コレクタ・エミッタ間電圧やベース・エミッタ間電圧を決める際のデータ・シートの読み方

添付画像の回路での抵抗値(R1, R2)の決め方に関して質問です。
LED1を駆動するコレクタ電流を仮に50mAとします。
データ・シート(例えばhttp://akizukidenshi.com/download/2sc1815-y.pdf)のVCE(sat)-ICグラフやVBNE(sat)-ICグラフの横軸に50mAを当てはめて、読み取った縦軸の値をコレクタ・エミッタ間電圧やベース・エミッタ間電圧として用いていいのでしょうか。
その際、グラフにある「飽和」や「IC/IB = 10」という条件はどう考えたらいいでしょうか。
IC=50mAと仮定しているので、0.05/IB=10よりIB＝5mAとなりますが、一方でhFE-ICグラフではhFEは120くらいなので、IB=0.5mAでよさそうと思ってしまいます。
それともVCE(sat)-ICグラフやVBNE(sat)-ICグラフのコレクタ・エミッタ間電圧やベース・エミッタ間電圧の値はIC/IB=10の条件を満たす場合にしか使えないのでしょうか。

No.9 回答者： tekcycle 回答日時： 2015/06/26 22:33

一応。

定電流ダイオードの場合は、Ｒ2のところに入れるのですが、Ｒ2の箇所で6Ｖ喰わせられないと、定電流動作はしてくれません。それより低いなら、価格的にも抵抗の方がマシなくらいでしょう。
そのコンプライアンス電圧とやらが、6V、ということでしょう。
http://semitec.co.jp/uploads/crd_113I_all.pdf
定電流というよりは、比較的大きな電圧がかかっても電流値を制限してくれる、電流制限ダイオードと考えた方が良いかもしれません。

で、それほどシビアにコントロールしたいわけでは無いのでしょうから、Ｒ2とLEDの間にPNPトランジスタを入れます。
そしてその図の右に、上から次のようなラインを作って下さい。
Vdd－ダイオード－ダイオード－分岐させて一方をPNPトランジスタのベースに－抵抗Ｒ3－GND
これでＲ2にかかる電圧はダイオード一本分0.7Vくらいになりますので(要確認)、14Ωくらいの抵抗を付けておけば(要調整)、50mAの定電流回路になるでしょう。

私は普段、定電流回路を作るときに、オペアンプとMOSFETでやっていますが、この回路はパルス電流回路ですから、その周波数より十分早いオペアンプで無ければコントロール不能になるだろうと想像します。
従って、トランジスタ一本のラフな定電流回路をならどうだろうと考えました。

定電流動作の原理はこうです。
もしＲ2の電流が増大すると、Ｒ2の電圧が上がり、例えば0.7Vが0.8Vになります。
一方、トランジスタのベースが繋がっているところは、上からダイオード2本分の電圧にほぼ固定されています。
そこに、エミッタの電圧が押し下げられるのですから、ベース電圧VBEが小さくなります。この場合なら0.7Vが0.6V。
すると、ベース電流が小さくなりますから、トランジスタが閉じる方向に動きます。
トランジスタが閉じれば、Ｒ2の電流が小さくなり、Ｒ2の電圧も小さくなります。
コンプライアンス電圧とやらは、ダイオード一本分、0.7V以上になるのは確実で、あとはトランジスタの性能によって、ＶCEが最低いくらから定電流動作してくれるか、ということになります。
この場合、(定電流ダイオードもそうですが)最低ＶCEを下回れば、電流値が小さくなりますので、回路の安全性は保たれます。
ただ、上記が下手に起こると、発振することになるのかもしれません。

定電流回路ができれば、図のNPNトランジスタをMOSFETに置き換えられます。

> 安定な電源から抵抗分圧で0.5V（それ以下でも良い）を作って置き換えればOKです．

安定的な電源が無い場合は、0.3mAの定電流ダイオードを使い、0.5Vなら1.6kΩくらい、0.3Vなら1kΩくらいの抵抗を付けてやれば、GNDやVddから何ボルト、という基準電圧を作れます。
ただし、オペアンプの入力端子の入(出?)力電流の変化があっても誤差の範囲に収まるような基準電圧の電流が必要です。
あるいは、誤差の範囲に収まるような入(出?)力電流になるオペアンプの選定が必要です。
安定電源やツェナーダイオードの電圧から抵抗分圧させるにしてもここは同じでしょう。

