トランジスタの出力電流

質問

トランジスタによる電流増幅の仕方がわからないため教えてください。

極端かもしれませんが、添付の画像のような回路があったとします。
トランジスタのhfeはいずれも100としてください。

まず、左のトランジスタのベースに2.2kΩを介して2.2Vがかかるとします。
この時電流は2.2V/2.2kΩ=1mA、コレクタ電流はこれがhfe倍されるので1mA×100=100mAとなります。
ここからがよくわからないところなのですが、ここでのコレクタ電圧は10Vでいいのでしょうか？
また、右のトランジスタのベースへは何mA流れるのでしょうか？
（100mAが絡んでくるのか、10V？と2.2kΩの関係だけで決まってしまうのか・・・）
そして最終的には何mA出力されるのでしょうか？

ご教示お願いいたします。

回答No.2

tance · ベストアンサー

まず、左のトランジスタですが、ベース～エミッタ電圧が大体0.7Vくらいあるので
2.2Vにつながっている2.2kの抵抗には10 - 0.7 - 2.2 V　がかかります。これは
7.1Vです。

なので、この2.2kには 7.1V / 2.2kΩ = 3.23mA が流れます。

この電流は分岐されてトランジスタともうひとつの2.2kに流れます。
もう一つの2.2kにはさきほど出てきた0.7Vが加わっているので 0.7 / 2.2k = 0.32mA
流れます。

そうすると、トランジスタに流れるのは 3.23mA - 0.32mA = 2.91mA となります。

まずはここまでを理解してください。抵抗に流れる電流は、あくまでその両端の
「電位差」によって生じるので、片側の電圧だけで話しを進めることはできません。

さて、トランジスタのhFEが100あるとしましょう。ベース電流が2.91mAなら
コレクタ電流は291mAという計算になります。確かにコレクタ～エミッタ間に
単純に電源をつなげばそうなります。

でも、コレクタ電流は電源からエミッタを経てコレクタを通り、2.2kの抵抗と
その先の右のトランジスタを通って流れるので、途中に流れを制限するものが
たくさんあります。

このために、結局コレクタ電流は　（ベース電流　×　hFE ）で決まるのではなく
負荷抵抗で決まることになります。これは、トランジスタがスイッチのような動作に
なっている状態です。291mA流せるトランジスタもコレクタ～エミッタ電圧が
ほぼ０Vでは流しようがありません。

結局コレクタ電流は、前出の計算と全く同じで3.23mAとなります。

それでは２段目はどうでしょうか。これはコレクタの回路が示されていないので
計算のしようがありません。電源をじかにつなげば291mA流れるし、負荷抵抗が
100kΩで電源が10Vならコレクタ電流は0.1mAになります。

回答No.7

KEN_2

ANo.4 です。
やはり予想通りの展開になりましたね。
１．ご質問の回路は電流増幅回路では無く、スイッチングのデジタル回路です。
１）入力電圧；0Vから9.3Vまでは、2段目のTrがシンク電流で引き込み動作です。
２）入力電圧；9.3Vから10Vで、2段目のTrがオフ動作でシンク電流を引き込めません。
＊波形整形のデジタル回路となり、電流増幅回路のアナログ回路として使えません。

もし、I/V変換器として電流増幅回路としてOP-AMPに接続されたいのならば、
１）入力信号の範囲；中心電圧、変化電圧・電流範囲
２）必要な出力電圧範囲、電流/電圧変換の範囲・・・・
を提示して質問ください。

＊電流変化を電圧に変換して目的の結果を得たいのなら、差動増幅器や電流増幅器でアナログ回路の技術が必要です。
この質問への回答は終わっていますので、何をしたいのか目的と入力・出力仕様を明確にして再度質問してください。

＃先の計算で誤記がありました。
ベース電流は、3.62mAで、
シンク電流で約362mAを引き込める値となります。（流れ出し電流はありません。）

訂正します。失礼いたしました。

お礼

丁寧に説明いただきありがとうございます。
お礼が遅くなってこんなことを言っては何なのですが、質問するための情報がすぐに開示できないため、すみませんがまた質問したいことがあれば近々新規に投稿します。
親身になっていただいているのにすみません。
いろいろとありがとうございました。

回答No.6

tance

ちょっと待ってください。トランジスタというよりOPアンプの問題に
なって来たようです。

OPアンプの入力電流は通常は非常に小さいし、その電流が
出力などに比例するわけではないことが多いですよ。しかも
OPアンプは差動入力ですよ。

どのような動作を意図しているのでしょうか。ますます解らなく
なってきました。

平均的な安いOPアンプの入力電流は大体 0.00001mAくらいです。
これはトランジスタの漏れ電流より小さかったりします。FET
入力のOPアンプなどでは 0.000000001mAくらいです。しかも
この電流と出力電圧はほとんど何の関係もありません。

この電流は、簡単に言ってしまうと「流れない」というレベルです。
普通、OPアンプに信号を与えても電流は「流れない」のです。
言い換えると、３段目のトランジスタのコレクタには何もつながって
いないのと同じです。３段目のトランジスタのコレクタ電流は
10mAでも50mAでもなく、0mAです。

トランジスタ回路の部分はよく見る普通の回路ですが、OPとの
つなぎはどう見ても異常です。おそらく全く動作しないでしょう。
このあたりはOPアンプの基礎を勉強してください。

現代のアナログ回路の勉強はOPアンプさえ解れば良いという
風潮がありますが、そんな中、トランジスタの動作を勉強する
ことは実は非常に大事なことです。まだ初心者とお見受けしますが
頑張って勉強してください。

お礼

お礼が遅くなりすみません。
まだ勉強不足なところが多かったです。いい機会ですので、トランジスタについて教えていただいたことを参考に勉強してみようと思います。
いろいろと回答いただきありがとうございました。

