電気電子分野の主な装置は、ポンプやチューブなどからの水の流れを調整するノズルと同様に、弱い信号でより多くの流量を調整できるようにする調整バルブです。ある時期、電気領域に実装されたこの調整されたバルブは真空管でした。真空管の実装と利用は良好でしたが、これに伴う複雑さは大きく、熱として供給される膨大な電力の消費により、真空管の寿命が短くなりました。この問題を補うために、トランジスタは、電気および電子産業全体の要件に適合する優れたソリューションを提供するデバイスでした。このデバイスは、1947年に「WilliamShockley」によって発明されました。詳細については、何が何であるかを知るという詳細なトピックに飛び込みましょう。トランジスタ、実装 スイッチとしてのトランジスタ 、および多くの特性。

トランジスタとは何ですか？

トランジスタは3端子半導体デバイスですこれは、スイッチングアプリケーション、弱い信号の増幅に使用でき、数千、数百万のトランジスタが相互接続され、コンピュータメモリを構成する小さな集積回路/チップに組み込まれています。回路の開閉に使用されるトランジスタスイッチ。つまり、トランジスタは低電圧であるため、電子機器のスイッチとして一般的に使用されます。パワー消費。トランジスタは、カットオフ領域と飽和領域にあるときにスイッチとして機能します。

BJTトランジスタの種類

基本的に、トランジスタは2つのPN接合で構成され、これらの接合はN型またはP型のいずれかを挟むことによって形成されます。半導体反対のタイプの半導体材料のペアの間の材料。

バイポーラ接合トランジスタはタイプに分類されます

NPN
PNP

トランジスタには3つの端子、つまりベースがあります。エミッター、およびコレクター。エミッタは高濃度にドープされた端子であり、電子をベース領域に放出します。ベース端子は軽くドープされ、エミッタから注入された電子をコレクタに渡します。コレクタ端子は中間的にドープされ、ベースから電子を収集します。

ＮＰＮ型トランジスタは、上に示したように、Ｐ型ドープ半導体層間の２つのＮ型ドープ半導体材料の組成物である。同様に、ＡＰＮ型トランジスタは、上に示したように、Ｎ型ドープ半導体層の間の２つのＰ型ドープ半導体材料の組成物である。 NPNトランジスタとPNPトランジスタの両方の機能は同じですが、バイアスと電源の極性が異なります。

スイッチとしてのトランジスタ

回路が使用する場合 switcとしてのBJTトランジスタ次に、トランジスタのバイアス、NPNまたはPNPのいずれかが、以下に示すI-V特性曲線の両側でトランジスタを動作させるように配置されます。トランジスタは、アクティブ領域、飽和領域、カットオフ領域の3つのモードで動作できます。アクティブ領域では、トランジスタは増幅器として機能します。トランジスタスイッチとして、2つの領域で動作します。 飽和領域 （完全にオン）および カットオフリージョン （完全にオフ）。ザ・ スイッチ回路図としてのトランジスタ です

スイッチとしてのトランジスタ

NPN型とPNP型の両方のトランジスタをスイッチとして操作できます。スイッチングツールとしてパワートランジスタを利用しているアプリケーションはほとんどありません。この状態では、このトランジスタを駆動するために別の信号トランジスタを使用する必要がない場合があります。

トランジスタの動作モード

上記の特性から、曲線の下部にあるピンクの網掛け部分がカットオフ領域を表し、左側の青い領域がトランジスタの飽和領域を表していることがわかります。これらのトランジスタ領域は次のように定義されます。

カットオフリージョン

トランジスタの動作条件は、ゼロ入力ベース電流（IB = 0）、ゼロ出力コレクタ電流（Ic = 0）、および最大コレクタ電圧（VCE）であり、その結果、大きな空乏層が生じ、デバイスに電流が流れなくなります。

そのため、トランジスタは「フルオフ」に切り替わります。したがって、バイポーラトランジスタをスイッチとして使用する場合のカットオフ領域を定義できます。NPNトランジスタの接合部が逆バイアスされているので、VB<0.7v and Ic=0. Similarly, for PNP transistors, the emitter potential must be –ve with respect to the base of the transistor.

カットオフモード

次に、バイポーラトランジスタをスイッチとして使用する場合の「カットオフ領域」または「オフモード」を、両方の接合部が逆バイアスされ、IC = 0、およびVBであると定義できます。<0.7v. For a PNP transistor, the Emitter potential must be -ve with respect to the base terminal.

