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メカトロニクス 12／1 トランジスタの性質 トランジスタの使い方例
メカトロニクス １２／１ トランジスタの性質 メカトロニクス １２／１ ic ib アナログ電子回路 0. 6 ～0. 7V トランジスタの基本動作 メカトロニクス １２／１ 1 2 トランジスタで電流バッファを行う際、負荷にモータやソレノイドのような誘導性 の機器が接続されるときは、電流のon/offの際に発生する起電力によってトラン ジスタが破壊されるのを防ぐため図のような向きにダイオードをつないで保護を する。 トランジスタの使用例（デジタル回路との組み合わせ） トランジスタの保護（誘導性負荷に対して) メカトロニクス １１／２４ 3 トランジスタの使い方例 b ベースからエミッタへ電流が流れるとコレ クタに電圧（エミッタより０．３V程度以上) がかかっているとベースに流れる電流ｉｂ の定数倍（hfe）の電流が流れる。電流が 流れることでコレクターの電圧が０．３V 以下になると電流値はそれ以上増えな い。 メカトロニクス １１／２４ 図のようにICの出力電流を受けて大きな電流のコントロールをするときにトランジ スタを使用する。 メカトロニクス １１／２４ トランジスタのB(ベース)からE(エミッタ) に０．６V以上の電圧がかかるとダイオー ドと同様な特性で電流が流れる。電流が 流れている時のBE間の電圧は ０．６～ ０．７Vでほぼ一定である。 4 トランジスタの使い方例 • トランジスタのベースに流すべき電流は • a点に10Vの電圧を 掛けると、モータに 必要なトルクを発生 させるのに2Aの電 流を流す場合のR1 の値を求めてみる。 • Hfe=100とする。 Ic 2 0.02[A] h fe 100 • b点の電圧は0.6VとなるのでR1の両端の電 圧は9.4VとなりR1は 9.4 R1 470[] 0.02 Ib • となり470Ωの抵抗が必要となる。 メカトロニクス １２／１ メカトロニクス １２／１ 5 1 6 メカトロニクス １２／１ 発光ダイオード（ＬＥＤ） 発光ダイオード（ＬＥＤ） アノード（＋側） とカソード（－ 側）の区別は縁 の部分のカット か新品ならば脚 の長さで分かる。 • 低電圧（１．３～３．３Ｖ）、低電流（１０ｍＡ程 度）で十分光っているのが分かるのでいろい ろな場所で使われている。 • 青色のＬＥＤができ、赤、緑と組み合わせるこ とで多くの色を表現できるようになり、応用範 囲が急速に広まっている。 電極の形はたま に逆の極性の 製品もあるので 注意。 赤色ＬＥＤ メカトロニクス １２／１ メカトロニクス １２／１ 7 発光ダイオード（ＬＥＤ） LEDの性質 • 電流を流すのに必要な電圧は、 図の左から右の方向にし か電流を流さない。 – 赤外では1.4V程度。 – 赤色、橙色、黄色、緑色では1.8～2.1V程度。 – 白色、青色では3.5V程度。 – 紫外線LEDは、4.5～6V程度。 LEDではこのあたりの 状態で光を発生する。 • この電圧を超える電圧を掛けると大きな電流 が流れてＬＥＤを破壊する。 メカトロニクス １２／１ 8 ダイオードの一般的な 電圧ー電流の特性を詳 細に見ると左図のよう になる。 メカトロニクス １２／１ 9 10 発光ダイオード（ＬＥＤ）の使い方 図のように直列に抵 抗をつないで電流を 制限し流れる電流を 適当な値にする。 電源 電源電圧が変動す る場合には定電流 素子などを使う場合 もある。 ＬＥＤの使い方 メカトロニクス １２／１ メカトロニクス １２／１ 11 2 12 メカトロニクス １２／１ 乾電池の放電特性 放電すると徐々に端 子電圧が下がって いく。 リチウムボタン電池の構造 乾電池の構造 リチウム電池の構造 メカトロニクス １２／１ メカトロニクス １２／１ 13 14 リチウム電池の保存特性 常温で保管すればかなりの年数でも保管可能 放電がほぼ終わるまで端子電圧はあまり変化しない。 メカトロニクス １２／１ リチウム電池の放電特性 メモリバックアップ回路 メカトロニクス １２／１ メカトロニクス １２／１ 15 電源回路（+5V）から の電流の供給が止ま るとリチウム電池の 方の電圧が高くなる のでリチウム電池か らメモリへ電源が供 給されるようになり、 メモリへの電源の供 給が途切れないよう になる。この場合の 電流は非常に少ない のでリチウム電池の 交換無しで年単位の バックアップが可能。 16 ニッカド電池の放電特性 ニッカド電池の構造 メカトロニクス １２／１ 17 3 18 メカトロニクス １２／１ 負荷(RL)両端の電圧 両波整流回路 ダイオード両端の電圧 半波整流回路 トランスに２つの巻線を用意する。交流の電圧が変化する ときどちらかの端が中央より＋側の電圧になるのでRLに は休みなく電流が流れることになる。