回答No.5

tance

３つめのNPNはベースから2.2kを通って２段目のコレクタにつながっているのですか？

トランジスタを３段も使って何をする回路なのでしょう。ちょっと想像ができません。
微少な信号を増幅するのが目的だとすると、入力は2.2Vではないはずだし、
この回路構成では不安定でとても思ったとおりの動作はしないと思われます。

もし信号源が大きな振幅があるのなら、トランジスタを３段もつなぐ必要はないです。

OPアンプとのつなぎはどのようになっていますか？　３段目が登場してから
回路意図がわからなくなりました。

なお、途中の計算の「10V/(10kΩ+2.2kΩ)=0.82mAが流れ、やはり0.32mA差し引いた
0.5mAが3個目のトランジスタのベース電流として流れる」というのはほとんど合って
います。厳密には10V-0.7Vとすべきです。（より正確にはKEN_2さんのVCEも
計算に入れて10V-0.7V-0.1Vなどとすべきです）

OPアンプに50mA流れるかという点も、電流値を決めるものがトランジスタなのか
負荷抵抗なのか、それとも他にあるのか、を明確にしないと解りません。

10トンの力を出せるクレーンに100kgの荷物を吊ったら、クレーンは10トンの
力を出していますか？10トンではなく100kgの力で動作していることはお解り
と思います。これと同じ事で、トランジスタのコレクタ電流もトランジスタだけの
特性で決まるものではないのです。

補足

何度もありがとうございます。いろいろと混乱させてしまいすみません。
3段目とOPアンプとの間にはなにもつないでおらず、OPアンプの入力に直結です。抵抗は介していないのでトランジスタの出力電流がそのままOPアンプの入力電流になると思います。
これは予測ですが、もしOPアンプの入力電流がOPアンプ後段の回路との兼ね合いなどで10mA流したいとなれば、トランジスタは50mA出力できるが、必要な10mAまでしか出力されないということでしょうか？（また混乱するような文章でしたらすみません）

回答No.4

KEN_2

ほぼANo.2,3のtanceさんの回答で完璧なのですが、蛇足ながら回答します。

>ここからがよくわからないところなのですが、ここでのコレクタ電圧は10Vでいいのでしょうか？
10Vと考えて良いです。
厳密に考えると、Vce(set）電圧で0.2Vから0.3Vが飽和電圧が残りますので、10V-0.3Vの9.7V程度と考えてください。（ゴミの無視しても良い値ですが・・・）

>また、右のトランジスタのベースへは何mA流れるのでしょうか？
（100mAが絡んでくるのか、10V？と2.2kΩの関係だけで決まってしまうのか・・・）
10V？と2.2kΩの関係にVbeの0.7Vが関係します。
(10 - 0.7 - 0.3) / 2.2k = 4.09mA にベース電流は0.32mA少ない
3.16mAになります。

>そして最終的には何mA出力されるのでしょうか？
電流は電流が出る方向をソース電流、
電流が入る方向をシンク電流と呼びますので、
シンク電流で約316mAを引き込める値となります。

オープンコレクタですので、電流が出ることはできません。
出力回路は次段との接続を考えて決定する事項の定数を選らぶ必要があります。

回答No.3

tance

#2 tanceです。

すみません、ちょっと訂正です。
１段目のコレクタ電流は、ベース電流のときと同じだと書きましたが間違いです。
２段目は(10 - 0.7) / 2.2k = 4.23mA ２段目のベース電流は0.32mA少ない
3.90mAでした。

失礼いたしました。

補足

回答ありがとうございます。

右のトランジスタへ入力されるベース電流は、左のトランジスタから出力される電圧と右のトランジスタのベース～エミッタ電圧0.7Vの差を間の抵抗値2.2kΩ（これが負荷抵抗ですよね？）で割った4.23mAから、ベース～エミッタ間抵抗に流れる分を差し引いた3.90mAということですね？

右のトランジスタのコレクタの回路は10kΩを介して10Vに接続されている回路（プルアップ？）と、再度NPNトランジスタがあり、最後はその出力がじかにオペアンプの入力に入る回路となります。3つ目のトランジスタの抵抗も2.2kΩ×2が接続されていて、hfe=100とするとどうなるのでしょうか？
10V/(10kΩ+2.2kΩ)=0.82mAが流れ、やはり0.32mA差し引いた0.5mAが3個目のトランジスタのベース電流として流れる。最後はこれをhfe倍した50mAがオペアンプに入力されるでよいでしょうか？
何度も申し訳ありませんが回答お願いいたします。

回答No.1

noname#159916

まずトランジスタのタイプと電流方向を確認しましょう。
そのせいもあってか、期待する増幅になってないでしょう。

増幅というのは、
「トランジスタは最大でその電流まで流す事を許す」イメージです。
外部電源と負荷抵抗、電流制限抵抗に当然影響されます。

電流の計算値が、外部電源と抵抗の２者だけ見ると大きな数字となっても、
トランジスタがそれを許さず、ベース電流のHFE倍の電流しか流れません。

トランジスタをデジタル回路に使う時は、「飽和係数を３くらいで設計」
（トランジスタが許可する電流値を３倍くらいに設定する）し、
負荷抵抗や外付け抵抗で電流制限します。

これはトランジスタのHFEはデータシート上でも誤差範囲が大きくて
（または製品ランクのように範囲で記載されていて）単一な数字でないし、
個体差や製品バラツキも大きく、これらによる完成品バラツキをなくす為です。

お礼

図に書き入れていただきありがとうございます。とてもわかりやすいです。
結局はhfeが十分に大きければ負荷抵抗で電流が決まるということですね。
なんでもかんでもhfe倍していたので間違った考え方をしていました。
良い勉強になりました。回答ありがとうございました。