この記事で分かること
・オープンコレクタとは、どんなものか？ NPNとPNPの違いがわかる。
・オープンコレクタの使い方(接続方法)がわかる。
オープンコレクタとは？
その名の通り、トランジスタのコレクタ端子がオープン(何も接続されてない)状態の事です。
センサー等の機器で、出力がオープンコレクタになっているものが多いです。
ただし、このオープンコレクタ出力からは、電圧や電流は出てきません。
なので、そのまま入力機器につないでも信号は入って来ないです。
オープンコレクタは出力というより、スイッチと表現した方が適切です。
OUT端子とGNDがオープン(OFF)又は、ショート(ON)になる動作をします。
つまり、センサの出力がオープンコレクタの場合、センサの内部にスイッチがあって
センサーが感知したら、スイッチONになるという訳です。
このスイッチのON／OFF状態を、後段の機器に入力信号として伝えるには、
外部から電圧やプルアップ抵抗を加えることが必要です。
「こんな面倒臭い出力にせずに、電圧を出力すれば良いのに」と思うかもしれません。
でも、この出力方式にした方が、汎用性が高くなるのです。
例えば、もし12V出力方式だとした場合、入力側が12Vに対応していないと接続できません。
オープンコレクタは、入力側の電圧に合わせた出力にすることが可能です。
また、オープンコレクタは複数台、並列に接続することもできます。
どれか１つでもONしたら信号を0Vにする(ワイヤードＯＲ(論理和))にすることが可能です。
オープンコレクタの接続方法
オープンコレクタにはNPN型とPNP型があり、どちらにするかで以下のような配線になります。
両方式とも、オープンコレクタがONすると、OUT端子とGNDがショートになり、
入力機器に電流が流れるので、ONを検出できます。
オープンコレクタがOFFになると、先程の端子間がオープンになるので、
電流が流れなくなり、入力機器はOFFを検出します。
＜接続時の確認事項＞
接続時には以下の３つの条件を確認する必要があります。
条件１：ON時に入力機器に印加される電圧Vin ＞ 入力機器のＨレベル電圧
オープンコレクタはONしても完全な0Vにはならず1V～2V程度になります。
この電圧をコレクタ・エミッタ間飽和電圧(残留電圧)Vce(sat)と呼びます。
入力機器に印加される電圧Vin ＝ 電源電圧Ｖ ー 残留電圧Ｖce(sat)
VinがＨレベル電圧より高くないと入力機器がONを検知できません。
例えば、残留電圧2Vのオープンコレクタの場合、電源電圧24Vとすると、
入力電圧Ｖin ＝ 24V ー 2V ＝22Ｖ となります。
入力機器のＨレベル電圧が22V以下ならONを検出できます。
条件２：オープンコレクタの最大負荷電流 ＞ 入力機器に流れる電流Ｉin
オープンコレクタがONした時、流れる電流が大きすぎると故障します。
入力機器からの電流Ｉinは先程求めた入力電圧Vinと入力抵抗Ｒinから求めます。
Ｉin ＝ Vin ／ Rin
例えば、入力抵抗3.3ｋΩの場合、Vinは先程22Vと算出済なので
Iin ＝22V ／ 3.3kΩ ＝ 6.7mA
オープンコレクタの最大負荷電流は、これより十分大きいものを選ぶようにします。
条件３：オープンコレクタの最大負荷電圧 ≧ 電源電圧Ｖ
オープンコレクタがOFFした時、電源電圧Vが大きすぎると故障します。
最大負荷電圧はオープンコレクタ回路の電源電圧Vccと同じ場合が多いです。
上記の例の場合、オープンコレクタ電源電圧Vcc＝入力機器電源V ならば、
最大負荷電圧＝電源電圧Vとなるので、使用できることになります。
NPN型とPNP型の違いについて
両方式とも、オープンコレクタがONすることで、電流が入力機器に流れ込んで検出するのは同じですが、GNDがオープンコレクタ側か、入力機器側かという違いがあります。
これが、地絡に対する安全性に差が出てきます。
※地絡：信号線が大地(アース)とつながって電流が流れる(漏電)してしまうこと
NPN型 ：信号線が大地と接触すると入力機器がONと誤動作する。
PNP型 ：信号線が大地と接触してもONにはならない。
このため、CEマーキングが必要な欧州向け製品では安全性が高いPNP型が用いられています。
NPN型は、オープンコレクタと入力機器の電源を分離できる利点があります。
例えば、オープンコレクタ出力のセンサーを入力装置から離れた場所に設置する場合、
NPN型ならば、遠方のセンサーまで電源を供給する必要はありません。
日本や米国ではNPN型が多く用いられています。
プルアップ抵抗を使ったオープンコレクタ接続
プルアップ抵抗RpをOUT端子に接続すれば、入力機器もGNDに接続されるので、
信号線が地絡しても誤検知しなくなります。
但し、この方法はONでもOFFでも常に電流が流れるので、消費電力が増えます。
また、入力機器への電圧がプルアップ抵抗Rpと入力抵抗Rinで分圧されるので、
Hレベル電圧より低くなるとON検知できなくなります。
このため、Ｈレベル電圧が低く、入力抵抗Rinが大きい入力機器に限られます。
＜トランジスタの詳細については下記の記事で解説しています＞
＜半田付けのコツや部品の外し方を解説しています＞
＜回路工作で役立つ工具類を下記の記事で紹介しています＞