カットオフ領域の特性

カットオフ領域の特性は次のとおりです。

ベース端子と入力端子の両方が接地されています。つまり、「0」v
ベース-エミッタ接合の電圧レベルは0.7v未満です
ベース-エミッタ接合が逆バイアス状態にある
ここでは、トランジスタはOPENスイッチとして機能します
トランジスタが完全にオフになると、カットオフ領域に移動します
ベース-コレクタ接合が逆バイアス状態にある
コレクタ端子には電流が流れません。つまり、Ic = 0です。
エミッタ-コレクタ接合および出力端子の電圧値は「1」です。

飽和領域

この領域では、最大量のベース電流（IB）が印加されるようにトランジスタにバイアスがかけられ、最大のコレクタ電流（IC = VCC / RL）が発生し、次に最小のコレクタ-エミッタ電圧（VCE〜0）が発生します。落とす。この状態では、空乏層は可能な限り小さくなり、トランジスタを流れる最大電流になります。したがって、トランジスタは「完全にオン」に切り替えられます。

飽和モード

バイポーラNPNトランジスタをスイッチとして使用する場合の「飽和領域」または「オンモード」の定義は、両方の接合が順方向にバイアスされ、IC =最大、VB> 0.7vです。 PNPトランジスタの場合、エミッタ電位はベースに対して+ veでなければなりません。これは スイッチとしてのトランジスタの動作 。

飽和領域の特性

ザ・ 飽和特性 は：

ベース端子と入力端子の両方がVcc = 5vに接続されています
ベース-エミッタ接合の電圧レベルは0.7v以上です
ベース-エミッタ接合は順方向にバイアスされた状態です
ここでは、トランジスタは閉スイッチとして機能します
トランジスタが完全にオフになると、飽和領域に移動します
ベース-コレクタ接合が順方向にバイアスされた状態にある
コレクタ端子に流れる電流はIc =（Vcc / RL）です。
エミッタ-コレクタ接合および出力端子の電圧値は「0」です。
コレクタ-エミッタ接合の電圧が「0」の場合、これは理想的な飽和状態を意味します

加えて スイッチとしてのトランジスタの動作 以下のように詳細に説明することができます：

“4対2のエンコーダ真理値表 ”

スイッチとしてのトランジスタ– NPN

トランジスタのベースエッジでの印加電圧値に応じて、スイッチング機能が発生します。エミッタとベースエッジの間に約0.7Vの十分な量の電圧がある場合、コレクタからエミッタエッジへの電圧の流れはゼロになります。したがって、この状態のトランジスタはスイッチとして機能し、コレクタを流れる電流はトランジスタ電流と見なされます。

同様に、入力端子に電圧が印加されていない場合、トランジスタはカットオフ領域で機能し、開回路として機能します。このスイッチング方式では、接続された負荷がスイッチングポイントと接触し、これが基準点として機能します。したがって、トランジスタが「オン」状態になると、負荷を介してソース端子からグランドに電流が流れます。

スイッチとしてのNPNトランジスタ

この切り替え方法を明確にするために、例を考えてみましょう。

トランジスタのベース抵抗値が50kOhm、コレクタエッジの抵抗が0.7kOhm、印加電圧が5Vで、ベータ値が150であると仮定します。ベースエッジでは、0〜5Vの間で変化する信号が印加されます。。これは、0および5Vの入力電圧値を変更することによってコレクタ出力が観測されることに対応します。次の図を検討してください。

Vのとき_この= 0、次にI_C= V_DC/ R_C

IC = 5 / 0.7

したがって、コレクタ端子の電流は7.1mAです。

ベータ値が150であるため、Ib = Ic /β

Ib = 7.1 / 150 = 47.3 µA

したがって、ベース電流は47.3 µAです。

上記の値では、コレクタ-エミッタ間電圧がゼロでベース電流値が47.3 µAの条件で、コレクタ端子の電流の最大値は7.1mAです。このように、ベースエッジの電流値が47.3 µAを超えると、NPNトランジスタが飽和領域に移動することが証明されました。

トランジスタの入力電圧が0Vであると仮定します。これは、ベース電流が「0」であり、エミッタ接合が接地されている場合、エミッタとベース接合が順方向バイアス状態にならないことを意味します。したがって、トランジスタはオフモードであり、コレクタエッジの電圧値は5Vです。

