多段階増幅回路

質問

今、マイコンなどからベースに直流信号を送り、モータが回せるような2段増幅や3段増幅などの多段階増幅回路について勉強しているのですが、計算式や考え方が今一解りません。特に三段など見つけられません。
色々なサイトを見て回ったのですが、なかなか見つからず、見つかったとしても計算過程が書いてないで結果のみを書いているサイトや、ベースが抵抗を介して電源電圧に繋がってるような「～バイアス回路」ばかり乗っているサイトばかり見つかり、先に進めずお手上げ状態です。
せっかく学び始めたのできちんと計算したいのですが、一段で手詰まりしてしまってます。今のところトランジスタを一つと抵抗とダイオードやLEDなどを用いた簡単な回路しか計算できません。宜しければ2段、3段増幅の計算法や考え方を教えていただけないでしょうか？
今考えている回路はVcc=5V、信号用電圧=5Vで0.05mA以内を想定、左半分の上からEBCとなっているのがPNPトランジスタで右半分の上からCBEとなってるのがNPNトランジスタです。モータは無負荷時に140mA位かかる玩具等に積んであるような物を使おうかと考えています。必要ならGNDとNPNのEの間に10K程度の抵抗を挟もうと考えています。ただ、トランジスタはPNPが低周波用のB～でNPNが高周波用のC～を選ぼうとしていますが、走っている時に何A流れてるのか判らないため、どの位の物を用意すればよいかわからない為、品番までは決められていません。

Vcc
|
|---抵抗----|
|　　　　　　　 　|
E　　　　　　　　 |
B-------------C
C 　　　　　 　　 　 B-----抵抗--・入力電圧5V
| 　　　　　　 　　 　 E
| 　　　　　　　　　 |
モータ 　　 　 　　 |
|--------------|
|
GND
図が汚くてすいません
また、もしよければ参考になる回路や計算方法や考え方など詳しく書いてあるサイトや書籍などを教えていただけないでしょうか。
すみませんが、よろしくお願いします

回答No.5

tance · ベストアンサー

tanceです。
モータの使い方によっては何らかの具合で、シャフトがロックしてしまう
ことがあったり、すごく大きな慣性の負荷を回すので回転が上がるまで
長い時間がかかったりすることがあります。（一般論ですが）
最悪の場合は定格回転しているときに逆転させたいなど、ストール電流
以上の電流になることもあります。もっとも、このような使い方は
モータの仕様外だと思います。キチンと設計するにはモータの許容電流
以上流せないようなリミッタが必要になります。

このような時にトランジスタがその電流（STALL電流）を流せなくて
コレクタ～エミッタ電圧が大きくなり、これが原因で発熱し、最後には
壊れてしまうということが起こりえます。（Trが壊れるかモータが
壊れるかなら、多分Trが先に壊れます）

このようなことまで考えなくて良いのであれば単純ですが、保護が
必要ならいろいろな保護方法があります。

私ならTrの部分は5Aくらい流せるようにしますね。トータルで電流を
10万倍できれば0.05mAを5Aにすることができます。それには電流ゲイン
100の段を２段＋10の段を１段設ける必要があります。

また、初段と２段目はスイッチとしてよりは電流アンプとして使うこと
ができるのでONに対する余裕が不要になります。つまり、Trの電流
増幅率hFEが100なら100として使えます。（スイッチだと100を10の
つもりで使わなくてはなりません）

終段のTrはコレクタ電流5A,ベース電流0.5Aで使い、２段目はコレクタ
電流0.5A,ベース電流5mAくらいで使うことになります。
２段目のコレクタ電流が少々大きいのでam-etcさんのお考えの回路
（私の例の左上）では初段の発熱が大きくなります。モータ電圧を24V
とすると、放熱器が欲しいくらいの発熱になると思います。

終段のON電圧が多少高く（1～2Vくらい）てもよければ、ダーリントンの
トランジスタを使うのが楽です。これはトランジスタのパッケージの
中で２つのトランジスタがダーリントン接続されているものです。
これを使うと終段のベース電流は50mAくらいで十分となり、２段目の
負担が楽になります。am-etcさんのお考えの回路で10kオームと思って
いた抵抗を68Ωくらいにすればキチンと働くと思います。２段目の
ベース電流は0.5mAくらいであり、仕様の0.05mAにはもう一段アンプが
必要です。

それにしても50マイクロアンペアとはずいぶん弱い信号源ですね。
このくらいの微弱電流で大電流を制御するのならいっそパワーMOS-FET
を使ったらどうでしょう。抵抗もいらず、MOS-FET １個でできますよ。
（ただし、モータはVcc～FETのドレイン間に入れることになります）

お礼

お返事いありがとうございます！！！
遅くなって済みません
ご回答の端々で自分にきちんとした理解が無いことがよく解りました。もっと勉強しようと思います。
詳しいご回答ありがとうございました。

