トランジスタでパルスの出力を強化できますか？

ロジックICで発振させたパルスをトランジスタのエミッタフォロアで電流増幅させるために、写真の回路をどう作りかえたらいいでしょうか？

TC74HC00ADで発振させ、2SC2120のエミッタフォロアを通して抵抗値の少ないリード線につないで接地させるという回路を作りました。ループ状にした5mほどのこのリード線に磁界を発生させ、ループ内部にこれと平行なコイルを置いて起電させ増幅回路によってLEDを点灯させる、ワイヤレスもどきの実験のためです。発展させてループ内でラジコンカーみたいなものを走れるようにしたいというのが最終目標です。

トランジスタを使ったのは、スイッチング用途でなく、もっとリード線を長くしても動作できるように、パルスの増幅度合いを可変できるようにしたいためです。
ロジックICを使ったのは、手軽に狙った周波数付近で発振させるためです。
小学生の夏休みの工作レベルの簡易な回路で組みたいという方向性です。

私の回路では、トランジスタを通さずにロジックICから直接リード線のループで接地した方が、トランジスタをつける場合より、明るく安定してLEDが光ります。
しかし、比較で、リード線の代わりにスピーカーをつけると、当然ですがトランジスタをつけた場合でないと鳴らないのです。トランジスタのない方がよく光る上記LEDの実験と異なる結果のため、困っています。

リード線内のパルスの電流をトランジスタによって増幅できるのでしょうか？

No.1 ベストアンサー 回答者： angkor_h 回答日時： 2021/01/27 13:57

図に於いての問題点を…

1)　エミッター負荷が小さいと過大電流が流れて
トランジスターが壊れます。
エミッター側に電流制限抵抗が必要です。
2)　エミッター負荷がインダクタンス成分を持つと、
電流のオフによる逆起電力で、トランジスターが壊れます。
エミッターと接地の間に、ダイオードを逆向きに繋いで下さい。
3)　エミッター負荷がインダクタンス成分を持つと、
その電流は矩形波(パルス状)にはなりません。

> 私の回路では、…、明るく安定してLEDが光ります。
LEDは、負荷=0と同じです。
IC直接では発振停止になり、LED電流が流れっぱなし、では？
トランジスター接続では負荷がかなり大きな値になるので発振し、
LED電流がその分減るから、なのだと思います。
スピーカーでも、同じことが起こっているはずです。

エミッタフォロアよりも、
エミッタ接地によるコレクター負荷のほうが良いと思います。
NPNではなくPNPトランジスターで、次の接続です。
電源-抵抗-E、C-負荷-接地、C-ダイオード(逆向き)-接地
抵抗値=電源電圧÷流したい負荷電流最大値

ご参考まで。

この回答へのお礼

さっそくの的確なご回答をありがとうございます。

1) ご指摘の通り、無負荷のため、トランジスタから若干の異臭が当初してました。乾電池の電圧が下がったせいか今は異臭が治まってますが。
2) インダクタンス成分をもつエミッタ負荷とは、この場合ループ状のリード線と考えてよろしいでしょうか？逆起電力防止について、逆向きのダイオード設置となると、トランジスタの方に向いた形にするということでしょうか？素人の私はトランジスタに流れてしまうかなと思ってしまいました。
3) インダクタンス成分をもつエミッタ負荷への電流はパルスにならないのでしたら、電流が流れないと考えたら良いのでしょうか？
4) LEDについて説明下手で申し訳ありませんでした。LEDは発振回路にはつなげてないものです。発振回路とは別に、発振回路のループの円周の内側に、コイル>ゲルマニウムダイオード>増幅回路>LED、という形で独立して組んだ受信回路内のものです。これが発振回路のトランジスタの有無によって明るさが変わり、トランジスタなしの方が明るかったのです。なお、スピーカーは発振回路につけた時の話です。ややこしい説明で申し訳ありません。
5) 発案いただいたPNP利用回路は、コレクタに続く負荷のところが、ループ状リード線と考えてよろしいでしょうか？