Vc = Vcc-（IcRc）

= 5-0

Vc = 5V

トランジスタの入力電圧が5Vであると仮定します。ここで、ベースエッジの現在の値は、を使用して知ることができます。キルヒホッフの電圧原理。

Ib =（Vi-Vbe）/ Rb

シリコントランジスタを考えると、Vbe = 0.7Vです。

したがって、Ib =（5-0.7）/ 50

Ib = 56.8µA

このように、ベースエッジの電流値が56.8 µAを超えると、NPNトランジスタは5V入力条件で飽和領域に移動することが証明されました。

スイッチとしてのトランジスタ– PNP

PNPトランジスタとNPNトランジスタの両方のスイッチング機能は似ていますが、PNPトランジスタでは、電流がベース端子から流れるという違いがあります。このスイッチング構成は、負のアース接続に採用されています。ここで、ベースエッジはエミッタエッジに対応して負のバイアス接続を持っています。ベース端子の電圧が-veを超えると、ベース電流が流れます。明確にするために、非常に最小または-veの電圧バルブが存在する場合、これにより、開回路でない場合、またはそうでない場合でも、トランジスタが短絡します。高インピーダンス。

このタイプの接続では、負荷は基準点とともにスイッチング出力に接続されます。 PNPトランジスタがオン状態の場合、ソースから負荷へ、そしてトランジスタを介してグランドへと電流が流れます。

スイッチとしてのPNPトランジスタ

NPNトランジスタのスイッチング動作と同様に、PNPトランジスタの入力もベースエッジにありますが、エミッタ端子は固定電圧に接続され、コレクタ端子は負荷を介してグランドに接続されています。下の写真は回路を説明しています。

ここで、ベース端子は、エミッタエッジに対応して常に負のバイアス状態にあり、ベース端子は入力電圧の負側に接続され、エミッタは正側に接続されています。これは、ベースからエミッターへの電圧が負であり、エミッターからコレクターへの電圧が正であることを意味します。したがって、エミッタ電圧がベース端子とコレクタ端子の電圧よりも正のレベルの場合、トランジスタの導電率があります。したがって、ベースの電圧は他の端子の電圧よりも負にする必要があります。

コレクタ電流とベース電流の値を知るには、次の式が必要です。

Ic = Ie – Ib

Ic =β。 1

ここで、Ub = Ic /β

この切り替え方法を明確にするために、例を考えてみましょう。

負荷回路に120mAが必要で、トランジスタのベータ値が120であると仮定します。この場合、トランジスタが飽和モードになるために必要な電流値は次のようになります。

Ib = Ic /β

= 120 mAmps / 100

Ib = 1 mAmp

したがって、1 mAmpのベース電流がある場合、トランジスタは完全にオン状態になります。一方、実際のシナリオでは、トランジスタを適切に飽和させるには、約30〜40パーセント多くの電流が必要です。これは、デバイスに必要なベース電流が1.3mAmpであることを意味します。

ダーリントントランジスタのスイッチング動作

いくつかのケースでは、BJTデバイスの直流の電流利得は、負荷電圧または電流の直接スイッチングに対して非常に最小です。このため、スイッチングトランジスタが利用されます。この状態では、スイッチのオンとオフのための小さなトランジスタデバイスと、出力トランジスタを調整するための電流値の増加が含まれています。

信号利得を高めるために、2つのトランジスタが「相補利得複合構成」の方法で接続されています。この構成では、増幅率は2つのトランジスタの積の結果です。

“ソーラーパネル電圧レギュレータ回路 ”

ダーリントントランジスタ

ダーリントントランジスタ通常、2つのバイポーラPNPおよびNPNタイプのトランジスタに含まれており、最初のトランジスタのゲイン値に2番目のトランジスタデバイスのゲイン値を掛ける方法で接続されています。

これにより、最小のベース電流値でも最大の電流ゲインを持つ単一のトランジスタとしてデバイスが機能するという結果が得られます。ダーリントンスイッチデバイスの全電流ゲインは、PNPトランジスタとNPNトランジスタの両方の電流ゲイン値の積であり、これは次のように表されます。

β=β1×β2

上記の点で、最大のβおよびコレクタ電流値を有するダーリントントランジスタは、単一のトランジスタのスイッチングに潜在的に関連している。

たとえば、入力トランジスタの電流ゲイン値が100で、2番目のトランジスタのゲイン値が50の場合、合計電流ゲインは次のようになります。

β= 100×50 = 5000

したがって、負荷電流が200 mAの場合、ベース端子のダーリントントランジスタの電流値は200 mA / 5000 = 40 µAmpsであり、単一デバイスの過去1mAmpと比較すると大幅に減少します。

ダーリントン構成

ダーリントントランジスタには主に2つの構成タイプがあり、それらは

ダーリントントランジスタのスイッチ構成は、2つのデバイスのコレクタ端子が、2番目のトランジスタデバイスのベースエッジに接続されている最初のトランジスタのエミッタ端子に接続されていることを示しています。したがって、最初のトランジスタのエミッタ端子の電流値は、2番目のトランジスタの入力電流がオン状態になるときに形成されます。

