デジタルトランジスタ（デジトラ）の使い方と抵抗値選定方法

この記事でわかること
デジトラの動作原理
内蔵抵抗による動作速度と出力電圧の調整
デジトラの抵抗値選定方法
デジトラの損失計算方法
デジトラを使った回路設計

この記事でわかること

・デジトラの抵抗値の選び方
・デジトラの損失計算方法
・デジトラを使った回路設計

ベース抵抗とベース・エミッタ間抵抗を内蔵したトランジスタは
デジタルトランジスタ（デジトラ）と呼ばれます。

２つの抵抗を内蔵したことにより、
入力電流で制御するトランジスタを、その名の通り、
入力電圧がHレベル又はLレベルのデジタル信号で制御できます。

デジトラのデータシートを見ると、
様々な内蔵抵抗の組み合わせがあるので、
どれを選べば良いか迷う所です。

本記事では、デジトラの抵抗値の選び方と、
回路設計方法について解説します。

デジトラの動作原理

トランジスタは流すことができるコレクタ電流をベース電流で制御できます。
しかし、入力が電流値だと、デジタル回路では使いにくいです。

そこで、ベース抵抗R1とベース・エミッタ間抵抗R2をつけることで、
入力電圧の大きさによってコレクタ電流を制御できるようになります。

その動作原理について、まずは、R1だけつけた場合を考えます。

入力電圧V_iを印加した時、入力電流I_iは以下の式となります。
　I_i＝（V_iーV_BE）／R1

ここで、V_BEはベース・エミッタ間電圧です。
ベース・エミッタ間は、トランジスタの構造上、ダイオードと同じなので、
V_BEはダイオードの順方向電圧V_Fと考えることができます。

一般的にV_F(つまりV_BE)は0.6V程度で一定なので、I_iはV_iに比例します。

R2が無ければ、入力電流I_iは、そのままベース電流I_Bになるので、
入力電圧V_iによって、I_Bを調整することで、コレクタ電流I_Cが制御できます。

同じV_iなら、R1が大きい程、I_Bは小さくなるので、I_Cも小さくなります。

I_Cがゼロになると、デジトラが電流を流せないOFF状態になります。
ONさせるには、V_iを上げて、I_Bを大きくする必要があります。

以上から、R1の大きさによって、
デジトラの入力オン電圧V_i(ON)を調整できることがわかります。
　R1 大　→　V_i(ON) 高

次にR2を追加した場合を考えます。

R2間電圧、つまりV_BEは先程0.6Vで一定と説明したので、
R2に流れる電流I_BEは以下の式となります。
　I_BE＝V_BE／R2＝0.6V／R2

これは、I_BEがR2によって決まる一定値であることを意味します。
このI_BEは入力電流I_iから分流し、残りがベース電流I_Bになります。（※1）
　I_i＝I_B＋I_BE

従って、ベース電流I_Bを流すためには、
I_iをI_BEより大きくする必要があります。

つまり、I_i＜I_BEならデジトラはONしません。

このようにR2を設けることで、V_iが低い時にONしないようにできます。

R2が大きいとI_BEは減少し、I_Bがその分増え、V_i(ON)を低くできます。
　R2 大　→　V_i(ON) 低

※1：ダイオードは順方向電圧V_F以下では電流を流せない為、
　V_BEが0.6V以下だとベース電流I_Bは流れません。

　I_BEが増加し、R2×I_BE＝V_BE＞0.6Vになると、
　I_Bにも電流が流れるようになります。

内蔵抵抗による動作速度と出力電圧の調整

R1、R2の値は、V_i(ON)だけでなく、
動作速度や、ON時の出力電圧にも影響を与えます。

＜動作速度を早くする＞
デジトラのスイッチング時間は以下の内訳となっています。
　ターンオン時間＝遅延時間(t_d) + 立上り時間(t_r)
　ターンオフ時間＝蓄積時間(t_stg) + 立下り時間(t_f)