（電圧はsinカーブで 変化する) トランスから供給される交流の＋側の時だけ負荷に電流 が流れ、逆の電圧のときはダイオードが電流をとめてしま う。 メカトロニクス １２／１ メカトロニクス １２／１ 19 ダイオードで交流を 整流しただけだと電 圧がsinカーブのよう に変化するので、変 動を抑える必要があ る。そのために平滑 回路が用いられる。 ブリッジ整流回路 ダイオードを４本ブリッジ状に結線すると、１つの巻線で も両波整流と同じように絶えず電流を取り出せるように なる。 メカトロニクス １２／１ 図１２ 平滑回路 メカトロニクス １２／１ 21 決まった電圧を出力 するIC。回路に必要 な電源電圧よりも高 い（＋２V以上)電源 を入力に入れると所 定の電圧が出力から 取り出せる。 メカトロニクス １２／１ 図１３ ３端子レギュレータ 20 22 ３端子レギュレータのブースト回路 ３端子レギュレータを流れる電流が増えて抵抗Rでの電圧 降下が０．７Vを越えるとトランジスタQのベースに電流が 流れるようになり、負荷にトランジスタを通って電源が供給 されるようになる。 メカトロニクス １２／１ 23 4 24 メカトロニクス １２／１ ＯＰアンプ ＯＰアンプは基本的に ＋－側電源端子 反転入力（＋で表示) OPアンプ回路 非反転入力（－で表示) 出力 の５本の端子を持つ。 これに微調整用の端子 が付いた８本のパッケー ジのタイプが一般的であ る。 メカトロニクス １２／１ 25 メカトロニクス １２／１ ＯＰアンプ回路での注意 ＯＰアンプ回路での注意 反転入力は“－”、非反転入力は“＋”で表示さ れるがこれは信号の電圧が＋やーではない といけないわけではないことに注意が必要。 それに対して、電源の＋ーは電圧の大小を（通 常は基準点に対してそれぞれ正負の電圧を とる)表している。 • 回路図を描くとき電源の配線は接続して当た り前のため省略されている場合がよくある。 （この授業での回路図でもこの後は省略す る。) • 実際の回路を作る場合当然のことながら電 源の配線は必ず必要であるので、実際に回 路を製作する場合は注意すること。（過去に 学生がこの間違いをしたことがある。） メカトロニクス １２／１ メカトロニクス １２／１ 27 ＯＰアンプ回路での注意 28 OPアンプ（オペアンプ） • OPアンプ(Operational amplifier:演算増幅器） は理想として次のような特性をもつ素子として 設計されている • 通常電源や、信号の基準となる０［Ｖ］の電位 の部分を回路ではＧＮＤ（グラウンド）と呼んで いる。実際に地面（大地）に接続することはあ まりないが電気回路の表記ではよく使う。 メカトロニクス １２／１ 26 – １．反転、非反転入力の差を増幅する。 – ２．増幅率は∞ – ３．入力インピーダンス（信号を出す回路から見て どれだけの抵抗をつながれた場合と同じ影響があ るかを示す数値）が∞ – ４．出力インピーダンス（信号を受ける回路が電流 を流したときの出力の変化の度合いを抵抗に換算 して示す数値)が０ メカトロニクス １２／１ 29 5 30 メカトロニクス １２／１ ＯＰアンプ（ＬＭ７４１）の等価回路 実際のOPアンプは図 のように３段の信号処 理を行う回路になって いる。 １．＋－入力の差を求 める回路 ２．電圧増幅 ３．出力バッファー（電 流を流しても出力電圧 の変動が小さいように する回路) ＯＰアンプの構成 メカトロニクス １２／１ メカトロニクス １２／１ 31 32 いろいろなOPアンプ 信号用OPアンプ１ 信号用OPアンプ２ パワーOPアンプ 各種ＯＰアンプ メカトロニクス １２／１ メカトロニクス １２／１ 33 34 OPアンプの出力の微 分値の最大をスリュー レイトと呼び、OPの性 能の１つの目安になる。 スリューレイトが高くな いと周波数が高く、振 幅が大きい出力を出 せなくなる。 周波数特性 位相特性 典型的なＯＰアンプ特性 メカトロニクス １２／１ スリューレイト メカトロニクス １２／１ 35 6 36 メカトロニクス １２／１ レポート課題１２／１ 締切り：12月7日17:00 ６号館事務室レポート提出boxまで。 図のようなトランジスタ、2本の抵抗、LEDからなる回 路がある。a点に４Vの信号が入力されたときにLED に20mAの電流を流して点灯させたい。 この場合、ＬＥＤに直列に接続されている抵抗R2の抵 抗値を求めなさい。LEDを点灯している時のトランジ スタのコレクタの電圧は0.3Vとする。また、トランジス タのベースにつながっているR1の抵抗値は何Ω以下 であればよいか求めなさい。また、そのときトランジス タのベースに流れ込む電流はどれだけかを求めなさ い。 トランジスタのhfe（電流増幅率）は150、 ベース-エミッター間の電圧は0.6V、 コレクタｰエミッタ間の電圧はベース電流を増やしても 0.3V以下にはならないものとする。 LEDの両端の電圧は電流にかかわらず2.1V、とする。 メカトロニクス １２／１ 37 7