トランジスタとコンデンサを組み合わせよう

LED をふわっと光らせよう

ここで使う道具

コンデンサを使った回路の復習

「コンデンサと LED を組み合わせよう」のおさらいだよ

コンデンサと LED を並列につないだ回路を作ったね じょじょにコンデンサに電荷が溜まると、コンデンサと並列になっている LED にかかる電圧も上がっていって
LED の順方向電圧に達すると LED が光るんだったね LED の明るさの変化をゆっくりにするには、コンデンサの充電をゆっくりにすればいいよね
そのためには の2つの方法があるよ

コンデンサは容量が大きくなると体積も大きくなるから、すごく大きくするのは難しいね
抵抗値が大きい抵抗に変えるのは簡単だけど、電流が小さくなるから LED があまり明るくならないね

この問題を解決してくれるのがトランジスタだよ!

トランジスタを使って、LED に流れる電流は大きいまま LED の明るさの変化をゆっくりにしてみよう

トランジスタとコンデンサを組み合わせよう

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 コンデンサを放電できるようにトグルスイッチを使っているよ 一旦トグルスイッチを電源を通らない回路のほうにしてから、電源を通る方に切り替えてみよう
LED の光り方はどうなったかな?

スイッチを入れた直後

最初コンデンサには電荷が溜まっていないから、コンデンサにかかる電圧は 0V だよ
トランジスタのベース・エミッタ間はコンデンサと並列だから、ベース・エミッタ間の電圧 VBE も 0V になるよ

電源電圧の 3V は全部 15kΩ の抵抗にかかるから、この抵抗を流れる電流は 3V / 15kΩ = 0.2mA だね ベース・エミッタ間の電圧 VBE が 0V の場合、ベース電流も 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 になって、LED は最初光らないよ 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

コンデンサ充電中

じょじょにコンデンサに電荷が溜まると、コンデンサと並列になっている ベース・エミッタ間の電圧 VBE も上がっていくよ ベース・エミッタ間の電圧 VBE が 0.58V くらいに達したころから LED が光りはじめるよ

VBE = 0.58V → IB = 1μA → IC = 200μA = 0.2mA
VBE = 0.6V → IB = 5μA → IC = 1000μA = 1mA
VBE = 0.65V → IB = 30μA → IC = 6000μA = 6mA

IC = hFE x IB
hFE = 200(2SC1815(Y) の場合)


15kΩの抵抗に流れる電流とベース電流 IB が同じになるまでコンデンサが充電される
(ベース・エミッタ間の電圧 VBE が上がる)よ

コンデンサの充電が終わった

コンデンサにかかる電圧と、ベース・エミッタ間の電圧 VBE を測ってみよう
どっちも 0.71V だね

15kΩ の抵抗には 3V - 0.71V = 2.29V の電圧がかかるから
流れる電流は 2.29V / 15kΩ = 0.15mA だね ベース・エミッタ間の電圧 VBE が 0.7V のとき、ベース電流 IBは 150μA = 0.15mA くらいになるね 15kΩ の抵抗に流れる電流はすべてベース電流 IB になっているということだね
コンデンサには電流が流れないからこれ以上充電されないよ ベース電流 IB が 0.15mA だからコレクタ電流は hFE x IB = 200 x 0.15mA = 30mA になりそうだね

100Ωの抵抗にかかる電圧を測ってみよう 0.9V だから、実際のコレクタ電流 IC は 0.9V / 100Ω = 9mA だね

実は、コレクタ電流 IC がベース電流 IB の hFE 倍になるのは
hFE x IB がコレクタ電流としてながせる電流値の最大を超えてないときだけなんだ

hFE x IB がコレクタ電流としてながせる最大電流値を超えている状態を飽和しているというよ
飽和しているときのコレクタ・エミッタ間の電圧をコレクタ・エミッタ間飽和電圧というよ 2SC1815 では、コレクタ・エミッタ間飽和電圧の標準値は 0.1V だから
飽和しているときに 100Ω にかかる電圧は 3V - 0.1V - 2.0V(LEDの順方向電圧) = 0.9V だね
よって、この回路では 0.9V / 100Ω = 9mA がコレクタ電流としてながせる最大電流値になるよ

hFE x IB が 9mA より大きくなると、コレクタ電流は 9mA のままベース電流が多くなっても変わらないよ

コンデンサ放電中

スイッチを切り替えて電源を通らないようにすると、コンデンサに溜まっていた電荷が放電されるよ

コンデンサに溜まっていた電荷分の電圧がベース・エミッタ間にかかるので LED はすぐには消えないよ コンデンサにかかる電圧が減っていくと、コンデンサと並列になっているベース・エミッタ間の電圧 VBEも小さくなっていくので LED がだんだん暗くなるよ

ベース電流がだんだん小さくなる → コレクタ電流もだんだん小さくなる → LED がだんだん暗くなる

やってみよう

抵抗を 27kΩ にしてみよう
光り方はゆっくりになったかな?
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