t_rやt_fが数十ns程度なのに対し、t_stgは数usと桁違いに長いため、
動作速度は蓄積時間t_stg で決まります。

t_stgはベースに蓄積された電荷量が大きい程長くなるため、
動作速度を早くするには以下の方法があります。

①ON時に電荷の蓄積を小さくする（R1を大にする）
　R1を大きくすることで、ON時にベースに流れ込む電流が減るので、
　電荷の蓄積量を小さくできます。

②OFF時に電荷の放電を早くする（R2を小にする）
　R2を小さくすることで、OFF時にベースから流れ出る電流が増えるので、
　電荷の放電を早くできます。

t_stg を短くする効果は①より②の方が大きいです。

＜ON時の出力電圧を低くする＞
トランジスタはONしても、CーE間は0Vにならず、
コレクタ・エミッタ間飽和電圧V_CE(sat)が存在します。

V_CE(sat)が高いと、Lレベル出力電圧が高くなるだけでなく、
コレクタ電流を流した時の損失（コレクタ損失P_C＝V_CE(sat)×I_C）が大きくなります。

このV_CE(sat)はベース電流I_Bを増やすことで低下するため、
同じ入力電圧V_iならば、R1 小、R2大にすれば、V_CE(sat)を低くできます。

ただし、これは動作速度を遅くする方向に働くため、
使用する回路に応じてバランスを取る必要があります。

デジトラの抵抗値選定方法

内蔵抵抗R1、R2の主な組み合わせについて、
電気的特性を表したグラフを以下に示します。

これまで説明した様に、
R1大、R2小：V_i(ON)が高くなり、t_stgが短くなる
R1小、R2大：V_i(ON)が低くなり、V_CE(sat)が低くなる

このことから、抵抗値の選択は入力電圧V_iに応じて以下の様に行います。
　V_iが高い場合：グラフ右上
　V_iが低い場合：グラフ左下

また、コレクタ電流I_Cを増やしたい場合は、
ベース電流I_Bを多く流す必要があるので、R1が小さいものを選びます。

R1の目安ですが、まずはR2が無く、I_i＝I_Bとなる状態において、
I_C／I_Bが20以下になるようにします。（※2）

R1＝（V_iーV_BE）／I_i
　＝（V_iーV_BE）／I_B
　＝（V_iー0.6）×20／I_C　（※3）

※2：I_C／I_B＜20以下にする理由は、デジトラをスイッチングに使用するためで、
　オン時にLレベル出力ができるように、V_CE(sat)が低い飽和領域で動作させるには、
　直流電流増幅率h_FE（＝I_C／I_B）を20倍程度に抑える必要があります。

※3：V_BEの値ですが、一般的なトランジスタのデータシートには
　ベース・エミッタ間飽和電圧V_BE(sat)として記載されていますが、デジトラには載っていません。

　しかし、ロームHPにあるデジトラの解説記事には、
　V_BE＝0.55V～0.75Vという記述があることから、
　ここではV_BEの一般的な値である0.6Vとしています。

例えば、V_i＝5V時にI_C＝10mAを流したい場合、
R1＝（5Vー0.6V）×20／10mA
　＝8.8kΩ

従って、R1は8.8kΩ以下となり、
デジトラ内蔵抵抗のラインナップから、4.7kΩを選択します。

次にR2ですが、V_iを1V以下でOFFさせる場合、
この時、ベース電流I_Bをゼロにするには、
入力電流I_iが全てR2に流れる必要があるので、I_i＝I_BEとなります。
I_i＝（V_iーV_BE）／R1
＝（1Vー0.6V）／4.7kΩ
≒0.09mA

I_i＝I_BE＝0.09mAにするには
R2＝V_BE／I_BE
＝0.6V／0.09mA
≒6.7kΩ

抵抗値のラインナップから、R2に10kΩを選択した場合、
デジトラがOFFする電圧V_i(OFF)を求めます。

まず、R2を10kΩにした時のI_BEを計算します。
I_BE＝V_BE／R2＝0.6V／10kΩ＝0.06mA

I_i＝I_BEとなるV_iは、
I_i＝（V_iー0.6V）／4.7kΩ＝0.06mAより、
V_i≒0.88V

以上より、V_i(OFF)は0.88V以下となります。

デジトラの損失計算方法

先ほど選択したR1＝4.7kΩ、R2＝10kΩの内蔵抵抗を持つ東芝製RN1116を使用し、
V_i＝5V、I_C＝10mA における損失を計算します。

デジトラの損失は、以下の4つの損失の合計になります。
・内蔵抵抗R1、R2の損失
・トランジスタ本体の損失（コレクタ損失と、ベースでの損失）

R1の損失P_R1は以下の式となります。
P_R1＝R1×I_i²

入力電流I_iは
I_i＝（V_iーV_BE）／R1
　＝（5Vー0.6V）／4.7kΩ
　≒0.94mA
なので、
P_R1＝4.7kΩ×(0.94mA)²
＝4.15mW