最初の入力トランジスタは、ベース端子で入力信号を取得します。入力トランジスタは一般的な方法で増幅され、これは次の出力トランジスタを駆動するために使用されます。 2番目のデバイスは信号を増強し、これにより電流ゲインの最大値が得られます。ダーリントントランジスタの重要な機能の1つは、単一のBJTデバイスに関連する場合の最大電流ゲインです。

最大の電圧および電流スイッチング特性の機能に加えて、他の追加の利点は、その最大スイッチング速度です。このスイッチング動作により、デバイスをインバータ回路、DCモーター、照明回路、およびステッピングモーターの調整目的に特に使用できます。

ダーリントントランジスタをスイッチとして実装する際に、従来のシングルBJTタイプよりもダーリントントランジスタを使用する際に考慮すべき変動は、ベースとエミッタ接合の入力電圧がシリコンタイプのデバイスでは約1.4vであるより高い必要があることです。 2つのPN接合が直列に接続されているためです。

スイッチとしてのトランジスタの一般的な実用的なアプリケーションのいくつか

トランジスタでは、ベース回路に電流が流れない限り、コレクタ回路に電流が流れることはありません。この特性により、トランジスタをスイッチとして使用できます。ベースを変えることでトランジスタのON / OFFを切り替えることができます。トランジスタで動作するスイッチング回路にはいくつかの用途があります。ここでは、トランジスタスイッチを使用しているいくつかのアプリケーションを説明するために、NPNトランジスタについて検討しました。

ライト式スイッチ

この回路は、トランジスタをスイッチとして使用して、明るい環境で電球を点灯し、暗闇で電球をオフにするように設計されています。光依存抵抗（LDR）分圧器で。環境が暗いとき LDRの抵抗高くなります。次に、トランジスタがオフになります。 LDRが明るい光にさらされると、その抵抗はより小さな値に低下し、その結果、より多くの供給電圧が発生し、トランジスタのベース電流が増加します。これでトランジスタがオンになり、コレクタ電流が流れて電球が点灯します。

熱作動スイッチ

熱作動スイッチの回路における重要なコンポーネントの1つは、サーミスタです。サーミスタは抵抗の一種ですそれは周囲の温度に応じて反応します。温度が低いと抵抗が増加し、その逆も同様です。サーミスタに熱が加えられると、その抵抗が低下し、ベース電流が増加し、続いてコレクタ電流が大幅に増加し、サイレンが鳴ります。この特定の回路は、火災警報システムとして適しています。

“論理ゲートかどうか ”

熱作動スイッチ

高電圧の場合のDCモーター制御（ドライバー）

トランジスタに電圧が印加されていない場合、トランジスタはオフになり、電流は流れません。したがって、リレーオフ状態のままです。 DCモーターへの電力はリレーのノーマルクローズ（NC）端子から給電されるため、リレーがオフ状態のときにモーターが回転します。トランジスタBC548のベースに高電圧を印加すると、トランジスタとリレーコイルがオンになります。

実例

ここでは、入力値を5vに上げたときに負荷に200mAの電流が必要なトランジスタを完全にON状態にするために必要なベース電流の値を知ります。また、Rbの値を知っています。

トランジスタのベース電流値は

Ib = Ic /βはβ= 200を考慮します

Ib = 200mA / 200 = 1mA

トランジスタのベース抵抗値はRb =（Vin – Vbe）/ Ibです。

Rb =（5 – 0.7）/ 1×10^-3

Rb =4.3kΩ

トランジスタスイッチは、モーター、リレー、ライトなどの大電流または高値の電圧機器を最小値の電圧、デジタルICに接続する、またはANDゲートやORなどの論理ゲートで使用されるなど、複数のアプリケーションで広く使用されています。また、論理ゲートから供給される出力が+ 5vであるのに対し、調整が必要なデバイスは、供給電圧の12vまたは24vを枯渇させる必要がある場合があります。

または、DCモーターのような負荷では、いくつかの連続パルスによって速度を監視する必要がある場合があります。トランジスタスイッチを使用すると、この操作を従来の機械式スイッチよりも迅速かつ簡単に行うことができます。

スイッチの代わりにトランジスタを使用する理由

スイッチの代わりにトランジスタを実装している間、最小限のベース電流でさえ、コレクタ端子のより高い負荷電流を調整します。スイッチの代わりにトランジスタを使用して、これらのデバイスはリレーとソレノイドでサポートされています。一方、より高いレベルの電流または電圧を調整する場合は、ダーリントントランジスタが使用されます。

全体として、要約すると、トランジスタをスイッチとして動作させている間に適用される条件のいくつかは