何か拙いところがあったらご指摘下さい。

No.8 回答者： tknakamuri 回答日時： 2015/06/25 23:00

VCEを十分サチらせるには、IC/IB=10 くらいがよいですよ。

あまりケチッて、hfe近辺をねらうと、VCEが充分に下がらず
輝度にバラつきがでます。

R1=1kΩでよいのでは？

No.7 回答者： bogen555 回答日時： 2015/06/25 17:21

> 難しすぎて、結局どうすればいいのかよくわかりません。

スイッチングは「１」と「０」の2値動作だから，簡単ですよ．
「hFE≒hfe」はリニアアンプを作るときに使う連続動作のパラメータだから，使いこなすのは難しいです．
ここに説明がありますが，見るだけで勘弁して欲しくなるかも？
http://www.am.ics.keio.ac.jp/digital/equivalent. …

その点「IC/IB」では出力が「１（電流では）」になるんで簡単です．
先に説明したように，R1を変えて「IC/IB = 10～40」程度で実験したらどうでしょう？
なおIBの計算は，「IB=(VDD-VBE)/R1≒(5-0.7)/R1=4.3/R1」とすべきです．

No.6 回答者： bogen555 回答日時： 2015/06/25 11:07

何故スイッチング回路設計で「hFE」ではなく，「IC/IB」を使用する必要があるのか補足します．

電子回路の教科書では，最初に「hFE≒hfe」を使用して増幅回路（リニアアンプ）を設計します．
リニアアンプではトランジスタは常に能動状態で，動作は連続的です．
VCEはデータシートの「hパラメータ-VCE特性」から，2V～30Vで使用するのがhパラメータの変動が少なくて良さそうです．

スイッチングでは，オフ（遮断）とオン（飽和）の2値で動作します．
「hFE=IC/IB」ですが，あえて「hFE」を使用せずに「IC/IB」と表記しているのは，ユーザーに誤解を与えないためでしょう．
つまり，連続動作ではなくオンとオフの2値動作だから，「hFE」を使用して設計を失敗することがないように，「IC/IB」を使用しているわけです．だからユーザーも「IC/IB」を使用して設計する必要があります．
その場合，「IC/IB」を規定しているIC（ここでは100mA）よりも小さなIC（ここでは50mA）だったら，「IC/IB = 10」よりも大きく「IC/IB = 20～40」程度で実験してみる価値はあります．
なお，スイッチングでは「hFE＝IC/IB≒hfe」とはなりません．hfeは微小変化時の特性だから，2値動作ではd(IC)/d(IB)=0となります．

定電流回路は良いのですが，電源電圧が低いときにはコンプライアンス電圧と呼ぶ，定電流回路の最小動作電圧に注意する必要があります．
例えば，5Vで3.?VのLEDを駆動する場合は，定電流ダイオード（JFET含む）はコンプライアンス電圧が大きくて使えません．
お勧めは，ここの「図 17. 直列パス・デバイスを使用したプログラマブル電流シンク回路」です．
http://www.tij.co.jp/jp/lit/an/jaja186/jaja186.pdf
変更点は，基準電圧を作っている100μAとR1のところは安定な電源から抵抗分圧で0.5V（それ以下でも良い）を作って置き換えればOKです．
スイッチングは，抵抗分圧回路の下側抵抗をトランジスタでショートさせれば簡単にオフできますが，論理が反転するので注意して下さい．
MOSFETは1A以上でオン抵抗が1Ω以下なら，コンプライアンス電圧は約0.5Vとなり，5V電源でも安心して動作させられます．
なお，ダーリントントランジスタはコンプライアンス電圧が1.5～2V程度上昇するから止めた方が良いでしょう．
オペアンプは安価なLM358でもOKですが，MOSFETのゲート電圧が制約されるから，NJU7043DとかLMC662CNが良いかも知れません．
TIの回路を薦めたわけは，C1，R3，R4の発振防止回路が入っているからです．
定電流回路はトランジスタが能動状態で連続的に動作しているため，発振することが良くあります．
そのため，発振防止の知識は必須で電子回路の教科書で学ぶ必要がありますが，難しいことを言わなければ，C1，R3，R4を付けておいて，ヘンだなと思ったらC1を増加させればOKです．

この回答へのお礼

ありがとうございます。
ありがたいのですが、難しすぎて、結局どうすればいいのかよくわかりません。
hFE、hfe、hパラメータ…勉強してみます。
定電流回路に関してはさらにその後になると思います(笑)。

お礼日時：2015/06/25 14:16

No.5 回答者： tekcycle 回答日時： 2015/06/24 20:35

R2に6V喰わせられるなら、定電流ダイオードという手があります。

中身はこれの
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame2/mame …
定電流回路3です。
やはり半導体ですから、一本一本電流値が変わります。
15mA3本と10mAか5mA1本とで50mA辺りにするとか。
電源電圧、Ｒ2電圧、LED電圧、がどのくらいなのか。

