【電子工作入門】抵抗分圧についての説明、トランジスタの計算方法と実習！

今回は、抵抗分圧についてと、トランジスタの計算方法と実習について説明したいと思います。

トランジスタの計算方法について説明したいと思います。

トランジスタを使用したい場合、「　左側の小さな電流の回路　」と「　右側の大きな電流の回路　」と「　両方を意識した回路全体　」の3つを考えてあげる必要があります。
※　回路構成や足の本数によって多少の違いはありますので注意してください。

いきなり「　全体の回路　」を考えるのは難しいですが、一つ一つ回路を分けて考えることにより理解しやすくなると思います。

どんな大きな複雑な回路も、小さな回路の集まりでしかないので、難しいという先入観にとらわれず、地道にひとつづつ理解してもらえたらと思います。

LEDを今回使用するため、LEDの使用条件を決めておきたいと思います。

さくらさん、この回路はどんな回路だと思いますか。

そうですね。

図面左側の小さな電流を使って、右側の大きな電流を動かす回路になります。

また、「　？マーク　」で値が不明な部分も見られますね。

今回はこの「　？マーク　」の不明な部分の値を「　計算　」で導き出してみましょう。

トランジスタのコレクタ部に使用する抵抗「　抵抗RC　」を求めたいと思いますが、少し回路が複雑なので右側のLEDを点灯させる回路だけにして考えてみたいと思います。

回路図より、電源V2は「　5V　」。

上記LEDの条件より、順方向電圧は「　2.1V　」、順方向電流は「　0.02A(20mA)　」なので、オームの法則に当てはめると下記になります。

今回「　hFE（直流電流増幅率）は100　」のため、電流ICの「　20mA　」は、電流IBの「　100倍　」と言うことが言えます。

ということは、電流IBは、電流ICの「　1/100　」ということが言えるので、

電流IB　＝　20mA　÷　100　になります。

ベース部に使用する「　抵抗RB　」も、求めやすいよう、左側の回路だけにして考えてみたいと思います。

回路図より、電源V1は「　3V　」、電流IBは先ほどの計算結果より「　0.0002A（0.2mA）　」のため、オームの法則に当てはめると下記になります。

計算結果は、「　11.5kΩ　」となりましたが、ぴったりだとトランジスタのバラツキの影響でLEDの点灯に必要な20mAに足りなくなる恐れがあるため、「　10kΩや5kΩ　」など、少し低目の抵抗を使用するのが望ましいです。

仮に、IB×hFEが20mA以上になっても、右側の回路はLEDに20mAしか電流が流れないよう「　2で計算している　」ので問題ありません。

今回「　？マーク　」はありませんでしたが、参考に「　電流IE　」の計算も記載しておきます。

「　？マーク　」の結果は下記になります。

「　hFE：100の時　」コレクタ電流(IC)がベース電流(IB)の100倍流れると言っていますが、そもそもコレクタ側に100倍を許容する能力が無ければ100倍は流れないので注意してください。

いくら計算では大電流を流せることになっていても、乾電池1本しか使っていなければ、それ以上の電流は流せませんよと言うことです。

抵抗の分圧について説明したいと思います。

以前、「　直列と並列についてと、キルヒホッフの法則について！　」で少し触れましたが、「　抵抗の分圧　」について簡単におさらいをしたいと思います。

下図のように「　電源①が5V　」だった時、「　抵抗が3Ωと2Ω　」だったら「　②は3V　」と「　③は2V　」)の電圧が掛かります。
※　回路は数値を誇張して表現しています。同様の回路は作成しないでください。

抵抗を利用することで、電圧の大きさを変化させられることをなんとなくイメージできたでしょうか？

次はこの性質を利用し、「　欲しい大きさの電圧を作る方法　」に付いて説明したいと思います。

今度は、下のような回路があったとします。「　Vout　」に出力される電圧は何ボルト(V)になると思いますか。

抵抗分圧の公式を使うと分かるのですが、難しいので先に答えを見てください。

このようなタイプの回路の場合、「　R1　」と「　R2　」が同じ抵抗値なら、「　Vinの半分　」が「　Vout　」になるのが特徴です。

今度は「　R1　」と「　R2　」の抵抗の大きさが違います。このような場合も式に当てはめると答えが分かります。

「　抵抗の分圧　」などと難しく言っていますが、実は下の図のように、「　直列と並列　」を混ぜた回路と言うだけです。

上の図を分かりやすくすると下図になります。

もっと分かりやすく書くと、下図のようになります。

どちらも同じ回路構成ですよね？

このように、「　抵抗の分圧　」を利用すると、回路の中で自分の欲しい電圧を作りだすことが可能になります。

トランジスタとフォトレジスタで遊びましょう！

今回も計算などを記載しておりますが、参考程度で眺めて計算などしなくてOKです。

実際の作業をメインに遊んでみてください。

トランジスタとフォトレジスタで遊ぶため、下記「　用意する物　」を準備してください。

下の回路図に習って、ブレットボードで回路を作成してみましょう。
※　抵抗のカラーコードはイメージです。実際のものとは異なります。

回路①は、フォトレジスタ（CdS）を暗くするとLEDが点灯する回路になります。

3Vの電源を、「　抵抗の分圧　」を利用してLEDに供給しています。

抵抗(R1)が10kΩでフォトレジスタが10kΩなので、明るい時はLEDに1.5Vしか供給されていませんが、暗くなるとフォトレジスタの抵抗が1Mまで上がっていきますので、3Vに近い電圧が供給されLEDが点灯します。

ただし、R1に10kΩを使用しているため、LEDが点灯してもうっすらとしか点灯しません。

電源3Vで、LEDを電流20mAで点灯させるには、抵抗45Ωで足りるので、10kΩ(10000Ω)では大きすぎますね・・・。

回路の電源をONにし、フォトレジスタを段ボールや手などで隠し、暗くしてみましょう。

LEDは光りましたか。

あまり明るくならなかったと思いますが、今回は、フォトレジスタが動いていることが確認出来たら良しとしましょう。

トランジスタとフォトレジスタで遊ぶため、下記「　用意する物　」を準備してください。

少し複雑になりますが、下の回路図に習ってブレットボードで回路を作成してみましょう。

回路②も、フォトレジスタ（CdS）を暗くするとLEDが点灯する回路になります。

但し、回路①はLEDが暗すぎたので、トランジスタを今回使用しました。

LEDをONさせたいときはVBEに0.7Vが必要になり

LEDをOFFしたいときはVBEが0.7Vより小さく（すごく小さく）してあげる必要があります。

実際には計算をしてあげる必要があるのですが、今回は私の方で計算しましたので下記を参考にしてください。

「　用意する物　」と同じ材料を使用している場合、特に計算する必要はありません。

11.5kΩ　より大きく、13.25kΩ　程度のものを使いたいため、

今回は「　14kΩ　」にしました。

回路の電源をONにし、フォトレジスタを段ボールや手などで隠し、暗くしてみましょう。

LEDは光りましたか。

何もしなくても光っているし、暗くしても光っている場合、日中でも、部屋が少し暗いと上手くいかないと思うので、部屋の電気を付けるなどして部屋を明るくしてみてください。

今回は、「　回路①　」とは違い、LEDの点灯/消灯が確認出来ると思います。

今回は実習メインなので、下記二つの確認が出来たら良しとしてください。