【デジタルトランジスタ(デジトラ)】バイポーラトランジスタとの違い

バイポーラトランジスタに抵抗を内蔵したデジタルトランジスタですが、データシート上で項目が異なるものがあります。

例えば、コレクタからエミッタに流れる電流に関して、バイポーラトランジスタではコレクタ電流I_Cで定義しているものが、デジタルトランジスタでは出力電流I_Oと定義しており、同じ電流でも表記方法が異なります。

今回はその項目について説明します。

コレクタ電流I_Cと出力電流I_Oの違い

バイポーラトランジスタのデータシートの絶対最大定格を見ると、コレクタ電流I_Cが記載されています。

これは、バイポーラトランジスタが流せるコレクタ電流I_Cの最大値です。

この値を超えて使用するとトランジスタが破損する可能性があります。

一方、デジタルトランジスタにはコレクタ電流I_Cと出力電流I_O(または出力電流I_O)のみが記載されています。

どちらもコレクタからエミッタに流れる電流を表しているのですが、意味が異なります。

各項目の意味は

コレクタ電流I_C

デジタルトランジスタを構成しているバイポーラが流せる電流の最大値

出力電流I_O

デジタルトランジスタが流せる電流の最大値

となっています。

コレクタ電流I_Cと出力電流I_Oの違い(一例を紹介)

ここで一例としてローム社のデジタルトランジスタ「DTC144E」で各項目を見てみます。

ローム社の「DTC144E」は

コレクタ電流I_Cの絶対最大定格100mA
出力電流I_Oの絶対最大定格30mA

となっており、出力電流I_Oの絶対最大定格はコレクタ電流I_Cの絶対最大定格と比較して小さくなっています。

この理由について説明します。

このトランジスタ「DTC144E」に対して、出力電流I_O=100mA(=I_C)を流す場合を考えてみます。

デジタルトランジスタを構成しているバイポーラトランジスタの直流電流増幅率h_FEを100とすると、コレクタ電流I_C=100mAを流すためにはベース電流I_Bは1mA必要になります。

この1mAのベース電流を流すためには高い入力電圧V_INが必要となります。

トランジスタの入力抵抗(ベース抵抗)R₁を50kΩ、入力抵抗(ベースエミッタ間抵抗)R₂を50kΩ、ベースエミッタ間電圧V_BEを0.7Vとすると、入力電圧V_INは51.4V必要になります(この記事の最後に計算方法を記載しています)。

一方、1mAのベース電流を流すためには高い入力電圧V_INが必要といいましたが、デジタルトランジスタには入力電圧V_INに絶対最大定格があります。

これは入力抵抗R₁の定格電力から決まる電圧です。今回のデジタルトランジスタ「DTC144E」は入力電圧の絶対最大定格が40Vです。

従って、コレクタ電流I_C=100mAを流そうとすると、入力電圧V_INの絶対最大定格を超えてしまいます。

そのため、入力電圧V_INの絶対最大定格を超えずに、デジタルトランジスタが流すことができるコレクタ電流I_Cを出力電流I_Oの絶対最大定格としています。

実際に回路設計する際には、出力電流I_Oの絶対最大定格を使用して考えます。

直流電流増幅率h_FEと直流電流増幅率G_Iの違い

バイポーラトランジスタのデータシートの電気的特性を見ると、直流電流増幅率の記号がh_FEです。

これはバイポーラトランジスタに流れるベース電流とコレクタ電流の比です。式では

\begin{eqnarray}
h_{FE} &=& \displaystyle\frac{I_C}{I_B}
\end{eqnarray}

となります。

一方、デジタルトランジスタには、直流電流増幅率はh_FEとG_Iの2つ(またはどちらか一方)が記載されております。

h_FEもG_Iも直流電流増幅率(正確にはエミッタ接地直流電流増幅率)を表すものですが意味は異なります。

各項目の意味は

直流電流増幅率h_FE

デジタルトランジスタを構成しているバイポーラトランジスタの直流電流増幅率

直流電流増幅率G_I

デジタルトランジスタの直流電流増幅率

となっています。

上図において式で書くと、

\begin{eqnarray}
h_{FE} &=& \displaystyle\frac{I_O}{I_B}\\
G_{I} &=& \displaystyle\frac{I_O}{I_{R1}}
\end{eqnarray}

となります。

このようにデジタルトランジスタとバイポーラトランジスタで直流電流増幅率が異なるのは、デジタルトランジスタには入力抵抗(ベースエミッタ間抵抗)R₂があるためです。

入力抵抗(ベース抵抗)R₁のみのデジタルトランジスタではI_R1=I_Bなので、
\begin{eqnarray}
G_{I} &=& \displaystyle\frac{I_O}{I_{R1}}
&=& \displaystyle\frac{I_O}{I_B}
&=& h_{FE}
\end{eqnarray}
となります。この場合は、直流電流増幅率h_FEと直流電流増幅率G_Iは等しくなります。

しかし、入力抵抗(ベースエミッタ間抵抗)R₂を接続すると、入力電流I_R1がベース電流I_Bと入力抵抗(ベースエミッタ間抵抗)R₂に流れる電流に分流します。

そのため、デジタルトランジスタの直流電流増幅率はバイポーラトランジスタと区別してG_Iと呼ばれています。

なお、デジタルトランジスタの直流電流増幅率G_Iは直流電流増幅率h_FEより小さくなります。

【補足】計算方法

上図の回路においてベース電流を1mA流すために必要な入力電圧V_INを求めてみます。

ベースエミッタ間電圧を0.7Vとすると、入力抵抗R₂には
\begin{eqnarray}
I_{R2} &=& \displaystyle\frac{0.7[V]}{50[kΩ]}
\end{eqnarray}
の電流が流れます。

そのため、ベース電流I_Bを1mA流すためには入力抵抗R₁に流す電流は
\begin{eqnarray}
I_{R1} &=& I_{R2}+I_{B}\\
&=&\displaystyle\frac{0.7[V]}{50[kΩ]}+1[mA]
\end{eqnarray}
が必要となります。

この電流を流すために入力抵抗R₁は以下の電圧が印可される必要があります。
\begin{eqnarray}
V_{R1} &=& I_{R1}×50[kΩ]\\
&=&\left(\displaystyle\frac{0.7[V]}{50[kΩ]}+1[mA]\right)+×50[kΩ]
&=& 50.7[V]
\end{eqnarray}

以上より、ベース電流を1mA流すために必要な入力電圧V_INは
\begin{eqnarray}
V_{IN} &=& V_{R1}+0.7\\
&=& 51.4[V]
\end{eqnarray}
となります。