エミッタ接地回路の反転スイッチ、飽和、β、負荷条件、インバータ、などについて

ここではトランジスタを使った簡単なスイッチ回路について考えてみます。エミッタ接地回路は増幅だけでなく、Ｈ or Lを出力するスイッチとしても使うことができます。では、どのようにすればエミッタ接地回路をスイッチとして使うことが出来るのでしょうか？順に見ていきましょう。

１、スイッチは飽和させて使う！？

まず、エミッタ接地回路のベースに0V～5Vの電圧を印加し、そのときの出力電圧をみてみましょう。ただし、コレクタの抵抗負荷を小さい場合と大きい場合の2通りで確認してみます。

(a) 　基本エミッタ接地回路
Fig.1 負荷抵抗が小さい場合

(b)　入力電圧対出力電圧

(a) 　基本エミッタ接地回路
Fig.2 負荷抵抗が大きい場合

　(b)　入力電圧対出力電圧

上記Fig.1と2で抵抗負荷が大きい場合と小さい場合でSimをしてみましたが、抵抗負荷により出力特性が大きく異なる様子が分かると思います。
なぜなのでしょうか？

Fig.1の場合は負荷抵抗が小さいため、VIN=4.8V付近でもトランジスタが完全に飽和していないからです。Fig.2の場合は抵抗負荷が大きいため、少量のコレクタ電流で抵抗負荷の電圧降下が大きくなり、上記の場合、VIN=0.8V程度で飽和するためです。Sim結果から分かりますように、切り替わり電圧付近以外は電源電圧付近か0V付近かが明確です。つまり、エミッタ接地回路で、ある負荷に対し、トランジスタが飽和する状態になれば、出力電圧は電源電圧付近もしくは0V付近の電圧になり、この結果を使えばH or Lのスイッチとして使えるということなのです。

２、トランジスタが飽和する条件は？

実際に使用するトランジスタのデバイス特性にもよりますが、目安として、トランジスタを飽和させるためには通常hFEを最低10もしくは5倍以下程度に設定すればよいでしょう。実際はデバイス特性を見て、十分飽和するレベルを確認する必要があります。

３、スイッチ回路の簡単設計手順

では簡単な設計手順を考えてみましょう。

１、回路の仕様にあわせて消費電力やトランジスタの能力を考えて
　　負荷抵抗値を決定する。

２、１で決まった負荷抵抗に対し、βが5以下程度のベース電流を
　　設定する。

３、VIN－Vout特性を確認し、ONした時、飽和領域で
　　動作できているかを確認する。

簡易的には以上で設計出来ます。

★ベース電流が決まっている場合

１、ベース電流の値を決定する。

２、ベース電流の値の5倍以下程度のコレクタ電流値になるように
　　負荷抵抗を決定する。

今回は、エミッタ接地回路を反転スイッチとして使う方法を考えてきました。エミッタ接地回路は増幅器だけでなく、反転スイッチとしても使うことが出来る便利な回路です。もう一度復習しておくと、反転スイッチとして使う場合、一番重要なことはトランジスタをONさせた時、使用するいかなる条件の場合でも、トランジスタをきちんと飽和させるということです。

引き続き、エミッタ接地の簡易モデルを勉強してみる
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