フォトトタンジスタ フォトリフレクタ の実験について

先日、学校でフォトトタンジスタを用いた実験をしまして、教えていただきたいことがあります。
内容としましては、
コレクタ出力回路、エミッタ出力回路を作成して抵抗を1kΩ～10kΩに変化させ、入射光があるときとないときの出力電圧と電流を測定する
という内容でした。それで聞きたいことは、
1.なぜ抵抗の大きさを変えると電流も変化するのか
2.コレクタ出力とエミッタ出力のそれぞれの実験において最適な抵抗の大きさはいくらか
です。
1はなにをどのように書けばいいかわからず、2はなんの式を用いればいいかわかりません。
電気の分野がとても苦手で全然理解ができないので、よろしくお願いします。
(実験で測定した各値はもっています。)

No.1 ベストアンサー 回答者： xpopo 回答日時： 2016/02/11 13:06

1.なぜ抵抗の大きさを変えると電流も変化するのか

回答＞＞　電流が変化するのではなくて電圧が変化します。その理由はフォトトランジスタに入る光の明るさが一定ならば電流はほとんど変わらないからです。
　例えばこちらのフォトトランジスタのデータシート（http://akizukidenshi.com/download/ds/jrc/NJL7302 …）の3ページの右上の図（Light Current vs. Corrector-Emitter Voltage）を見てください。この図は横軸はフォトトランジスタのコレクタとエミッタ間の電圧を、縦軸は光電流（コレクタからエミッタに流れる電流）です。そして特性カーブは入力である光の強さluxを5luxから25luxまで5luxずつ変化させた時のそれぞれの特性カーブになってます。
　この図で例えば光の強さが10luxの時の特性を見てみましょう。Vceが0.7Vあたりから5Vまでの範囲では光電流は18uAから21uAの範囲の変化にとどまってます。これはVceが約４V変化しても光電流は3uAしか変化しないことを示してます。つまり電圧が変化しても電流はほぼ一定だといえます。
　ここで繋がれた抵抗にはフォトトランジスタの光電流がすべて流れます。光電流をIp、抵抗の値をR、抵抗に電流が流れることによって発生する抵抗の両端の電圧降下Vは

　　　　V＝Ip×R　　　　　　（１）

で表されます。これはオームの法則ですね。
この式（１）から光電流Ipが一定の条件で抵抗Rの大きさを変えると電圧Vが変化するのが分かると思います。

2.　コレクタ出力とエミッタ出力のそれぞれの実験において最適な抵抗の大きさはいくらか

回答＞＞添付した回路図を見てください。図で（ａ）はコレクタ出力を、（ｂ）はエミッタ出力を示してます。図で電源の電圧をＶＢ、光電流をＩｐ、出力電圧をVout、抵抗をRとします。

　まずコレクタ出力の図（ａ）の場合の出力電圧Voutは

　　　　Vout＝VB－Ip×R　　（２）

で表せます。平均的な光の強さの時に出力電圧Voutが電源電圧VBの半分の電圧になるようにすれば平均的な光の強さから光が強くなれば電圧は光電流Ipが増えるので抵抗の電圧降下も大きくなるのでVoutは下がります。逆に光が弱くなればIpは減るので抵抗の電圧降下は小さくなるのでVoutは上がります。
　これを実現するためには式（２）のVoutの値をVBの半分の値にします。即ち、式（２）にVout=VB/2を代入して

　　　　VB/2＝VB－Ip×R　　　（３）

この式（３）を整理してRを求めると、

　　　　R＝VB/（Ip×2）　　　　（４）

と求まります。この式（４）に平均的な光の強さの時の光電流Ipの値と電源電圧VBの値を代入すれば求める抵抗の値Rが求まります。

　次にエミッタ出力の図（ｂ）の場合の出力電圧Voutは

　　　Vout＝Ip×R　　（５）

で求まります。

　　やはりここでも、平均的な光の強さの時に出力電圧Voutが電源電圧VBの半分の電圧になるように考えます。
そこで、Voutを電源VBの半分の電圧の値になるようにします。即ち、Vout=VB/2　として式（５）に代入してRを求めると、

　　　R＝VB/(Ip×2）　　

となり、式（４）と同じになります。あとは同様に式（４）に平均的な光の強さの時の光電流Ipの値と電源電圧VBの値を代入すれば求める抵抗の値Rが求まります。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます
丁寧な説明で分かりやすかったです。

お礼日時：2016/02/15 01:27