ません。

回路分野には「デジタル分野」「アナログ分野」があって、殆どの人はデジタル分野の人です。

アナログ分野の人なんて、本当に珍しいです。

ということで、回路設計のプロでもトランジスタでアナログ信号の増幅なんて組めないので、ぶっちゃけスルーしても大丈夫です。

(知識としては大事ですが、実際には使いません)

 

 

トランジスタ使うよりICを使ったほうが確実だから

トランジスタを組み合わせることで、自由自在に信号を増幅することが出来ます・・・が。

まず、第一に設計そのものが難しいです。

その上、趣味で作るのと違って量産が必要なので、部品のばらつきも考慮もしないといけません。

(ネットに転がっている趣味のトランジスタ回路では「この抵抗はトランジスタのばらつきに合わせて調整する」と書いて有ることが結構あります。実際の製品はそれじゃ困る)

ここまで難しいトランジスタ回路ですが、ICを買ってくれば同じことが出来てしまいます。

例えば、トランジスタを10個使う必要がある増幅回路も、1個のオペアンプというICで出来てしまうとします。

 

トランジスタは設計超難しい。

オペアンプはずっと簡単。

 

トランジスタのバラ付きがどうなるか検討するのすごく難しい。

オペアンプはどう特性がばらつくか全部メーカが資料出してくれる。

 

 

トランジスタは意外とディスコンになるから

昔であればもっと長期供給されたのでしょうが、最近は頻繁に部品が生産中止になります。

とくにIC部品よりディスクリート部品(トランジスタなど)のほうが多い印象です。

 

最近じゃトランジスタは簡単に生産中止する。別のトランジスタに変えたら動作の再検討がすごく大変。

最近じゃオペアンプのほうが生産中止になりにくい。別のオペアンプに変えるのも結構簡単。

 

 

トランジスタを使ったほうが高かったりするから

「トランジスタ=安い」「IC=高い」という印象があると思いますが、そうでもありません。

IC一つに相当する機能をトランジスタで作るともっと高くなります。

 

トランジスタ一個10円で、10個使えば100円。

オペアンプは1個60円だったりする。

(オペアンプは4回路入りなどもあるので、もっと価格差が広がる場合も)

 

 

トランジスタで作ると面積がたくさん必要だから

これは言うまでもありません。

トランジスタを何個も使ったらICの面積なんて簡単に超えてしまいます。

 

 

まとめ

と、こんなわけで今の御時世、トランジスタで増幅回路を作るメリットなんて殆ど無いわけです。

例外はこんなときです。

 

・部品一つ一つの特性にこだわった高級/趣味のオーディオ製品

・ICが使えない高周波増幅

・トランジスタ1つですむレベルの回路(LED点灯などのスイッチ用途)

 

実際の製品ではトランジスタは完全にON・OFFさせてスイッチ部品として使用します。

アナログ増幅にトランジスタを利用することはほとんどありません。

オーディオの増幅なんかは、完全にICが主役になっています。

 

以上、小田切でした!

トランジスタ(PNP/NPN)の記号と基本回路(初心者向け)

物凄く単純にLEDを光らせる回路で説明していきます。

 

記号(NPN)

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2SC1815などのNPN型トランジスタの記号はこれです。

この図の中のベースは覚えやすいですが、エミッタとコレクタは混乱しやすいと思います。

「矢印が出ている先がエミッタ」とおぼえておきましょう。

ちなみに、この矢印はトランジスタに電流が流れる向きと一致しています。

 

 

記号(PNP)

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2SA1015などのPNP型トランジスタの記号はこれです。

NPN型と基本は同じですが、矢印が逆になっています。

 

そして、先程矢印とトランジスタに流れる電流の向きが同じだと言いました。

つまり、PNPではNPNと逆向きに電流が流れます。

ですので教科書的には上で正しいのですが、回路図で上の形でお目にかかることはありません。

なぜなら、普通回路図は電流は上から下に流れるように書くからです。

なので、実際の回路図では

 

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こういう風に上下が逆になっていることが普通です。

 

 

LEDを点灯させる回路図(NPN)

 

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NPNトランジスタをスイッチとして使う場合の基本形です。

上のGPIOとかかれたピンに電流を流し込むことでLEDが光ります。

「NPNトランジスタはベースに電圧をかけて電流を流し込むことでLEDが光る」とおぼえて下さい。

 

LEDを点灯させる回路図(PNP)

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PNPトランジスタをスイッチとして使うときの基本形です。

先程書いたように上から下に電流が流れるように回路図を書くので、教科書的な記号とは逆になっていますね。(矢印が下向き)

さきほどNPNトランジスタではGPIOと書かれた信号線(トランジスタのベース)に電流を「流し込む」ことでスイッチがONしました。

しかしPNPトランジスタは考え方が逆です。

NPNはPNPの特性をひっくり返したものだと思えばいいです。

「PNPトランジスタはベースから電流を引き抜くことでLEDが光る」とおぼえて下さい。

この回路ではGPIOにVCCを掛けてもトランジスタはONしません。

GPIOを0V(正確にはVcc-0.6V以下)にすることでトランジスタがONします。

 

NPNとPNPの使い分け

上の説明でなんとなくピンときませんでしたか?

