【基礎から学ぶトランジスタ】 トランジスタの増幅作用

今回は、「トランジスタの増幅作用」についての説明です。

１．ポイント

２．トランジスタの増幅作用

トランジスタには信号を増幅する機能があります。
そのこと自体は過去の記事でも触れています。
今回は、その増幅作用について説明していきます。

トランジスタの3端子はそれぞれベース(B)、エミッタ(E)、コレクタ(C)でした。
それぞれの端子に流れる電流はベース電流I_B、エミッタ電流I_E、コレクタ電流I_Cとなります。
これらの電流の関係は、ベース電流I_B＋コレクタ電流I_C=エミッタ電流I_Eとなります。
コレクタ電流とエミッタ電流がごちゃ混ぜになる人は、回路記号上でベース－エミッタ間に矢印が付くことを最低限覚えて、npn型トランジスタとpnp型トランジスタの電流の流れる原理を思い出してください。
そうすれば公式として覚える必要は全く無くなります。

微小なベース電流を流すことでコレクタ－エミッタ間に大きな電流を流すことができる…それがトランジスタの特徴の一つである増幅作用です。
“増幅作用”と言っていますが、実際の動きは小さな電流を流すと別の経路から大きな電流が流れるようになるというリレーと同じような働きをしているだけだったりします。
つまり、増幅というより制御ですね。

ベース電流が大きくなるほどコレクタ－エミッタ間に流れる電流も大きくなるので、そういう観点では増幅しているようなものとみなせるから増幅作用と呼んでいるのでしょうかね？

３．トランジスタとリレーの決定的な違い

『リレーと同じような働きをするならリレーを使えば良いのでは？』と思うかもしれませんが、トランジスタとリレーには決定的な違いがあります。

それは、0か1以外の状態があるか無いかです。

リレーはコイルが励磁されているかどうかでスイッチ部分がONかOFFのどちらかになります。
中途半端な状態というものは存在しません。
その為、リレーの場合は何も流れていない状態(0)と全て流れている状態(1)の切り替えはできるけど、少しだけ流すという中間値の制御はできないわけです。

それに対し、トランジスタは中間値の制御・調整が可能になります。
先程述べたように、トランジスタはベース電流をどれだけ流すかによってコレクタ－エミッタ間に流れる電流値が決まります。
なので、ベース電流をどの程度流すか決めて意図的に出力を最小値(0)でも最大値(1)でもない値に制御することが可能になります。

リレーについて詳しく知りたい場合は以下の記事も併せて確認してください。

【電気部品・電子部品の解説】 リレーとは？ ～電気的に接点を切り替えてON/OFFを制御する部品～

電気の仕事をしていると様々な部品を用いる機会が出てきます。この記事では、そんな部品について基本からわかりやすく解説していけたらと思っています。今回はリレーについてまとめてみました。

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2022.06.11

４．トランジスタの電流増幅率

ベース電流を変化させるとコレクタ－エミッタ間に流れる電流が変化するのはわかっていますが、具体的にどの程度になるのでしょうか？
それを表したものが電流増幅率です。
通常、h_FEと書きます。

電流増幅率h_FEはコレクタ電流I_Cとベース電流I_Bの比です。
式で表すと、h_FE=I_C/I_Bとなります。

電流増幅率は100や200や∞などに設定されている問題がよく出てくるので、ベース電流に対してコレクタ電流が如何に大きいかは想像できるかと思います。
実際にどんな考え方になるのかは例を見てみましょう。

以下のような電流増幅率h_FE=100のトランジスタがあり、ベース電流I_B=0.01[mA]だったとします。
これだけ条件が揃っていれば、コレクタ電流及びエミッタ電流は簡単に算出することが可能です。

この例はnpn型トランジスタですが、pnp型に関しても電流の流れる方向が変化するだけで考え方は同じです。

ちなみに、教科書や参考書に載っている練習問題では電流増幅率は∞扱いされていることが多いです。

なぜ∞扱いされていることが多いのかというと、コレクタ電流I_Cはベース電流I_Bの電流増幅率倍になるのでI_B<<I_Cになります。
ということは、コレクタ電流に対してベース電流は非常に小さいというかほぼ0[A]だと言えます。
つまり、I_E＝I_B＋I_C≒I_C ➡ I_E≒I_Cという関係が成り立ちます。
なので、計算に端数のような大きさのベース電流が関わることが無くなります。

教科書や問題集で知識として理解する段階では、知って欲しい内容以外の余分な情報を削除する傾向にあるからこその扱いということですね。
理想的な電源、理想的なダイオードとかと同じです。

５．練習問題

簡単な練習問題を用意したので解いてみましょう。
実際に問題を解いた方が記憶に定着しますからね。

図2のような回路があったとします。

ベース電流I_Bが10[μA]の時に出力V_OUTが8[V]だったとします。
この時の電流増幅率h_FEを求めてみましょう。

電流増幅率h_FEは、コレクタ電流I_Cをベース電流I_Bで割った値となります。
なので、コレクタ電流I_Cを求める必要があります。

まず、出力電圧V_OUTは、直流電源電圧10[V]と比較して2[V]低下しています。
ということは、2kΩ抵抗にコレクタ電流が流れて2[V]の電圧降下が発生していると言えます。
この関係を式で表すと、以下のようになります。

V_OUT=E－RI_C

この式に値を代入し、コレクタ電流I_Cを求めます。

これでコレクタ電流I_C=1[mA]だとわかったので、電流増幅率h_FEは以下のようになります。

以上、「トランジスタの増幅作用」についての説明でした。

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