３−１ トランジスタスイッチング回路
トランジスタを使用したスイッチング回路を紹介する。この回路を用いると、ロジック回路の出力などあまり電流の取れない信号で大電流のスイッチングが可能になる。
ａ．ＰＮＰ・ＮＰＮトランジスタを組み合わせた回路
下図は、良く使用されるトランジスタスイッチング回路である。 | |
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ＶB1：Ｑ1のベース飽和電圧 ＶCE1：Ｑ1のコレクタ・エミッタ間電圧 ｈFE1：Ｑ1の直流電流増幅率 |
ＶB2：Ｑ2のベース飽和電圧 ＶCE2：Ｑ2のコレクタ・エミッタ間電圧 ｈFE2：Ｑ2の直流電流増幅率 |
| ＜図−３．１．１＞トランジスタスイッチング回路 | |
CONT端子に電圧を加えることにより、Ｑ１，Ｑ２をＯＮさせて、ＶOUTに電圧を出力する。
まずＱ1をＯＮさせるには、ベースにＶB1以上の電圧を加える必要がある。
よって、Ｖcontは、（１＋Ｒ1／Ｒ2）ＶB1以上の電圧を加える必要がある。
次にＱ1のコレクタに流れる電流ＩC1を計算する。
Ｑ1に流れる電流は、ＩB1より求めると、
ＩC1'＝ＩB1・ｈFE1
＝（（Ｖcont−ＶB1）／Ｒ1−ＶB1／Ｒ2）・ｈFE1 ［Ａ］
となる。
一方、ＩC1はＱ2の電源電圧にも影響される。
これより求めると、
ＩC1''＝（（Ｅ−ＶB2−ＶCE1）／Ｒ4） ［Ａ］
となる。
実際にＱ1のコレクタに流れる電流ＩC1は、ＩC1'とＩC1''のどちらか小さいほうの値になる。
これより、最大出力電流ＩC2は、
ＩC2＝（ＩC1−ＶB2／Ｒ3）・ｈFE2 ［Ａ］
で求まる。
■注意点
この回路を組むときに注意しなければいけないのが、それぞれの部品の定格を越えないことである。
抵抗の場合は、使用する部品の許容電力の１／２以下になるように定数選定する。
トランジスタの場合は、特にコレクタ損失ＰC（＝ＩC・ＶCE）に気をつける必要がある。定格の１／２以下に抑えるようにする。
Ｑ1は、比較的消費電力が小さいので小型のトランジスタが使用できるが、Ｑ2は出力電流によっては大型のＰCの大きい部品を選ぶ必要がある。
部品の定格電力はあくまで常温（２０℃）のときの値であり高温になるにしたがってこの値は下がってしまうので、このように余裕を持った設計を行う必要がある。
メーカのカタログにはディレイティングカーブとしても掲載されている。
また、ｈFEは低温時には低下するのでこれも１／２程度で計算することが好ましい。ｈFEが十分でない場合Ｑ2が十分にＯＮできず、出力電圧の低下やＱ2の異常加熱が発生する可能性がある。
ｂ．保護回路付きスイッチング回路
図−３．１．１の回路の場合、出力がショートするとＱ2に過大な電流が流れるために加熱、破損してしまう。これを防ぐために出力がショートした場合に電流を制限する保護回路がある。
下図は、その保護回路付きのスイッチング回路である。
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ＶB1：Ｑ1のベース飽和電圧 ＶCE1：Ｑ1のコレクタ・エミッタ間電圧 ｈFE1：Ｑ1の直流電流増幅率 |
ＶB2：Ｑ2のベース飽和電圧 ＶCE2：Ｑ2のコレクタ・エミッタ間電圧 ｈFE2：Ｑ2の直流電流増幅率 |
| ＜図−３．１．２＞保護回路付きトランジスタスイッチング回路 | |
図−３．１．１の回路にＱ3とＲ5を追加したものである。
Ｒ5に流れる電流によりＲ5の両端に発生する電圧がＱ3のベース飽和電圧ＶB3を超えると、Ｑ3がＯＮする。
そうすると、Ｑ2のベース・エミッタ間電圧がＶB2以下になるため、Ｑ2はＯＦＦする。
よって出力電流が制限されることになる。
ＩR5＝ＩC1＋ＩC2＝ＶB3／Ｒ5 ［Ａ］
にて、制限電流を決めることができる。
■注意点
Ｑ3のコレクタ消費電力ＰCは、電流制限がかかる電流でも持つようにする必要がある。
出力電圧はＲ5の電圧降下が発生する分低下する。
※最近では、より簡単に確実に保護をかけるために図３．１．１の回路の出力にポジスタを直列に接続して保護をかけることが多い。