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トランジスタのVbeとは？LED点灯回路での挙動について
- トランジスタのVbe（ベース-エミッタ間電圧）は約0.7Vであり、NPNトランジスタの場合、マイコンからのHigh信号でトランジスタがONし、電流が流れLEDが点灯します。Low信号ではトランジスタはOFF状態となり、LEDは消灯します。
- 一方、PNPトランジスタの場合は反対の動作となります。マイコンからのHigh信号でもトランジスタはOFFのままであり、点灯します。Low信号の場合、トランジスタはON状態となり、LEDは消灯します。
- Vbeとの関係について、NPNトランジスタの場合はマイコンからの信号がVbeよりも大きければON、小さければOFFとなります。そのため、消灯させるためにはマイコンからの信号をVbeよりも小さくする必要があります。具体的には、Vccを低くするか、マイコンからの信号を高出力にし、Vbeよりも小さい電圧とする必要があります。
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- kantaro1985
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まだ、動作を納得されていないかもしれないので、回路シミュレーションしてみました。 これなら理解出来ますかね？ anf04082 さんが、以前質問されていた時の回路をベースにしていますが、使っている部品の品番がわからないのと、抵抗内蔵トランジスタの抵抗値を図に書かれていなかったので、そこはこちらで適当な部品と抵抗値を選定しています。 添付ファイルを拡大して見て下さい。 トランジスタのエミッタ電圧は3.3V固定。(回路図：V1) マイコン出力(回路図：V2)を0Vから3.3Vまで0.01V刻みで上げていきました。 これで、マイコン出力電圧2.5Vの時にどうなるか見てみましょう。 上がR3=0Ω、下がR3=22kΩのシミュレーション結果です。 グラフは、横軸がV2電圧（つまりマイコン出力電圧）になっています。 グラフの緑のラインがLED電流、青のラインがVbeです。 Vbeは、マイナス電圧にするとややこしいので、V(E)-V(B)の数値です。 まず上のグラフのR3=0Ωの時 V2が0Vの時は、Vbeが0.69V程度で、LED電流は13.4mA。 V2が2.5Vの時は、Vbeが0.67V程度で、LED電流が11mA。 これだと当然、V2が0Vでも2.5Vでも点灯しますね。 では、下のグラフのR3=22kΩの時 V2が0Vの時は、Vbeが0.68V程度で、LED電流は12.6mA。 V2が2.5Vの時は、Vbeが0.52V程度で、LED電流はほとんど0ですが、0.05mA程度流れています。 この結果からは、22ｋΩだと、一応うまく動いているようですが、非常にギリギリの動作で、部品のばらつきによっては、うっすら点灯してしまう可能性もありそうです。 また、V2が0Vの時の電流が、R3=0Ωの時の13.4mAに対して、0.8mA程度減少していることから、トランジスタがフルにON出来ていないこともわかります。 1台だけ動かすなら、これでもいいのかもしれませんが、もし、これを量産したりすると、バラツキや温度変化で不具合をおこす可能性が高いということになりますね。 anf04082 さんは、PNPトランジスタが、NPNトランジスタと逆だという事を理解されています。 ですので、逆にNPNトランジスタに置き換えてどういう状態が起きているか考えてみましょう。 PNPトランジスタのエミッタが3.3Vで、マイコン出力Hiが2.5V、Loが0.1V。 これをNPNトランジスタで考えると、どういう状態になるでしょうか？ NPNトランジスタのエミッタが0Vで、マイコン出力Hiが3.2V、Loが0．8V出ているのと同じような状態と言えます。 Loが0.8Vに持ち上がっていたら、NPNトランジスタは、ONしてしまいそうだなと思いませんか？ それと同じ事です。
- kantaro1985
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回答No.3さん デジタルトランジスタは「デジタル」と名がついていますが、トランジスタに抵抗がついているだけですので、実際には普通のトランジスタと同じく、アナログな動きをします。 ロジックICのように、しきい値を境にしてHとLが切り替わるわけではありません。 デジタル”っぽく”使えるアナログ素子と考えた方がいいです。 従って、今回の使い方に対する解決方法にはなりません。 回答No.5さん マイコンからCMOS出力端子で2.5Vが出力されていれば、プルアップ抵抗を付けても、出力は2.5Vのままです。 従って、これでは解決しませんよ。 バイポーラトランジスタはアナログ素子だということだけではなく、「電流を増幅する素子」であるということを理解しないといけません。 電圧がいくらならHiと認識して、いくらならLoと認識するのかではなくて、「ベースに電流が流れれば、そのｈＦＥ倍の電流がコレクタに流れる」んです。 回答No.4さんのダイオードを入れる方法だとうまくいくかもしれませんが、トランジスタの電流増幅率が高ければ、うっすら点灯してしまう可能性はあります。 ダイオードのVfも、トランジスタのVbeも、電流が少なくなると電圧も下がるので、ベース電流が完全に0にはなりません。 トランジスタのベース-エミッタ間の抵抗を小さめに調整すれば、ほとんど気にならないレベルには出来るでしょう。 ちゃんとやろうと思うと、こんな感じになりますかね。（抵抗値はちゃんと計算していないので適当です） CPU電源が2.5Vだとして、CPUの出力ポートのスペックが分からないですけど、絶対最大定格がVcc+0.3Vの場合、出力がハイインピーダンス（ハイもローも出力していない状態）の時に、外から3.3Vが加わると、定格オーバーでCPUを壊す可能性があるので、CPUには3.3Vがかからない回路にしてます。 CPUから2.5V出力すると、TR1のNPNがONして、TR2のNPNがOFFするのでTR3のPNPがOFFしてLEDは消灯します。 CPUがLo出力するとTR1のNPNがOFFして、TR2のNPNはR3を通って流れる電流でONし、TR3のPNPがONしてLEDが点灯します。
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補足
PNPの場合は0.4V以下にすればオフになるということになりますでしょうか。