回答No.7

miran_2006

..................Vcc
..................↑
..................│
..................Ｍ
..................│
......┌──┬──┤
......│....│....│
┐....R1....│....│
│....│....│....│
│..┏┷┓..│....│
├─┨..┃..│....│
│..┗┯┛..│....│
│....┷....R2....│
│....Ｇ....│....│
│........┏┷┓..│
├────┨..┃..│
│........┗┯┛..R3
│..........┷....│
│..........Ｇ..┏┷┓
├───────┨..┃
│..............┗┯┛
┘................┷
..................Ｇ

フォントを見やすい物に直してください。
左側はマイコンです。
右側の□は、FETです。
R1～R3の抵抗で減衰させます。
３ポートともONになるとR1～R3の合成抵抗は、計算できますね。
ポートのONの組合せで合成抵抗が変わるのでモーターに流れる電流が変わります。
保護回路は省略してますが、FETのDS間にダイオードを付けて下さい。
※トランジスタのHFEは目安ですので厳密に倍数を指定や選定できません。たぶん、上記の方が、単純にマイコンで負荷制御できるので楽です。

お礼

お返事いありがとうございます！！！
遅くなって済みません
＞＞＞トランジスタのHFEは目安ですので厳密に倍数を指定や選定できません
…ある程度細かいとこまで出来るものかと思ってました。
もっと勉強しようと思います。
詳しいご回答ありがとうございました。

回答No.6

walkingdic

>STALL電流が2Aだとか
あらら、それだといっそのこと他の回答者が述べたようにＦＥＴを使う方が簡単でしょう。

あと、モーターは逆起電力が生じるので、保護用ダイオードをスイッチするトランジスタｏｒＦＥＴに入れることを忘れずに。

お礼

お返事いありがとうございます！！！
遅くなって済みません
ご回答の内容をもとに考えてみます
ご回答ありがとうございました。

回答No.4

walkingdic

実用的な回路設計の話よりまずは基本的な考え方を書きますね。

ご質問の場合にはモータへの電流をＯＮ／ＯＦＦするスイッチとしてトランジスタを使います。つまり、その意味で増幅とはちょっと異なります。

で、基本的な考え方としては、

　・モーターに流れる最大電流Ｉｍを見積もる
　・トランジスタでその電流が流れるようにする
　・入力信号の許容電流値Ｉｓを考慮する

この３つがあるだけです。

モーターの最大電流はモーターが定格電圧がかかっていて、かつ負荷が重くて回転できないときの電流値で見積もります。指で押さえて電流を実測してもかまいません（ただし短時間にやらないと焼けます）。カタログを見ればストール時の電流値ということで乗っています。

さて、上記でＩｍが求まりました。で、入力信号の許容電流値がＩｓとすれば、バイポーラトランジスタは電流増幅ですから、必要な電流増幅率βは、

β＞＝Ｉｍ／Ｉｓ

となります。ご質問のモータのストール電流がわかりまんが、仮に０．５Ａとしましょうか。ご質問ではＩｓ＝０．０５ｍＡですから、

β＞＝０．５／０．００００５＝２０，０００

となり２万倍にしなければなりません。
トランジスタのβはものによりことなりますけど、まあとりあえずひとつβ＝１００のトランジスタを使うとすれば、２段で１万なので、トランジスタ３段は必要だとわかります。

この場合ご質問の回路のＮＰＮにもう一段加える必要があるということがわかるわけです。

実際の計算はそんなに難しくありません。
初段のトランジスタに０．０５ｍＡ流れるようにベース抵抗を決めてやると、そのトランジスタの電流増幅率（温度そのほかでかなり変わるので低めに見積もります）βをかけたβ×０．０５ｍＡがコレクタ－エミッタ間電流になるので、その電流が次のトランジスタのベースに流れるのであれば、、、、と同じことをまたやって、最終的にモータのスイッチとなるトランジスタのＥ－Ｃ間の電流値がモーターの必要とする最大電流値Ｉｍを超えればＯＫなわけです。

お礼

お返事ありがとうございました！！！
もっと調べた結果STALL電流が2Aだとか…とすると4万倍？！更にロックし続けたら3A超えてしまいました…となると回路についてはもっと見直さないといけないことが解りました。

＞＞＞初段のトランジスタに０．０５ｍＡ流れるようにベース抵抗を決めてやると、そのトランジスタの電流増幅率（温度そのほかでかなり変わるので低めに見積もります）βをかけたβ×０．０５ｍＡがコレクタ－エミッタ間電流になるので、その電流が次のトランジスタのベースに流れるのであれば、、、
いざ、言葉に表してもらうと簡単そうに聞こえますが…先の回答者の方が教えた下さった色々な回路の方式もあるので勉強を重ねていきます。
詳しい回答ありがとうございます

