【オープンコレクタとは】『特徴』や『オープンドレインとの違い』を分かりやすく解説！

この記事ではトランジスタの『オープンコレクタ』について

『オープンコレクタ』とは
オープンコレクタの特徴(メリットとデメリット)
『オープンコレクタ』と『オープンドレイン』の違い

などを図を用いて分かりやすく説明しています。

『オープンコレクタ』とは

オープンコレクタとは、文字通り、トランジスタのコレクタ端子がオープン状態(開放状態)になっている出力形式のことです。

トランジスタにNPN型バイポーラトランジスタが用いられている場合、コレクタ(C)が出力端子、エミッタ(E)がグラウンドに接続されています。

オープンコレクタは主にICやセンサの出力端子に用いられています。ICの出力端子の1つがオープンコレクタの場合、「IC内部のトランジスタのコレクタ端子はどこにも接続されていない状態ですよ！」ということを意味しています。

オープンコレクタはトランジスタをスイッチとして用いており、ベースに流す電流(ベース電流I_B)により、トランジスタがON/OFFします。

トランジスタのON/OFF

ベース電流I_Bが流れている時

トランジスタがON状態となり、出力端子の電圧は0[V]になります(正確に言うと、完全に0[V]にはならず、トランジスタのコレクタエミッタ間飽和電圧V_CE(SAT)の値になります)。

ベース電流I_Bが流れていない時

トランジスタがOFF状態となり、出力端子はオープン状態(開放状態)になります。つまり、出力端子はハイインピーダンスになります。この状態では、出力端子は浮いたままになります。この状態を回避するために、一般的には出力端子の外部にプルアップ抵抗を接続し、トランジスタがOFF状態の時に、出力端子を高い電圧(約V+[V])にします。

なお、トランジスタのコレクタエミッタ間飽和電圧V_CE(SAT)については下記の記事で解説にしていますので、ご参考になれば幸いです。

コレクタエミッタ間飽和電圧VCE(sat)とは？『VCE(sat)-IC特性』などを解説！

補足

オープンコレクタは英語では『Open Collector』と書きます。

『オープンコレクタ』の特徴について！【メリットとデメリット】

オープンコレクタは主に以下の特徴(メリットとデメリット)があります。

メリット

電圧変換ができる
小電力の負荷(LEDなど)を直接駆動できる
ワイヤードオア接続ができる

デメリット

駆動能力が小さい

次に各特徴について順番に説明します。

電圧変換ができる

ICの電源電圧(V_CC)とプルアップ抵抗が接続される電圧(V+)は同じである必要はありません。オープンコレクタではプルアップ抵抗が接続される電圧(V+)により、トランジスタOFF時の電圧レベルを自由に設定することができます。

オープンコレクタを用いず、ICの信号を外部回路に直接伝達する場合を考えてみましょう。

オープンコレクタを用いない場合

ICの電源電圧がV_CC=24[V]、外部回路の電圧がV+=12[V]の場合

ICの電源電圧V_CCが外部回路の電圧V+よりも大きな場合、直接接続すると、外部回路に過電圧が印加され、故障してしまう可能性があります。

ICの電源電圧がV_CC=5[V]、外部回路の電圧がV+=12[V]の場合

ICの電源電圧V_CCが外部回路の電圧V+よりも小さな場合、直接接続すると、外部回路には5[V]しか伝達することができないため、Hレベルの電圧が足りない可能性があります。

オープンコレクタにすることで、上記の問題を解決することができます。

小電力の負荷(LEDなど)を直接駆動できる

LEDのカソード(K)をオープンコレクタの出力端子に、LEDのアノード(A)を抵抗を介してICの電圧電圧V_CCに接続することで、LEDを直接駆動することができます。この場合、トランジスタがON状態の時(オープンコレクタの出力端子がLレベルになる時)にLEDが発光します。

また、LEDのカソード(K)をグラウンドに、LEDのアノード(A)をプルアップ抵抗を介して外部電源V+に接続しても、LEDを駆動することができます。この場合、トランジスタがOFF状態の時(オープンコレクタの出力端子がHレベルになる時)にLEDが発光します。この構成では、トランジスタがOFF状態の時に、A点の電圧が約V+になるため、ICの電源電圧V_CCとは異なる電圧でLEDを駆動することができます。