トランジスタを使ったスイッチイング回路について

質問

トランジスタのスイッチング回路を用いて、圧電素子によってプレイステーションのコントローラのON、OFFする回路を作っています。
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame2/s01.html
にある回路図を元にしていて、
ベースに圧電素子、コレクタにコントローラの＋側、エミッタにGND側と圧電素子のもう片方を接続して、圧電素子に振動を与えるとスイッチが動作しましたが、感度が若干鈍いので、試しにコレクタとベース間に抵抗をはさんでみたところ感度がだいぶ良くなりました。
しかし、このようなスイッチング回路はインターネットや書籍などでも見かけなかったので、使っても大丈夫なのか気になっています。
この回路図でコレクタ－ベース間に抵抗を入れて動作させた時の、問題点等を教えてください。
トランジスタはNPN型(2sc1815)で、コントローラの＋、GNDの電圧、電流も約4V、0.2mV程度です。
また、各抵抗値の計算としてコレクタ－ベース間は
R1=Vcc(電源)-Vbe(約0.6V)/I(電流)
ベース－エミッタ間は
R2=Vbe/I
と考えたのですがこれでいいのでしょうか？
電気・電子回路は初心者であまり詳しいことはわかりませんが、よろしくお願いします。

回答No.1

isoworld · ベストアンサー

まず、コレクタとベース間に抵抗を挟んでベースの電圧を少し上げてやると、確かに感度は少し上がるかも知れません。あまりうまい方法とは思えませんけれど。

（１）NPN型のトランジスタ（2SC1815）は、なるべくｈFEの大きなものを選んでください。可能なら1,000くらい。
（２）Ｒ２は、かなり大きな抵抗値にしたほうがよろしい。とりあえず100kΩにしてみてください。
（３）Ｒ１は、圧電素子からどのくらいの電圧・電流が出てくるかによりますが、１kΩ～を目安に実験で感度を確かめてください。
（４）うまくいくようなら、コレクタ－ベース間の抵抗はなくします。
（５）圧電素子は振幅が＋にも－にも振る、かなり高い電圧が出るはずですから、－に振ったときにいまのままではベースが破損する心配があります。それを避けるために、グランドからベースに向かってスイッチングダイオード（1S1555など）を挿入してください。
（６）さらに試してみる価値のある感度向上の方法は、（５）のスイッチングダイオードに並列に小さなコンデンサ（どのくらいの値が良いかは実験的に確かめるべきですが、感じとしては0.001μFかな？）を付け、数100Ω～1kΩくらいの抵抗を通してからベースにつないでください。

　以上は頭で考えたアイデアなので、実験で確かめないと確実な動作の保証はできません。

お礼

回答してくださってありがとうございます。
確かにR2を数百kΩ～数MΩにすればR1がなくても感度は良くなりました。(hfeは分類がYなので120～240程だと思います)
ただ、圧電素子の特性がよく分からないのでスイッチングダイオードの目安が分かりません。(安物のデジタルテスターしか持ってないので…)
圧電素子に大きな振動を加えるわけではないので数百m～数V程度の電圧だと思いますが、ベースと直列に繋ぐ抵抗(今は1MΩです)やスイッチングダイオードはどの程度の値を目安にしたらよいのでしょうか？
あと、ダイオードは抵抗と並列に繋げばよいのでしょうか？
追加で質問になってしまいましたが、お答えいただけると助かります。

回答No.3

isoworld

ANo.1です。圧電素子は１００円ライターやコンロの点火機構に使われているように、叩く程度にもよりますが、数千ボルトから数万ボルト（ただし無負荷の場合）の高い振動電圧が出ます。電流は多くないので破壊力は小さいと思いますが、トレンジスタのベースにそのまま印加すると、－側に振ったときにはベースを劣化損傷させている可能性があります。
　スイッチングダイオードは必ずR２に並行に取り付けてください。これを付けないで圧電電圧を印加したトランジスタは性能劣化している可能性がありますので、取り替えたほうが無難です。

