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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

13 番ピンの出力をトランジスタ 2SC1815 のベースに入力しトランジスタを制御しています。コレクタ側に LED がつながっています。

13 番ピンが LOW (0V) のときはベースに電流が流れませんので、トランジスタは OFF でコレクタ電流も流れません。LED は消灯しています。
13 番ピンが HIGH (5V) になるとベース電流が流れます。するとトランジスタは ON になり、コレクタ電流が流れますので、LED が点灯します。

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 IC = 20mA のとき必要なベース電流 IB 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 VBE 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。

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