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ベース抵抗の選定

今回つかうNPNトランジスタ 2SC1815-YのhFEは実測値で150のものだ。一般的に、2SC1815のhFE値は次のような範囲であると言われている

また、ベース＝エミッタ間の飽和電圧 Vbe = 1.0V である。

2SC1815データシート

増幅率の定義 ： h_FE = I_C / I_B

増幅して流したい負荷電流は I_C = 26mA、増幅率 hFE=150より、ベース側に流すべき電流は

I_B = I_C / h_FE = 26mA / 150 = 0.17mA

となり、ベース抵抗値 R_Bは、トランジスタのスイッチ用途という特殊な条件（飽和電流条件）の時に抵抗に掛かる電圧の「 ベース・エミッタ間飽和電圧 V_BE = 1.0V 」を考慮して

R_B = ( V - V_BE ) / I_B = (5.0V - 1.0V) / 0.17mA ≒ 23kΩ

なお、h_FEは下図（オレンジ色の矢印）のように温度によって低下したりするので、だいたいh_FE実測値の半分〜1/3程度で設計すれば良いそうだ。

2SC1815 hFEの温度による低下

つまり、h_FE = 50 程度として

I_B = I_C / h_FE = 26mA / 50 = 0.51mA

R_B = V_B / I_B = (5.0V - 1.0V) / 0.51mA ≒ 7.8kΩ

実測

(1) R_B = 4.7kΩのとき、I_B = 0.8mA , I_C = 26mA
(2) R_B = 22kΩのとき、I_B = 0.19mA , I_C = 24mA
(3) R_B = 33kΩのとき、I_B = 0.11mA , I_C = × ： ファン回転せず

(2)が、h_FE = 150 の実測値ピッタリに合わせたもので、負荷（ファン）の駆動電流をなんとかギリギリ賄えている状態。
これより小さなベース抵抗R_Bを選択すると、トランジスタによるI_Cの増幅が使いきらない状態（飽和状態）となり、トランジスタをスイッチとして利用しているということになる。

実際の回路作成時の選定は (1)のように、h_FEが1/2 〜 1/3程度に性能低下した場合を想定してR_Bを決める。

コレクタ遮断電流I_CBO対策

ベースに電圧が加えられていない時、つまりマイコンがベースに接続されたピンをLoにしている場合、コレクタからベースに向かって漏れ電流が発生する。2SC1815の仕様書ではI_CBO = 1μAと書かれている。

実際に回路作成する時には、この図のようにベースとエミッタの間に適当な抵抗を入れて、この抵抗（R_BE）を通してグランド側に電流を流してやることで、トランジスタが反応してしまう（ONになる）のを防ぐ。R_BEは、その両端にトランジスタを作動させるおよそ0.1V程度（経験値）、あるいは仕様書（I_BとV_BEのグラフ）より0.4V〜0.6V程度がかからないような抵抗を入れれば良いとされ

R_BE = V / I_CBO = 0.4V〜0.6V / 0.1μA = 4MΩ〜6MΩ

この抵抗値より小さなもの（経験値的には1kΩ〜10kΩ程度以下の抵抗）を入れておけば良いと言われている。

※これまで4kΩ〜6kΩと計算結果を記述していて、10³オーダーの計算間違いをメールで指摘いただいたため、修正しました。

R_BとR_BEの選定

「コレクタ遮断電流対策無し」の場合、この記事の前半で計算したようにベース抵抗 R_B = 4.7kΩで、ベース電流が約0.8mAである。また、トランジスタが飽和状態の時のベース・エミッタ間飽和電圧 V_BE = 1.0V を考慮すれば、上の図の左側のような「仮想的な直列抵抗」と想定できる。

今回、「コレクタ遮断電流対策あり」とするには、R_BE = 1.0kΩの抵抗を並列に接続すると仮定できるため、上の図にあるようにトランジスタ側は合成抵抗0.9kΩと仮定できる。この抵抗値とベース抵抗R_Bで1.0Vと4.0Vの分圧を引き受けるとすると、R_B : 0.9kΩ = 4.0V : 1.0V の関係となり、R_B = 0.9 × 4.0 = 3.6kΩ

R_B = 3.6kΩでも、流れる電流は I = 4.0V / 3.6kΩ = 1.1mA とPICマイコンの最大電流量25mAを越えないため問題はない。

コレクタ遮断電流I_CBO対策を行った回路図