トランジスタの増幅率を一定に保ちたい

質問

トランジスタの増幅率を常に一定に保つ方法をご存知の方おられませんか？
トランジスタのベースにPICマイコンからの信号を流し、
そのトランジスタで電流（信号）を増幅し電球を点滅させる回路を製作しています。
マイコンからベースへの配線にはコンデンサを並列に繋いでおりマイコンの信号がOFFになった時にベースへの電流が（コンデンサの放電によって）徐々に小さくなり、それにより増幅率が下がり電球はふわっと消えるようになります。それは一応成功なのですが
しばらくこの回路を動作させていると、増幅率が低下した事による発熱で逆に増幅率が上がってしまうのか電球が点灯しっぱなしの状態になってしまいます。
で、電源を落としてトランジスタを冷やしてから再度ONすると元にもどり、またしばらくすると点灯しっぱなしになります。
トランジスタが発熱してもず～っと電球がふわぁっと消え続けるような点滅をさせたいのです。

トランジスタの増幅率をトランジスタ自身の温度変化等に関わらず一定に保つ事は出来るのでしょうか？

以前にオペアンプを使ってその様な事が出来るというのを聞いた事があるような気もするのですが、ご存知の方おられましたら詳しい方法を教えて下さい。

回答No.5

kabasan

十分な放熱も必要ですが、要するにトランジスタの発熱に影響されない時限消灯回路が欲しいのですよね。

オペアンプを使うのであれば、
(1)ＰＩＣの出力に時定数回路を設け、それををオペアンプの電圧フォロアで受ける。
（後段の影響を時定数回路に与えない　＆　ＰＩＣ出力が限界を超えないように保護）

(2)オペアンプの出力にトランジスタをつなげてエミッタフォロアで電球に接続する。
（電流ブースト）

シンボル説明
＞　ＰＩＣ出力
ＶＣＣ　電源（５Ｖ）
Ｇ　グランド
▽　ダイオード
Ｒ　抵抗
Ｃ　コンデンサ
○　トランジスタ（周囲のＢＣＥはベース、コレクタ、エミッタ）
│＼＿　オペアンプ（入力は上が－、下が＋）
│／

（プロポーショナルフォントを使うとずれますから、これを見る時だけ「ＭＳゴシック」にでもしてください）
＞┐・┌───┐・ＶＣＣ
・▽・└│＼＿｜・｜
・├┬─┤／・│・Ｃ
・ＲＣ・・・・└Ｂ○
・││・・・・・・Ｅ
・ＧＧ・・・・・・｜
・・・・・・・・・電球
・・・・・・・・・｜
・・・・・・・・・Ｇ

(1)ＰＩＣ出力がＨｉになると、コンデンサが瞬時に充電されて約５Ｖになる。ＰＩＣ出力がＬｏになると抵抗を通じてコンデンサの電圧は徐々に下がります。オペアンプは入力の電圧をそのまま出力に伝えますが、出力側の負荷による時定数回路への影響を遮断します。

(2)この電圧変化をトランジスタを通じて電球に送ります。電球をエミッタに接続することによって、電球にかかる電圧はベース電圧で決定されます。（電圧源の電流ブースト回路です）

各定数を適切に設計すれば、簡易的にオペアンプを省略することも可能です。
それぞれ時定数回路、オペアンプ、トランジスタの基礎ですから、勉強するには良い機会＆素材かもしれませんね。いきなりＰＷＭは高等すぎるかな？
ちなみにこれは時定数回路を除けば電源の「電圧制御回路」或いは単に「定電圧回路」ですよ

お礼

お礼が遅くなり申し訳ありません。
どうも私には難しいようです。ＰＷＭでは成功しているのですが、ＰＩＣのプログラムではなく回路の方でアナログ的に明るさを変化させたかったのです。
もう少し勉強せねば・・・
ありがとうございました。

回答No.4

LCR707

トランジスタの発熱ばかり指摘して、ご質問の増幅率を一定に保つ方法に触れなかったので、追加で発言します。その前にちょっと訂正です。
　#3で、「発熱で直流電流増幅率(hFE)が増加するのなら、それはそれで有用でしょうが」などと書いてしまいましたが、実際は hFE は温度上昇とともにかなり増加します。20℃のとき100位だったとすると、100℃では200位になったりします。実はこの特性は「有用」どころかバイポーラトランジスタ（NPN型やPNP型のもの）の熱暴走の原因になっています。

　さて、温度上昇により直流電流増幅率 hFE が増加するのはトランジスタ自身の特性なので、これはどうしようもありません。hFE = コレクタ電流 / ベース電流　なのでまともに温度の影響を受けます。
　しかし、増幅率 = コレクタ電流 / ベース電圧 とすれば、方法はあります。単にトランジスタのエミッタとグランドの間にエミッタ抵抗を入れるだけです。このとき
　Ic = (Vb - Vbe) / Re - Ib
（Ic:コレクタ電流、Vb:ベース電圧、Vbe:ベースエミッタ間電圧、Re:エミッタ抵抗、Ib:ベース電流）
の関係になります。Vbに対するIcは原点を通る訳ではありませんが、ほぼ直線になります。もれ電流 Icbo や電流増幅率 hFE が増加してコレクタ電流が増えても、エミッタ電圧が高くなってベース電流が減少するという負帰還がかかるので安定です。さらにオペアンプを使って指令電圧とエミッタ電圧が同じになるように制御すれば、Vbeの項が消えて精度が高くなりますが、本質的には同じです。

　しかし、このように温度の影響が出ないように工夫しても、発熱が減った訳ではありません。私の経験では、Icboが顕著になるほど加熱させると、接合部温度は150℃を越えるほどになっていると思うので、今日明日というレベルで故障に至ります。今の時期ですからクリスマスの電飾制御かも知れませんが、クリスマスまで寿命が持たないのではないかと心配です。

お礼

お礼が遅くなり申し訳ありません。
私にはちと難しすぎるようで理解不能です（汗）。
もっと基礎から勉強します。
ありがとうございました。

回答No.3

LCR707

発熱で直流電流増幅率(hFE)が増加するのなら、それはそれで有用でしょうが、この場合は発熱によりコレクタからベースへの漏れ電流(Icbo)が増加して、入力が無くてもベース電流が流れている状態になっているのだと思います。この影響を減らすには、ベースからエミッタに抵抗を入れて、漏れ電流をバイパスすれば良いのですが、コンデンサの時定数に影響が出るかも知れません。
　電球の明るさをトランジスタでアナログ的に制御する場合、電球の定格電力をＰとすれば、明るさを減少させる過程でトランジスタは最大Ｐ／４の発熱をします。絶対最大定格を越えていませんか？。＃１さんの言われるように、充分な放熱が必要です。
　別の方法として、ＰＩＣマイコンのプログラムでＰＷＭ波形を作り、徐々にデューティを下げて暗くする方法もあります。これならあまり発熱しません。

回答No.2

keyguy

どの部品がどうのようにNPNにつながっているか
言葉で表現したほうが良いでしょう。
VCCとGNDとパソコンの出力ポート（何ボルト？）とコンデンサと抵抗とLEDとその他がNPNのベースとコレクタとエミッタにどのようにつながっているのでしょうか？

回答No.1

ymmasayan

トランジスタの放熱は充分してありますか。

お礼

ありがとうございます。
放熱器を付けての熱対策では外気温の変化に対応しきれないかなと思うのです。また、スペースの関係で放熱器をなるべく付けずに解決したいのです。