トランジスタの増幅回路について

Question

Arduinoを用いて多数のLEDを駆動する為に、トランジスタを用いた増幅回路を作成しています。しかし、単に電流を増幅するのではなく、添付画像1の様に強度の異なる階段パルス波で増幅したいと考えています。
実際に回路を作成し、オシロスコープで波形を確認したところ、増幅前の段階では設計通りの波形が出ていました。念の為、測定箇所を示す画像2も添付します。
しかし、増幅後の波形を確認すると増幅前の波形の跡形も見えませんでした。(画像3)
なぜこの様な動作をするのか、わかりません。
ご教授頂けると幸いです。よろしくお願いします。

Accepted Answer

回答(2)再出
トランジスタの電流増幅率は、個々値も異なり、温度条件などによっても変化するので、回路的な工夫なしで電流増幅回路を作ろうとしても、思い通り動作しない場合が多々あります。
一方で、スイッチング動作（ON-OFF動作）であれば、トランジスタの特性ばらつきがある程度あっても、動作電流のバラツキを小さく抑えることが可能です。
添付の図は、スイッチング動作を利用してLEDに流れる電流を制御する回路例です。トランジスタのベース回路に接続する抵抗は、設計するコレクタ電流に対して、トランジスタを確実に飽和させることができるように選定します。（4回路とも同一定数とすることが適切と思います。）
LEDに流れる電流を決定するのは、トランジスタのコレクタ側に接続する抵抗です。4回路の抵抗値を、R、2R、4R、8Rに設定しておけば、4ビットの入力信号によって、LEDに流れる電流を16段階(0を除けば15段階)に調整可能な回路を実現できます。

Answer

前出の先生方は何故か指摘してないんだが？

＞増幅前の波形の跡形も見えませんでした。
ちゃんと波形の跡形は見てるれるんだけど？
ただ単に波形がなまってるだけ
https://ednjapan.com/edn/articles/1510/30/news007.html
オシロの時間レンジは５０μｓと読み取れる
なので下側の写真のパルス立ち上がり時間は概ね１５０μｓ
立下り時間もそれくらい

よーするに
２００μｓ以上の応答速度でしか使えない
電圧レンジは読み取れないが１ます１Ｖだとして
入力パルスの１．５Ｖの４個の箇所を４０個パルス
０．５Ｖの４個の箇所を４０個パルス
それくらいにしてやってみては？

所謂、PWM回路
https://ednjapan.com/edn/articles/1407/31/news057.html
この手が一番手っ取り早いんだが、何故そうしないの？

Answer

トランジスタは電流増幅器です、またhfe（電流増幅率）はばらつきは結構大きいです。
回路からすると４Bitのデジタルーアナログコンバーターに思えます。
その場合は各デジタル入力毎にトランジスタ（4個）を付けて、コレクターに抵抗を入れてその抵抗を各ステップに合わせたドライブ抵抗で合成したドライブ電流にすればLEDを希望の４Bitデジタル電流量にできます。
なおLEDは並列接続より直列接続のほうが良いと思います。

Answer

＞増幅前の段階では設計通りの波形が出ていました。
辛口の回答です。
まず、トランジスタのベース・エミッタ間電圧が、添付画像1の様に強度の異なる階段パルス波であったら、ご所望の動作はしません。
トランジスタを能動領域で動作させる場合、ベース・エミッタ間電圧は0.7 V程度の値となり、添付画像1の様に大きく振幅が異なる状態とはなりません。

対処法：入力側の抵抗器4個に対し、それぞれ直列にダイオードを接続したら、ご所望の動作に近づく可能性があると思います。

おそらく、トランジスタをｈFE一定の電流増幅素子とお考えと想像しますが、現実はかなりのクセモノです。トランジスタ回路の設計技術を習得することが目的であれば、回路を追求することもいいのですが、LEDの応用実験をすることが目的であれば、電流増幅回路の自作はお勧めしません。

Answer

原因はいろいろ考えられますが
（１）波高が高いときに電流が飽和してる
（２）トランジスタのVBEを無視した電流計算
（３）トランジスタがA単位の大電流素子なのでは

まずは、LTspiceなどで回路シミュレーションをしてみたほうがいいでしょう。
https://www.analog.com/jp/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

トランジスタの増幅回路で階段パルス波の増幅ができない理由