勉強不足、質問下手でうまくお伝えできていないかもしれませんがさらにアドバイスいただけたら幸いです。

お礼日時：2021/01/27 18:23

No.2 回答者： m-jiro 回答日時： 2021/01/27 17:55

トランジスタはエミッタ接地で使った方が有利です。

エミッタホロワでは、エミッタ電圧がB-E間のバイアス電圧ぶんロスするので高くなりません。つまりエミッタ電圧は2.4Vまでしか上がりません。
エミッタ接地ではB-C間の飽和電圧が0.1V程度なので電源電圧が有効利用できます。特に3V程度の低電圧では差が大きいです。ICとベースの間には2KΩ程度の抵抗が必要です。
なお外部のループコイルと直列に20Ω程度の抵抗を入れましょう。電流が流れ過ぎてトランジスタが破壊する可能性があります。20Ωだとピーク電流は150mA、直流電流は75mA程度となります。
この抵抗を小さくするとパワーが増しますが、その際にはトランジスタを大きいものにしてください。
ICの入力部に50～100KΩの抵抗を入れましょう。これは1、2番ピン内部にある保護ダイオードが6番ピンの負荷になってICが破壊することがあるためです。
回路案を添付しておくので参考にしたください。

この回答へのお礼

綺麗な回路図や定数計算までしていただき、ありがとうございます。

勉強不足で、エミッタ接地=電圧増幅用、エミッタフォロア=電流増幅という勝手な固定観念があったため、エミッタフォロアに固執してしまってました。
3V電源だとVbe分の電圧のロスの占める割合が大きくなってしまうのですね。電流増幅したとしても電圧も保っておかないと電力増幅にはいたらないという理解でしょうか。
ICに対しても保護を施す必要があるのも勉強になります。

お礼日時：2021/01/27 20:20

No.3 回答者： angkor_h 回答日時： 2021/01/27 19:09

No.1です。

2)
長いリード線自体がインダクタンスになり、
それをくるくるまけばインダクタンスの値がより大きくなります。
その影響はパルスの周波数に依存します。
逆向きのダイオードとは、エミッタ→接地の電流方向の逆向き、
という方向取り付けです。

3)
インダクタンスに対する電流波形は、
印加電圧が矩形波の場合は、三角波電流に近くになります。

4)
詳細の理解が及びませんが、
回路定数や負荷の変化で発振状況が変化(停止)した、
と言う事でしょう。

5)
先に書いた、「C-負荷-接地」の負荷がループ状リード線になります。
ここにも、逆向きのダイオードを忘れずに。
怠れば、感電したり、その高電圧でトランジスタが破壊されます。

この回答へのお礼

拙い質問に再度お答えいただきありがとうございます。

･インダクタンス->逆起電力は、これから意識するようにします。
･矩形波+インダクタンス=三角波は、面白いですね、音にすると何かしら変化しているんでしょうね
･PNPの方法は#2の回答者様と同様、コレクタ接地で電圧を有効利用するものなのですね。準備整え、再度実験してみます

お礼日時：2021/01/28 14:36

No.4 回答者： angkor_h 回答日時： 2021/01/28 15:32

No.3です。

> ･矩形波+…三角波は、…、音にすると何かしら変化して…
高調波成分が変わるので、音色が変わります。

> ･PNPの方法は…、コレクタ接地で
いいえ。エミッタ接地です。
No.2さんの回路は、負荷の一端が電圧源なので、
これを接地側にする場合はPNPを使ってできる、と言う事です。
発振回路のC-MOS出力は±同等なので、この置き換えが簡単です。

エミッタ接地かコレクタ接地か、と言うのは、
接地極側の話しではなく、どこを基準に動くか、と言う事です。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
エミッタ接地なのですね、失礼いたしました。

エミッタへの電流制限抵抗を小さくするとトランジスタが熱くなるので、しっかりと電流増幅しているようです。
ただ、ループで発生させた磁界でもって起電する別回路内のLEDは明るさが変わらなかったので、そもそも、「ループの電流さえ増幅させたら、受信側コイルの起電力も上がる」と思った私の短絡的な考えが間違っていたのかなと思いました。電流ではなく(のみならず？)電圧が(も？)起電力にとっては重要かもしれない。また、この度変化させなかった周波数も起電力に関係するかもしれない、という推論にいたることができました。

私の稚拙な考えに懇切丁寧にいろいろとご教授いただきありがとうございます。回答者のお二方とも私にとっては書籍で得るよりも断然分かりやすい知識をご教授いただいたので、ベストアンサーを選ばないせていただくなど大変おこがましいですが、僭越ながら選ばせていただきました。

お礼日時：2021/01/29 08:39