LチカをNPN型トランジスタで駆動する

Arduino で Lチカするときに直接 LED をつなぐのではなく、LED の駆動用としてトランジスタを使った回路を作ってみます。

Arduino のデジタルピンは 20mA 程度までの電流を流せますので、LED を 1 個点灯させるなら直接つないでも問題はありません。でも電流が 20mA を超えるような場合は駆動用の回路が必要になります。これは LED に限らず、リレーやモーターなど負荷電流の大きい機器を制御するときも同様です。
スイッチング回路によく使われている 2SC1815 という NPN 型トランジスタを使って LED 駆動回路を作ってみましょう。この 2SC1815 はコレクタ電流が 100mA 程度まで流せますから、LED 数個を点灯させることができます。

NPN 型トランジスタを使った LED 駆動回路

オームの法則でわかる回路の電流値の簡単な計算

回路の電流値の簡単な計算、オームの法則がわかればできます。数値はみんな「だいたいこれくらい」ですよ (^_^;)

LED₁ の両端の電圧は 2V です。トランジスタ Q₁ が ON しているときコレクタの電圧は 0V ですから、抵抗 R₃ にかかる電圧は 3V になります。LED に 20mA 流すとすると、

R3 ＝ 3V ÷ 20mA ＝ 0.15KΩ ＝ 150Ω

となります。

トランジスタでスイッチングするときはベース電流を十分に流してやる必要があるので、コレクタ電流の 1/40 程度にします。LED に流れる電流がコレクタ電流ですから、コレクタ電流 I_C ＝ 20mA のとき必要なベース電流 I_B は、

IB ＝ 20mA ÷ 40 ＝ 0.5mA

です。

トランジスタのベース・エミッタ間電圧 V_BE は 0.7V ですから、抵抗 R₂ には 0.7V ÷ 10KΩ ＝ 0.07mA 流れます。したがって、ベース抵抗 R₁ にはベース電流と合わせた 0.57mA を流す必要があります。R₁ にかかる電圧は 5 ー 0.7 ＝ 4.3V なので、

R1 ＝ 4.3V ÷ 0.57mA ＝ 7.5KΩ

となります。
ここでは 6.8KΩ を選定しましたが、実験のときは 4.7KΩ でも 10KΩ でもさほど問題ないですし、2.2KΩ と 4.7KΩ を直列接続するとか、あるいは 15KΩ を 2 つ並列につなぐって手もあります。要するに手持ちの部品をうまく使いましょ、ってことです (^_^;)

ちなみに、ベース・エミッタ間の抵抗 R₂ は 10KΩ か 22KΩ にしておけば良いです。この抵抗は魔除けです (^_^;) 本当の働きについて知りたい方はグーグル先生に尋ねてみてください。

実際に回路を動かして電流値を測定してみよう

回路を組み立ててみました。6.8KΩ の抵抗器がなかったので、2.2KΩ と 4.7KΩ を直列につないで使っています (^_^;)
Arduino は NANO 互換機です。放熱器がある部分は 5V の電源回路です。12V の AC アダプタを利用して 12V と 5V を供給しています。

抵抗器の両端の電圧をテスターで測定し、その部分の電流値を算出します。が、点滅していては測定できないので、スケッチをちょっと書き換えて常に点灯するようにしておきます。

電源電圧は 5.03V でした。

R₃ の両端の電圧を測ります。2.45V でしたので、LED に流れている電流 (コレクタ電流) は 2.45V ÷ 0.15KΩ ＝ 16.3mA です。
LED₁ の両端電圧は 2.38V でした。当初の計算より LED の電圧が高いので、電流値が小さくなりましたが、明るさにほとんど差はないでしょう。

ベース・エミッタ間電圧は 0.86V でしたので、R₂ には 0.86V ÷ 10KΩ ＝ 0.09mA 流れています。
R₁ には 3.97V かかっていましたので、電流は 3.97V ÷ (2.2 ＋ 4.7)KΩ ＝ 0.58mA 。したがってベース電流は R₂ の分を差し引いて 0.49mA です。
コレクタ電流が 16.3mA でしたから、増幅率は 16.3mA ÷ 0.49mA ＝ 33 となります。十分なベース電流です。

と、こんな感じで NPN 型トランジスタによる LED 駆動回路ができあがりました。
簡単でしょ (^_^;) この程度の回路は難しく考えなくても大雑把に作れますから、ぜひ活用してみて下さい。