NPNトランジスタを使うとベースに電圧をかけることでONできます。

PNPトランジスタを使うとベースを0VにすることでONできます。

(中級者の方は、「え、正確には0.6V+必要な電流が流せる電圧だよね?」とか突っ込みたいと思いますが、話を簡単にするためにスルーしてください)

 

たとえばなにかセンサーがあるとしましょう。

 

「このセンサーはなんかを検出した時にHigh(3.3V)を出力する。検出した時にLEDを光らせたい」

そんなときはNPNトランジスタを使ったLED点灯回路を使えばOKです。

 

「このセンサーはなんかを検出した時にLow(0V)を出力する。検出した時にLEDを光らせたい」

そんなときはPNPトランジスタを使ったLED点灯回路を使えばOKです、

 

こんな風に使い分けできるわけです。

もちろん、やり方としてはロジックICなどを使って論理を反転させることで、後者のパターンでもNPNトランジスタでLED点灯させることも可能です。

でも、そんなことするより、PNPトランジスタを使ったほうがシンプルですよね?

そういうことです。

 

以上、小田切でした。

「トランジスタとは何か」を簡単に説明!(初心者向け)

原理とか物理ではなく、使うための実践的な知識をざざっと乱暴に説明します。

(トランジスタはNPNとPNPの二種類があるのですが、両方説明すると100%混乱するのでNPNで説明します)

 

トランジスタを作った回路の実例

まずはいきなり回路を。

 

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よくある回路です。

Q1というのが件のトランジスタです。

R1は抵抗です。

D1はLEDです。

GPIOと書いた線はCPUにつながっていると思って下さい。

 

どういうときにトランジスタを使うのか?

ずばり一言でいいましょう。

沢山電流を流したい時」です。

乱暴ですが、だいたいのケースに当てはまります。

例えば、上のLEDを十分な明るさで光らせるには20mA必要だとしましょう。

しかし、使っているCPUは3mAしか流せない。

3mAじゃLEDが暗すぎて光っているのがわからない

困った!

 

そんなときに使用するのがトランジスタです。

小さな電流しか流せない部品で大きな電流を制御したい」ときに使うのがトランジスタです。

 

・小さな電流しか流せないCPUで大きな電流が必要なLEDを光らせる。

・小さな電流しか流せないCPUで大きな電流が必要なモーターを回す。

・小さな電流しか流せない増幅回路で大きな電流が必要なスピーカーを鳴らす。

 

こんなことがしたい時にトランジスタを使用するイメージです。

 

一言で

「1mAの電流で100mAの電流を制御する電流制御弁」

こうとらえてください。

一つの端子(ベース)に1mAの電流を流すと、もう一つの端子(コレクタ)にその100~200倍の電流を流す弁です。

10mAながせば1A流れる。

100mAながせば10A流れる。

そんなイメージです。

 

電流増幅以外の用途

基本的には「小さな電流で大きな電流を制御するもの」ですが、一応それ以外にも用いられます。

初心者の方は意味がわからないと思いますが、「あぁそんな使い方もあるのね」ぐらいに思って下さい。

 

・低電圧回路(CPUなど)から大きな電圧(24Vなど)を制御する用途

・論理を反転させる用途

 

 

以上、小田切でした!

トランジスタとMOSFETの違いは?(初心者向け)

初心者のあなた、トランジスタという言葉は聞いたことがあるんじゃないでしょうか。

それからFETとかMOSFETとかいう言葉も聞いたことがあるんじゃないでしょうか。

で、いろいろ調べていくと、同じようなところでトランジスタとFETが使われていたりしませんか?

 

LED点灯回路(トランジスタ・MOSFET)

たとえばこんな感じです。

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両方共LEDを点灯する回路です。

この回路のGPIOと書かれている所がCPUに接続され、CPUの信号によってLEDがついたり消えたりする回路になります。

本屋ネットを読むとこんな記述が見つかると思います。

「トランジスタは増幅作用があり、スイッチとして扱われることもある」

「MOSFETはスイッチ素子として使うことができる」

 

どっちを使うのが正解でしょうか?

 

 

そもそもMOSFETとは?

「MOSFETはFETの一種です。そしてMOSFETはエンハンスメント型で……」

なんて話をしても初心者にはなんのこっちゃです。

そもそも、業務でもそんなこと考えません。

簡単に言うと「大電流を流すことができるスイッチ用の部品」と考えてもらってOKです。

実務上、そのイメージでほとんど外れがありません。

 

LEDを点灯させるにはMOSFETとトランジスタ、どちらがいいの?

