この記事では、バイポーラトランジスタ(以下、トランジスタ)の役割についてまとめています。
トランジスタの構造
トランジスタには、ベース、コレクタ、エミッタの３つの電極があります。
トランジスタに使用されている半導体の中にはキャリアと呼ばれるものが存在しており、n形には自由電子が、p形にはホールが多く存在しています。
n形、p形の半導体の並び方でnpn形、pnp形の2種類があり動作原理は同じですが
電流の流れる向きが逆になります。
n型は「negative」、p型は「positive」の頭文字から取っています。
トランジスタの動作原理
トランジスタの構造は下図の様になっています。(図はnpn形の例)
①コレクタに電圧が流れることで、コレクタ内の自由電子が電源と引き合う。
②ベースとエミッタに電源が流れることで、エミッタ内の自由電子と電源が反発しコレクタ側に自由電子が移動します。コレクタ側に自由電子が移動する時に、一部がベース内のホールと衝突し消滅するため、電源からホースが補充されます。
このように自由電子が循環することで、電流が流れるようになります。
その為ベースとエミッタの間に電源が加わっていないと、電流は流れません。
トランジスタが動作しているときの関係は、コレクタ、ベースに流れている電流がエミッタ側に流れるため、エミッタ側の電流は、入力された電流が増幅されている状態になります。
トランジスタの使用例
トランジスタの動作についての一例を記載します。
増幅作用
トランジスタは動作させるための直流電源を使用することで、入力信号を増幅させています。
音声などの交流の信号を増幅させる時には、バイアス回路を使用します。
バイアス回路
バイアス回路を使用しない状態で、図のような回路で交流信号の増幅を行うと、一部の信号がなくなり、適切な増幅が行えません。
npnトランジスタは、電圧が＋0.6V以上ないと信号が出力されないためこのような状態になります。
すべての信号の増幅を行うには、入力される信号を＋0.6V以上の状態を保つ必要があります。
入力される信号に直流電流を加えることで、+0.6V以上を保つことが出来ます。
この場合に使用される直流電流をバイアス電流と言い、バイアスを与える回路をバイアス回路を言います。
npnトランジスタは、電圧が＋0.6V以上ないと信号が出力されないためこのような状態になります。
すべての信号の増幅を行うには、入力される信号を＋0.6V以上の状態を保つ必要があります。
入力される信号に直流電流を加えることで、+0.6V以上を保つことが出来ます。
この場合に使用される直流電流をバイアス電流と言い、バイアスを与える回路をバイアス回路を言います。
例として0Vを基準に±0.5Vで動く交流信号のすべてをnpnトランジスタで増幅する場合、+1.5Vの直流電流を加えると+1.5Vを基準に交流信号が動くことになります。こうすると交流信号が常に0.6V以上を保つことが出来ます。
下の図は、固定バイアス回路と呼ばれる接続方法です。
電源からの電圧を抵抗で小さくして、ベースにバイアスを与えています。
抵抗R1に使用する抵抗値は、図に記載している式から求めることができます。
電流IBには、適切に出力波形を得るための電流値で計算します。(データシートを参照します)
回路に使用されている２つのコンデンサは、カップリングコンデンサとしての働きをしています。
カップリングコンデンサは、交流信号のみを取り出すために使用されます。
コンデンサは直流を通さない働きがあるため、交流のみを取り出すことが出来ます。
固定バイアス回路の短所として、トランジスタの温度が変化すると出力電流の変化や、出力波形が歪むなど不安定になることがあります。
安定的な動作が必要な場合には、自己バイアス回路と呼ばれる接続方法を行います。
スイッチ動作
下図の様な回路でベース電流IBを流すと、コレクタ電流ICが流れます。ベース電流が大きくなると、ほぼ比例してコレクタ電流は大きくなります。ベース電流が大きくなり、コレクタの最大電流(≒VCC/R2)まで大きくするとコレクタとエミッタの間は短絡した状態と同じになり、トランジスタはオンの状態になります。
ベース電流を流さない状態では、コレクタ電流も流れなくなる為トランジスタはオフの状態になります。このトランジスタのオン、オフ動作をスイッチに置き換えて使用することをトランジスタのスイッチ動作を言います。
トランジスタのより詳しい特性について知りたい場合は、下記の本がおすすめです。
図などを使用してわかりやすくなるように説明が記載されています。
トランジスタのほかにオペアンプなどの説明も記載されています。