R2の損失P_R2は、R1と同様に求めます。
P_R2＝R2×I_BE²

R2に流れる電流I_BEは、
I_BE＝V_BE／R2
＝0.6V／10kΩ
＝0.06mA
なので、
P_R2＝10kΩ×（0.06mA)²
＝0.036mW

※内蔵抵抗の許容差は±30%なので、
厳密には、最大損失となる定格のー30%での抵抗値で計算する必要がありますが、
本例の場合、数mWレベルであり、
RN1116の許容損失100mWに比べ十分小さい値なので定格値で計算しています。

コレクタ損失P_Cは以下の式で求まります。
P_C＝V_CE(sat)×I_C

コレクタ・エミッタ間飽和電圧V_CE(sat)は、データーシートのグラフより、
コレクタ電流I_C＝10mAの場合、V_CE(sat)＝0.08V　となるので、
P_C＝0.08V×10mA
＝0.8mW

ここで、注意するのは「I_C／I_B＝20」という条件が記載されている事です。

これは、直流電流増幅率h_FEが20倍までという制限があることを意味しています。
データシートにあるh_FEは50と記載されていますが、V_CE＝5Vという条件があり、
これではONしてもLレベル電圧にならず、スイッチング動作には使えません。
（この欄にあるh_FEは増幅回路として使用する場合に使います）

今回の例では、I_i＝0.94mA、I_BE＝0.06mAより、
I_B＝I_iーI_BE＝0.88mAになるので、I_C＝10mA流す場合、
I_C／I_B＝10／0.88＝11.36
となり、20倍以下となる条件を満たしています。

ベースでの損失P_Bは、トランジスタ内にあるダイオード部分の損失になるので、
「ダイオードの順方向電圧×ベースに流れる電流」で求めることができます。
P_B＝V_BE×I_B
＝0.6V×0.88mA
＝0.528mW

以上から、デジトラの損失Pは
P＝P_R1＋P_R2＋P_C＋P_B
＝4.15＋0.036＋0.8＋0.528
＝5.514mW

上記より、デジトラの損失は、R1の損失が最も大きい事がわかります。

デジトラを使った回路設計

LED駆動回路

LED（V_F＝1.9V、I_F＝5mA）をマイコンで点灯させる回路です。
マイコンからの出力電流は数mA程度と小さいため、デジトラを経由させます。

マイコンがHレベル出力した時、LEDに5mA流れるように抵抗Rを求めます。

V_CE(sat)はデータシートより、I_C＝5mA、I_B＝0.25mAの時、0.3Vなので、
抵抗Rは、
R＝(V_CCーV_FーV_CE(sat))／I_C
＝(5Vー1.9Vー0.3V)／5mA
＝560Ω

V_CE(sat)を0.3Vに抑えるためにI_Bを0.25mA以上にする必要があります。

まずはR2が無い状態で考えるとI_i＝I_Bなので、
I_iが0.25mA以上になるR1を決めます。

V_iはマイコンのHレベル出力電圧V_OHの最低値2.4Vとすると、
R1＝(V_iーV_BE)／I_i
＝(2.4Vー0.6V)／0.25mA
＝7.2kΩ

R1はこれより小さい値にする必要があるため、
内蔵抵抗のラインナップから4.7kΩを選択します。

R1＝4.7kΩにした時のI_iは
I_i＝(V_iーV_BE)／R1
＝(2.4Vー0.6V)／4.7kΩ
≒0.38mA

次にR2を決めます。

R2をつけると、I_i＝I_B＋I_BEになりますが、
I_Bが0.25mA以上になるには、
I_BE＝I_iーI_B
＝0.38ー0.25
＝0.13mA

より、I_BEを0.13mA以下にする必要があり、
そのためには、
R2＝V_BE／I_BE
＝0.6V／0.13mA
≒4.6kΩ

より、R2を4.6kΩより大きな値にするため、
内蔵抵抗のラインナップから4.7kΩを選択します。

R2＝4.7kΩにした時のI_BEは
I_BE＝0.6Ｖ／4.7kΩ
≒0.13mA

従って、I_Bは
I_B＝I_iーI_BE
＝0.38ー0.13
＝0.25mA

なので、I_C／I_B＝5mA／0.25mA＝20となり、
V_CE(sat)＝0.3Vになるための条件を満足しています。

このデジトラがOFFとなる入力電圧V_iは、
I_BがゼロとなるI_i＜I_BEの時なので、
V_i＝R1×I_i＋V_BE
＝R1×I_BE＋0.6V
＝4.7kΩ×0.13mA＋0.6V
≒1.2V