じつはどちらでもOKです。

どちらがいいとか無いです。

好みで使ってもいいし、価格で選んでもいいです。

「そんな馬鹿な!」

いえいえ、全然OKです。

 

というのも、トランジスタもMOSFETもスイッチとして使用するときには、

・耐圧に問題がないこと

・必要な電流を流せること

・スイッチし切ること

ができればなんでもいいからです。

 

「耐圧に問題がないこと」は当たり前ですよね。

最大10Vって書いてある部品に100Vかけたら壊れますので。

 

「必要な電流を流せること」

例えばLEDに必要な電流が20mAだとします。

このときMOSFETやトランジスタが20mA以上流せる部品であればOKなわけです。

逆に言うと、5mAしか流せない部品だったら、トランジスタ・MOSFET関係なくその部品はダメだということです。

 

「スイッチし切ること」

ここがとても大事です。

MOSFETであれば「20mAを流すにはゲート(上の図のGPIOに接続されたピン)に◯V以上かけること」と規定されています。

トランジスタであれば「20mAを流すにはベース(上の図のGPIOに接続されたピン)に◯mA以上ながすこと」と規定されています。(というか計算ができます)

これを満たす必要があります。

 

トランジスタとMOSFETの使い分けは?

「LEDを光らせるのにはトランジスタでもMOSFETでもいいんだ。じゃあ使い分けは全然しなくて良いんだ」

YESです。

ちょっとしたLED程度ならどっちでも大丈夫です。

 

ですが、大電流に対処しようとすると話が変わってきます。

例えば上の図のLEDが表示用LEDではなく照明用LEDだとして、極端に「10A」だとしましょう。

トランジスタは増幅率が約100~200倍程度が多いです。

上の図のGPIOに1mA流し込むと、LEDには100mA~200mA流せるということです。

CPUの出力電流は大きくないので、例えば5mAだとすれば、LEDには500~1000mA流せることになります。

おっと、10A流せませんね。

その十分の一で頭打ちになってしまいます。

ではどうするかというと、トランジスタを2段にします。(回路は割愛しますが)

簡単に言うと、一段目で5mAを500mAぐらいに増幅して、さらにその500mAで二段目のトランジスタをくどうすることで10A流せるようにできるのです。

 

ではMOSFETだと?

MOSFETは電流を増幅するのではありません。

電圧をかけると抵抗値が変化する部品です。

「トランジスタは1mA流し込むと、100mA流そうとする」部品ですが、

「MOSFETは4Vかけると抵抗値が0.1Ωになる」部品です。

(上記の値は一例ですよ。部品によって違います)

なのでこの回路で5Vを入れると、0.1Ω以下になってLEDにじゃんじゃん電流が流れるわけです。

 

大電流を流す時に部品が少ないのは?

上のことから考えると、大電流を流そうとするとトランジスタでは2段、ひょっとしたら三段必要です。

しかし、MOSFETなら一つで済みます。

こんな風に、ある程度の電流が必要な時にMOSFETを使うと部品1つで済むことが多いです。

 

効率がいいのは?

一概にいえないんですが……

詳しくはトランジスタのVCE(SAT)とMOSFETの抵抗値×電流を比較する必要があります。

ここは部品選定によって大きく変わるので一概に言えません。

しかし、初心者の方にそこまでいってもわかりにくいので、ものすごく乱暴に言います。

「極端な大電流を扱わない限り、MOSFETの方が効率がいいことが多い」です。

 

トランジスタは入力した電流の100倍とか200倍を流す部品です。

つまり、上の回路図であれば、LEDに流す電流以外にトランジスタを動作させる電流が(わずかとはいえ)必要になります。

しかしMOSFETは電圧駆動です。電流はほとんど流れません。(数uA程度)

つまり、LEDを光らせる以外に余計な電流を使わないのがMOSFETです。

この点からしても、MOSFETの方が効率がよくなりやすいです。

 

静電気(高電圧ノイズ)に強いのは?

スイッチとして優秀なのはMOSFETですが、静電気などになると特性が逆転します。

トランジスタは比較的静電気に強い部品ですが、MOSFETというのは静電気にすごく弱いです。

(ちなみにCPUなどのICは中身はMOSFETでできています。だから静電気に弱い)

そのため、高電圧のスパイクノイズが発生するモーターを制御する回路はあえてトランジスタを使う例も多いです。

(最近はMOSFET駆動も多いですが)

 

まとめ

初心者がLEDやちょっとしたもの(数百mA程度)の物を動かすのなら、MOSFETでもトランジスタでもOKです。

しかし、それ以上になると、トランジスタであれMOSFETであれ、特性を見極めて選ぶことが必要になります。

特性を満たしているトランジスタがあればそれでよし、特性を満たしているMOSFETがあればそれでよしです。

選定についてはもうすこし上級者向けの記事でいつか書こうと思います。

 

以上、小田切でした!