LEDの放熱はどうなってますか？
http://www.google.co.jp/url?url=http://www.nichi …
順電圧－周囲温度、というグラフがありますが、
-20度で3.3Vのとき20mAなのが、80度3.3Vでは60mA、3倍流れます。
100度差だろう、そんなには、と思うかもしれませんが、20度くらいならすぐに上がるし、上がってしまえば電流がより流れるので、更に発熱し、と、制御できてない回路なら100度だって夢ではないだろうと思います。

まぁ、放熱がそこそこできているなら、40度75mAなどの条件で問題ない(発熱増大電流値増大などが無いか少ない)ことを実測することを条件に、Ｒ2とトランジスタの特性とで制御してやるのも良いかもしれません。
安全安心な回路では無いでしょうから、手が触れないところに置きっぱなしで使うような用途では怖いかもしれません。
また、冬場温度が下がったときにどうなるか、ということがあるかもないかもしれません。

この回答へのお礼

定電流回路、検討してみます。
ありがとうございました。

お礼日時：2015/06/25 00:33

No.4 回答者： tekcycle 回答日時： 2015/06/24 00:58

> つまり、IC=50mAが必要なので、IB=5mAとなるようにR1を決めればいいわけですね。

いやぁちゃんと定電流回路を組んだらどうでしょう。
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame2/mame …
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/teid …
定電流回路は、そんなにしんどくないと思いますよ。ド素人の私でもどうにかなります。
いえ、LEDの最大電流や許容発熱量との兼ね合いによっては、もう少しラフで良いかもしれませんが。
もし50mAというのが、LEDの許容最大電流やそれに近い値なら、それを超えてしまうのは拙いでしょう。
「そのトランジスタ」について、色々な温度で、IC/IBを調べて、どの温度でも問題ない設計にする、なんてことをやるのかどうか。
しかも、それで作ってみて1割拙い方にはみ出たら....。
限界ギリギリまでめいっぱいおいしく頂きたい場合は、定電流回路でしょう。
300mA流せるLEDで放熱板も大きめの物が付いているというのであれば、50mA前後なら問題ないと思いますけど。

左半分の素子は何ですか？

最近どうかは知りませんが、LEDのカタログスペックと実際の測定値は、結構違ってました。
20mAで3.6V、なんて書いてあっても、手元の物は3.4Vだったり、翌年買うと3.3Vだったり。
トランジスタがここまでいい加減かどうかは知りませんが、細かい点でカタログスペック上の同一性能は、求められないと思います。
求められないから、ランクが分かれているんで。どれも同一ならランクになんて分かれてないでしょう。

飽和は、ここ。
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame1/vce. …
ＩC／ＩB＝10の場合、ＶCEはそれ以上小さくなりませんよ、ということ。
例えば、電源電圧が3Vで、LEDが2.6V喰うのに、トランジスタの飽和電圧が0.5Vだと、LEDに2.5Vしか喰わせてあげられない、というように考えます。
そのデータシートのグラフから、ＩC／ＩB＝10の場合(それで良ければ。ベース電流が多い分、電気の無駄遣い。)、VCEは0.1V未満に抑えられるので、それとLEDの電圧とR2の電圧(と導線等での損失分)を電源電圧が超えていれば動作する、ということになります。
LEDは発熱すると抵抗が小さくなります。
すると(発熱するような条件なら)、その回路ならＩCが増えかねませんので(R2の大きさと電源電圧によってその度合いが変わるでしょう)、その場合、ＩC／ＩBも当然崩れることになるでしょう。
なんて辺りが面倒なので、私なら定電流回路を組みます。
ＩCはこれで決まるので、hＦＥから妥当そうなＩBを考え、妥当そうなＶCEを超える電圧をトランジスタに喰わせるようにしておいて、そのトランジスタのスイッチングをします。
ついでに言えば、私ならそのトランジスタをMOSFETにするかもしれません。
(個人的には、定電流回路もオペアンプとMOSFETで作ることが殆どです。)

この回答へのお礼

ありがとうございます。
順電流の許容値は100mAのものです、パルス駆動なら1Aです。
パルス駆動するつもりですので50mAで問題ないと判断、トランジスタ周りの抵抗値の求め方だけを気にしていました。

お礼日時：2015/06/24 05:56

No.2 回答者： bogen555 回答日時： 2015/06/23 08:52

データ・シートでメーカーが保証しているのは，電気的特性のところの最小乃至最大だけです．

しかも25℃の条件付きですから，温度が変われば特性は保証されません．
また，グラフはあくまでも代表例であって，特性は保証されていないことを理解する必要があります．
そこをふまえて設計する必要があります．
hFE-ICグラフでは，hFE≒130のときVCE=6V／VCE=1Vです．
hFEが約130から大幅に変わったときにどうなるかは，測定しないとわかりません．
しかもこの特性は参考値で，保証されていません．