　圧電素子の出力は＋にも－に振幅する複雑な波形ですから、トランジスタのコレクタにつないだプレイステーションの負荷回路を安定に動作させるためには、Ｒ２にさらに並列に小さな容量のコンデンサを付けることです。その値として幾らが適切であるかは、実験的に確かめる必要があります。

お礼

何度もありがとうございます。
圧電素子は圧電ブザーから剥ぎ取ったもので、デジタルテスターにつないで測定したら結構押しても10V位を示した程度ですけど、テスターの反応が遅いので信頼性はちょっと微妙です。
トランジスタの保護にダイオードを使うというのは全く気にもせず、書籍やインターネットでも掲載されてないことなのでとても勉強になりました。

みなさんのおかげでやろうとしていることが実現できそうです。実験しながら頑張って行きたいです。
どうもありがとうございました。

回答No.2

inara

回路シミュレータでシミュレーションしてみました。
コントローラの＋側とGND間の電圧をテスターで測ったら 4V、コントローラの＋側とGND間の電流をテスターで測ったら 0.2mA だったのでしょうか？そうだとしたら、コントローラの内部はたぶんこのようになっています。
　　　　　　　　　　　　　　4V
　　　　　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　　　　20kΩ
　コノトローラ（＋）　─┴→　信号処理回路

　コノトローラ（GND） ─┐
　　　　　　　　　　　　　　 ┷
このような構成だと安定した電源が取れませんが、以下の回路なら、圧電素子の電圧を 45倍増幅した電圧がコントローラ(+) に出てきます（トランジスタの hfe を 200 としました）。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　┌──-┬──┬─ コントローラ（+）
　　　　　-　　　　　+　　　　　　100kΩ　 C　　　 │
　　　┌─ 100μF ─ 100Ω─┼─ B　　　　　 C
　圧電素子　　　　　　　　　　 1MΩ　　 E ─ B　　2SC1815Y×2
　　 ┷ GND　　　　　　　　　　┷　　　　　　　　 E
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ┷

以下はシミュレーションした波形です。波形は 1kHz のsin波のものですが、この回路の増幅率は 1Hz～10kHz の範囲で平坦ですので、振動信号も同じような振幅になるはずです。

　　　圧電素子の　　　　コントローラ（＋）
　　　電圧（振幅）　　　　の電圧（振幅）
　　-10mV～+10mV　　0.7V～1.5V　→ 最大1.5VなのでたぶんONにならない
　　-20mV～+20mV　　0.7V～1.9V
　　-50mV～+50mV　　0.65V～2.6V　→　たぶんONになる
　　-100mV～+100mV　　0.6V～3.2V
　　-500mV～+500mV　　0.6V～3.4V　→入力電圧をこれより大きくしても出力波形は変わらない

100Ω を変えると感度（増幅率）を変えることができます。
　　100Ω　→　45倍
　　1kΩ　→　31倍
　　2kΩ　→　24倍
　　5kΩ　→　13.5倍
　　10kΩ　→　8倍
100Ω 未満にしても増幅率は上がらないので、トランジスタの保護を兼ねて、ここを 「100Ω＋10kΩの可変抵抗」 にして感度調整するといいでしょう。1MΩはトランジスタの安定動作のためで、この値を小さくすると感度が下がります（100kΩにすると増幅率は 27倍）。100kΩの抵抗は、これより値を小さくしても大きくしても増幅率が下がります。なお、この回路ではベースにバイアスをかけているので、圧電素子の信号が±1Vを超えない限り、ベース電圧は負になりません（保護ダイオード不要）。100μFのコンデンサは、低周波のカットオフ周波数を決めるものです。100μF だと 1Hz、10μF だと 10Hz のカットオフ周波数になります。図にはコンデンサの極性が書かれていますが、ベース電圧が 1.1V 程度なので、極性を間違えても壊れることはないかと思います。

お礼

シミュレーションまでしてくださってありがとうございます。
電子回路は初心者なのでここに書いてあることを理解するのにかなり時間を要しましたが、この回路なら増幅率が上がりそうです。まだ試してないので、この回路を使って実験してみたいと思います。
ありがとうございます。

下のお礼でスイッチングとツェナーを勘違いしてました。申し訳ないです。