となり、V_iが1.2V以下ならLEDは消灯します。

インバータ回路

スイッチによって切替される5V系論理信号を3.3V系ICに入力する回路です。
この時、デジトラ（RN1102）では入力されたH／L信号を反転して出力します。

スイッチOFF時にR1に流れる電流I_iは、
I_i＝(5Vー0.6V)／（470＋10kΩ）
＝4.4V／10.47kΩ
＝0.42mA

R2に流れる電流I_BEは、
I_BE＝0.6V／10kΩ＝0.06mA

従って、ベース電流I_Bは、
I_B＝I_iーI_BE＝0.42ー0.06＝0.36mA

V_CE(sat)＝0.3Vの条件がデータシートより、I_C／I_B＝20なので、
I_C＝20×I_B
＝20×0.36mA
＝7.2mA
まで流せます。

デジトラがONした時に流れるコレクタ電流Icは、
I_C＝（3.3VーV_CE(sat)）／10kΩ
＝（3.3Vー0.3V）／10kΩ
＝0.3mA
なのでOKです。

これによって、デジトラからは0.3V以下のL信号が出力されます。

スイッチがONでV_i＝0Vになり、デジトラはOFFして、
H信号（ほぼ3.3V）が出力されます。

このデジトラがOFFを維持できる入力電圧V_iは、
I_BがゼロとなるI_i＜I_BEの時なので、
V_i＝R1×I_i＋V_BE
＝R1×I_BE＋0.6V
＝10kΩ×0.06mA＋0.6V
＝1.2V
となり、V_iが1.2VまではOFFとなります。

デジトラの内部抵抗はサージに弱いため、
外部信号をデジトラに入力する際は、ツェナーダイオードZDによる保護を行います。

プルアップ抵抗が470Ωと小さい理由は、
スイッチの接点に流れる電流が小さ過ぎると、
開閉を繰り返すうちに酸化皮膜が生成されて接触不良が発生するからです。

プルアップ抵抗を小さくすることで、ある程度の電流を流し、
アーク放電を発生させて、酸化被膜を破壊させます。

リレードライブ回路

NPN＋PNPがワンチップのデジトラを使い、
マイコンからの出力信号がLの時にリレーを動作させます。

ここでは東芝製RN4605を使います。
NPN、PNP共にR1＝2.2kΩ、R2＝47kΩで、
I_C／I_B＝20の時、V_CE(sat)＝0.3V です。

まず、PNPデジトラですが、PNPをオンさせる時、
マイコンのLレベル出力電圧V_OLが0.4Vとすると、
R1に流れる入力電流I_i1は、
I_i1＝(3.3VーV_BE1ーV_OL)／R1
＝(3.3Vー0.6Vー0.4V)／2.2kΩ
＝1.04mA

R2に流れる電流I_BE1は、
I_BE1＝0.6V／47kΩ≒0.01mA

ベース電流I_B1は、
I_B1＝I_i1ーI_BE1
＝1.04ー0.01
＝1.03mA

なので、I_C／I_B=20より、
I_C1＝20×I_B1＝20×1.03mA≒20mA
となり、I_C1が20mA以下であれば、
データシートより、V_CE1=ー0.3Vになります。(※4)

PNPがオフになるのは、ベース電流I_B1がゼロとなるI_i1＜I_BE1の時なので、
オフ入力電圧V_i(OFF)は、
V_i(OFF)＝ーI_i1×R1ーV_BE1
＝ーI_BE1×R1ーV_BE1
＝ー0.01mA×2.2kΩー0.6V
＝ー0.82V (※4)
※4：マイナスが付くのは、ベース電圧やコレクタ電圧が、
　基準となるエミッタ電圧より低い時に動作するためです。