とゆうことで，設計するときには電気的特性のところの最小乃至最大値を使用し，それに学校で学んだ半導体工学の教科書を思い出しながら温度変化を推定して行います．

> 一方でhFE-ICグラフではhFEは120くらいなので、IB=0.5mAでよさそうと思ってしまいます。
hFE測定条件のVCE=6Vで設計すればOKですが，6V×50mA=300mWとなってしまいます．
しかも，温度変化と固体バラツキからVCE=6Vになる保証がありません．
「IC/IB = 10」の条件で設計するのが定石です．

> それともVCE(sat)-ICグラフやVBNE(sat)-ICグラフのコレクタ・エミッタ間電圧やベース・エミッタ間電圧の値はIC/IB=10の条件を満たす場合にしか使えないのでしょうか。
その通りです．
ここの「VCE(sat)-IB特性」ようなグラフがあれば，「IC/IB = 40」位にしてみようとか色々工夫できるんですけどね．
http://www.semicon.sanken-ele.co.jp/sk_content/2 …

この回答へのお礼

ありがとうございます。
「IC/IB=10の条件で設計する。hFE=70とかで設計してはいけない。」ということですね。
つまり、IC=50mAが必要なので、IB=5mAとなるようにR1を決めればいいわけですね。

お礼日時：2015/06/23 15:30

No.1 回答者： to-fu 回答日時： 2015/06/23 06:30

＞グラフにある「飽和」や「IC/IB = 10」という条件はどう考えたらいいでしょうか。

各グラフは、その特性がどう変わるかを実測・図示、併記の「CD/KB=10」などは
その測定条件です。「その数値しかない」わけではありません。

＞0.05/IB=10よりIB＝5mAとなりますが、
hFEが10ならそうなりますが「IC/IB イコール hFE」ではないのでこれを使うのは無意味です。

hFE の値はデータシート P.1 に 70～700 と記載されてます。
幅があるのは「個体差があってバラバラだけどこの範囲には収まってる」
という意味です。
回路設計は、こういう個体差があっても動作するように設計、または調整部分を設け、
個体差を吸収するのが、量産には望ましいです。
もちろん無調整ですめばその方が作りやすく問題出にくいす。

これでは範囲が広すぎて対応できないようなら
範囲をいくつかをグループ分けしてあるので、これを注文時に指定することで
調達する品物の範囲を狭める事ができます。
(在庫管理や流用の点では、不利ですが）

表の下
＞注: hFE分類　　O: 70～140 ...
などというのがそれです。


LED を点灯させるような使い方では飽和させます。
Ic を 0.05A にするなら、
「その３倍 0.15Aを流す能力だけはあるように」設計しますが、
R2 の値により３分に１程度に制限します。

つまり Ib x hFE = 0.15
Ib = 0.05 x 3 ÷ hFE
　　= 0.15 ÷ 70
　　= 0.0214..
Ib は、当然それを駆動する前段IC？が流せる必要があります。
まぁたいていは大丈夫でしょうが、要確認。

hFE は 最低の 70 とします。
で、LED 電流は、Vdd と R2 で 0.05A になるように設計します。
LEDでの電圧降下 Vf を加味して。
トランジスタでの電圧降下(いわゆるON抵抗による)はものすごく小さいので無視してOKです。
Vdd =5V、Vf=3.6V なら
R2= E/I = (5-3.6)/0.05 = 28(→標準的な27Ω) となります。
http://sim.okawa-denshi.jp/keiretu.htm

Vf はLED色でも異なるので要注意。

R1 は、前段"H"レベルの電圧、VBE (0.6Vと見る)、Ib で決めます。
それぞれが2.4V、0.6V、0.02A とすれば
R1 = (2.4-0.6) / 0.02 = 90(→標準的な91Ω)

計算どおりでない抵抗器を使うことになるので、一応検算してください。
飽和させてるので少々のブレはまず大丈夫です。

あとはまぁ、用途によってはいろいろ生じるでしょうけど
その都度考えればよろしいかと。
例えばON/OFFをあまりに高速に行う場合
https://www.google.co.jp/search?q=%E3%83%88%E3%8 …

この回答へのお礼

ありがとうございます。
グラフは気にせずに「hFEの最低値」と「VBE=0.6」と「ICは余裕を見て3倍」の３点に気をつけて設計すればいいんですね。

お礼日時：2015/06/23 15:37