今回のテーマはトランジスタで負荷をドライブさせる回路です。負荷は接地された場合（GDNに接続されている状態)を想定しています。本記事では回路動作の説明から設計手順と最後にシュミレーションで動作確認をします。
設置された負荷のドライブ回路について
回路は以下となります。
PNPトランジスタ（Tr1)と抵抗を2個(R1,R2)使用してRLを駆動する回路を構成します。
OFF時の動作(RLに電流が流れていない)
①マイコンの出力端子の電圧がHとなっている（Vccとなっている)
②R2に電流が流れないためA点の電位がVccとなる
③Tr1のエミッタ-ベース間電圧が同電位となる
④よってTr1がOFFしているため負荷RLに電流が流れていない
ON時の動作（RLに電流が流れている)
①マイコンの出力端子の電圧がLとなっている（0Vとなっている)
②B点の電位が0Vとなる
③Vcc⇒R2⇒R1の方向に電流が流れる
④Tr1のエミッタ電圧に対してベース電圧が低下し約0.6Vになる
⑤Tr1がONするため負荷RLに電流が流れる
トランジスタ回路の設計手順について
次は上記で説明した負荷ドライブ回路の設計手順を紹介します。
今回は以下条件を基に設計していきます。
＜条件＞
・Vcc＝5V
・RL＝500Ω
①負荷電流の算出
負荷電流は以下式より算出します。
負荷電流＝Vcc/RL＝5V/500Ω＝10mA。
②Tr1の選定
スイッチとして使用するため以下3点の条件からTr1を算出しました。
・コレクタ-エミッタ間電圧定格＝Vcc以上
・コレクタ-ベース間電圧定格＝Vcc以上
・コレクタ電流＝負荷電流以上
上記より今回は東芝製トランジスタ『2SA1832』を選定しました。他の部分については設計を進めていく過程で確認します。
③必要なベース電流の算出
ベース電流は以下式より算出します
Ib＝Io/hfe
『2SA1832』のデータシートを確認すると直流電流増幅率が70～400と記載があります。
但し、条件を確認するとVce＝-6Vとあり、今回の駆動条件とは異なります。その為、hfeはコレクタ-エミッタ間飽和電圧に記載されている条件であるhfe10倍で検討します。
Ib＝10mA/10＝1mA
④R1の抵抗値の選定
R1の抵抗値は以下より算出します。
R1＝（Vcc-Vbe（Tr1）)/1mA＝（5V-0.6Ｖ)/1mA＝4.4kΩ
実際はE24系の中から一番近い定数である4.3kΩを選定しました。
⑤R2の選定
R2は小さすぎるとマイコンがL出力時に流れ込む電流が増えます。一方で大きすぎるとマイコンの漏れ電流でTr1が誤ONしてしまいます。今回はマイコンの漏れ電流を一般的な1uAとし、誤動作しない抵抗値を算出し選定します。目安としては1uA流れても0.1Vの電圧しかTr1のエミッタ-ベース間に印加されない抵抗値としてます。
R2＝0.1V/1uA=100kΩ
シュミレーションでの動作確認
最後に上記定数でシュミレーションを実施し回路動作を確認します。シュミレーションの回路は以下となります。今回はマイコンの代わりとしてＳＷを使用して回路を組みました。
回路動作は想定通り以下となっております。
①SW1がONしてR2⇒R1⇒SW1を経由して電流が流れる
②トランジスタのエミッタ-ベース間に電位差が発生しトランジスタがON
③Vcc⇒トランジスタ⇒RLに向かって電流が流れる（負荷電流が流れる)
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