スイッチとしてのトランジスタ

学習指導要領： Sek I/II, A-level (Electronics), electronics courses

目的¶

小さなベース電流が大きなコレクタ電流を制御するようすを見て、トランジスタの電流増幅率を測定します。

実験装置¶

6 V の電圧源があります。ベース回路では、スイッチ、4.7 kΩ の抵抗、電流計が NPN トランジスタ（\(\beta\) = 100）のベースにつながっています。コレクタ回路では、6 V / 0.5 W の電球と電流計がコレクタにつながっています。エミッタは電圧源の−極につながっています。スイッチは閉じています。

手順¶

両方の電流計の値を記録し、ベース電流に対するコレクタ電流の比を求めます。
スイッチを開き、再び閉じます。電球のようすを観察します。
ベース抵抗のパラメータカードで 4.7 kΩ を 47 kΩ に変えます。もう一度両方の電流を記録し、その比を求めます。
トランジスタのパラメータカードで、電流増幅率 \(\beta\) を 100 から 200 に変えます。

予想される結果

ベース電流は約 1.1 mA、コレクタ電流は約 82 mA で、電球はほぼ最大の明るさで光ります。電流の比は約 73 で、\(\beta\) より小さくなります。トランジスタは飽和していて、コレクタ電流はベースではなく電球によって制限されています。ベース電流がないとトランジスタはオフになり、電球は消えます。47 kΩ の抵抗では、ベース電流は約 0.11 mA、コレクタ電流は約 11 mA で、電流は流れているのに電球は光りません。フィラメントは 960 K までしか熱せられないからです。電流の比は \(\beta\) = 100 に等しくなります。\(\beta\) = 200 ではコレクタ電流は2倍の 23 mA になり、ベース電流はほとんど変わりません。実際のトランジスタでは \(\beta\) を選ぶことはできません。同じ型のトランジスタでも 100 から 300 までばらつきがあり、47 kΩ の抵抗のときの電流の比が、手もとのトランジスタの \(\beta\) を示します。

問題¶

電球を点ける電流は、電球自身の電流の何分の1ですか。
4.7 kΩ の抵抗では電流の比が \(\beta\) より小さく、47 kΩ ではそれに等しくなるのはなぜですか。
この電球でトランジスタを飽和させることのできるベース抵抗の最大値はいくらですか。

解答

約73分の1です。約 1.1 mA のベース電流で、約 82 mA の電球の電流をオンにします。
4.7 kΩ では、1.1 mA のベース電流なら \(\beta \cdot I_B\) ≈ 110 mA まで流せるはずですが、これは 6 V で電球が流す約 82 mA より大きな値です。トランジスタは飽和しています。コレクタ・エミッタ間の電圧は小さく、電流は電球と電圧源で決まり、ベース電流を増やしても電流は増えません。47 kΩ では \(\beta \cdot I_B\) ≈ 11 mA で、電球が流しうる電流よりはるかに小さく、トランジスタは能動領域で動作し、コレクタ電流はベース電流の \(\beta\) 倍に等しくなります。
飽和させるには \(\beta \cdot I_B\) が電球の電流以上である必要があるので、\(I_B\) ≥ 82 mA / 100 = 0.82 mA です。ベース抵抗にはおよそ 1.1 mA · 4.7 kΩ ≈ 5.2 V がかかるので、\(R_B\) ≤ 5.2 V / 0.82 mA ≈ 6.3 kΩ、つまり約 6 kΩ です。実際には \(\beta\) のばらつきに対する余裕をもたせるため、その数分の1の抵抗を使います。