トランジスタとフォトレジスタを組み合わせよう

トランジスタのスイッチング作用を知ろう

ここで使う道具

フォトレジスタを使った回路の復習

「光センサーのフォトレジスタを使ってみよう」おさらいだよ

フォトレジスタと LED を並列につないだ回路を作ったね 指で隠したときに 2kΩ の抵抗にかかる電圧が 1.25V だったから、LED にかかる電圧は 3V - 1.25V = 1.75V になるね この電圧だと LED はぎりぎり光るね

2kΩ の抵抗に流れる電流は 1.25V / 2kΩ = 0.63mA
指で隠したときのフォトレジスタの抵抗値は 4.5kΩ だから、フォトレジスタに流れる電流は 1.75 / 4.5kΩ = 0.39mA LED に流れる電流は、2kΩ の抵抗に流れる電流からフォトレジスタに流れる電流を引いた値だから 0.63mA - 0.39mA = 0.24mA
だね
この電流値だとあまり強くは光らないね

この小さい電流をトランジスタのベース電流として使って、コレクタ電流で LED を強く光らせるようにしよう

トランジスタとフォトレジスタを組み合わせよう

さっきの回路で LED に繋がっていた分岐をトランジスタのベースにつなげて、
LED と抵抗の直列回路をトランジスタのコレクタにつなごう 2kΩの代わりに、明るいときのフォトレジスタの抵抗値の9倍(1.3kΩ x 9 =11.7kΩ)以上で、暗いときのフォトレジスタの抵抗値の4倍(4.5kΩ x 4 = 18kΩ)より小さい抵抗を使うよ
ここでは 15kΩ を選んだよ

明るいときはベース・エミッタ間にかかる電圧 VBE が 0.3V (ベース・エミッタ間順方向降下電圧の半分)より
小さくなるように、
指で隠したときは VBE が 0.6V (ベース・エミッタ間順方向降下電圧)を超えるようにするよ

明るいときの動作

明るいときは LED が光らないね

15kΩ の抵抗にかかる電圧を測ってみよう 2.8V だから、この抵抗を流れる電流は 2.8V / 15kΩ = 0.19mA だね フォトレジスタにかかる電圧は 3V - 2.8V = 0.2V だね

トランジスタのベース・エミッタ間はフォトレジスタと並列だから、ベース・エミッタ間の電圧 VBE も 0.2V になるよ VBE = 0.2V はベース・エミッタ間の順方向降下電圧(だいたい 0.6 〜 0.7V)より小さいから、ベース電流はほぼ 0 になるよ ベース電流がほぼ 0 なので、コレクタ電流もほぼ 0 になるよ

100Ω の抵抗にかかる電圧を測って確かめてみよう 100Ω の抵抗にかかる電圧 は 0V だね
0V / 100Ω = 0A だからコレクタ電流は 0 になっているね トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧も測ってみよう 1.4V くらいだね
3V から電流がほぼ 0 のときの LED の順方向電圧(1.6Vくらい)を引いた値になっているよ ベース・エミッタ間の電圧 VBE が順方向降下電圧(だいたい 0.6 〜 0.7V)より小さいから
コレクタ電流が流れなくて LED が光らないよ

つまり、トランジスタをスイッチとみなすと OFF になっている状態だね

暗いときの動作

フォトレジスタを指で隠すと LED が光ったね 15kΩ の抵抗にかかる電圧を測ってみよう 2.34V だから、この抵抗を流れる電流は 2.3V / 15kΩ = 0.16mA だね フォトレジスタにかかる電圧は 3V - 2.34V = 0.66V だね
ベース・エミッタ間の電圧 VBE も 0.66V になるよ VBE = 0.66V のとき、ベース電流 IB はだいだい 35μA = 0.035mA になるよ フォトレジスタに流れる電流は 0.16mA - 0.035mA = 0.125mA だね 直流電流増幅率 はトランジスタの種類によって異なるけど、ここでは 2SC1815 の Y (詳しくは 2SC1815 のデータシートを見てね)を使っているから
直流電流増幅率 hFE = 200 として計算すると
コレクタ電流は IC = hFE x IB = 200 * 35μA = 7000μA = 7mA
だよ

100Ω の抵抗にかかる電圧を測って確かめてみよう 0.73V だから 0.73V / 100Ω = 7.3mA だね LED にかかる電圧は光っているときの順方向電圧(赤色 LED だと約 2V)がかかるから、
トランジスタのコレクタ・エミッタ間には 3V - 0.7V - 2V = 0.3V がかかるよ ベース・エミッタ間の電圧 VBE が順方向降下電圧(だいたい 0.6 〜 0.7V)に達したから
数mA のコレクタ電流が流れて LED が強く光ったね!

トランジスタをスイッチとみなすと ON になっている状態だよ



まとめると、

VBE < 0.6 → トランジスタ OFF → コレクタ電流ほぼ 0 → LED 光らない
VBE > 0.6 → トランジスタ ON → コレクタ電流あり → LED 光る

のようにトランジスタの ON/OFF で LED の点灯/消灯 を切り替えられるということだよ

スイッチング作用

フォトレジスタのようなセンサーを使うとき、センサーから得られる電流値の変化が小さいので
それをトランジスタのベース電流として使って、トランジスタをスイッチのように使うことが多いよ

やってみよう

15kΩ の抵抗を 10kΩ の抵抗と 10kΩ の可変抵抗の直列回路に変更してみよう

可変抵抗のつまみを回すとどうなるかな?
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