回答No.3

tance

ちょっと補足します。
ご呈示の回路ではPNPの石が壊れます。GNDとNPNのE間に10kオームを
入れるという考え方は正しいですが、抵抗値はちょっと？です。

また、細かいことですが、回路図を描くときの常識として、
信号は左から右へ
ということをできるだけ守ってください。

お礼

お返事ありがとうございます！！！
＞＞＞ご呈示の回路ではPNPの石が壊れます。

そうなんですか？この回路で動いてるのを見たことがあったので十分動くものかとばかっり思ってました…

＞＞＞GNDとNPNのE間にを入れるという考え方は正しいですが、抵抗値はちょっと？です。

抵抗値に関してですが、10kオームは他のサイトに書いてあったこのくらいを入れとけば大丈夫というのをそのまま利用してしまい、他の抵抗値に関しては計算式に自信が持てず、そのままという状況で質問してしまいました。

＞＞＞回路図を描くときの常識として、
信号は左から右へということをできるだけ守ってください。

Hブリッジの時など右からというのも見たことがあったのでどちらでも良いのかと思いこんでました。注意していきます

回答No.2

tance

まず、何のために多段にするのかを再認識してみてください。
おそらく、元の制御信号の電流がたくさん取れないので、大食いの
モータを回すのにトランジスタ一つでは足りない、ということだろうと
思います。

トランジスタをしっかりONさせるには必要最低限のベース電流の何倍か
のオーバードライブが必要です。そうしないと、ちょっとしたことで
トランジスタが発熱して壊れてしまうことがあります。

そう考えるとトランジスタ１段で稼げる電流利得（コレクタ電流÷
ベース電流）はあまり大きくなかったりします。（トランジスタに
よりますが）データシートに書いてある動作条件ではIC/IB=10～20
くらいが普通ですので、例えば、モータ電流が1Aだとすると終段の
トランジスタのベース電流は50～100mA必要となります。

ではその前の段はどうなるでしょうか。答えは単純で、負荷がトラン
ジスタであること意外は電流増幅という意味では終段と何ら変わり
ません。

ただ、ここからが「設計」の面白いところで、回路方式がいろいろ
あります。どの方式を選ぶかが設計者の腕です。

ダーリントンにするのか、インバーテッドダーリントンにするのか
スイッチ＋抵抗で構成するか、定電流ドライブのようにするか・・・

どの方式を採るかにより計算方法はまちまちです。いずれも、トラン
ジスタの基礎をきちんと理解していればほとんどオームの法則だけで
設計ができます。

２段の例を挙げてみますので下記を見てください。
http://photos.yahoo.co.jp/ph/kiyoshisoneartek/vwp?.dir=/bd41&.dnm=7a89.jpg&.src=ph&.view=t&.hires=t

これは出力が定電流ドライブになる回路構成です。定電圧ドライブなら
これとは違う回路構成がまだまだあります。

３段となるとこれらの組み合わせになるので、もう数え切れないくらい
回路の種類があることになります。その中のどの回路構成を採用するか
がまず最初に必要です。その選択のためには各回路の特徴を十分
知っている必要がありますが、一つ一つの回路をまる暗記するのでは
脳のメモリーがいくらあっても足りません。やはり、基礎を身につけて
どんな組み合わせでも見れば想像が付くという状態にするのが最も
良いと思います。

モータ電流が測れないとのことですが、これが解らないと設計のしようが
ありません。モータの現物があるのならシャフトを強制的に固定して
（回らないようにして）電流を測ってみてください。DCモータなら
回り始めの一瞬はこの状態になるはずで、これが最大電流となります。

補足

お返事あありがとうございました！！！
参考例ありがとうございました。
＞＞＞モータ電流が測れないとのことですが、これが解らないと設計のしようがありません。モータの現物があるのならシャフトを強制的に固定して（回らないようにして）電流を測ってみてください。DCモータなら回り始めの一瞬はこの状態になるはずで、これが最大電流となります

これってSTALL電流でいいんでしょうか？よくよく調べてみたらサイトに2Aと書いてありました。さっそく回路にモータを繋いで軸をロックしてスイッチを入れたら、回り始めの一瞬が2Aよりも小さいことが解りました。でも、すぐに3A軽く突破してちょっと焦げくなってしまったので止めてしまいました。これは考慮すべきなんでしょうか？？？。

回答No.1

outerlimit

基本の考えかたを、増幅回路と言うより　電流制御回路と見なしたら

モータにかかる電圧・モータに流す電流をトランジスタのCBの等価抵抗で制御すると考えたらいかが

お礼

お返事ありがとうございました！！！
もっと勉強しながら考えていこうと思います。