安定化回路

質問

このページ(↓)で安定化回路について調べたのですが、
http://akita11.jp/class/04/ic2/11.html
このページには、
「トランジスタのC-E間の電圧は、Bに流す電流で変えることができます」
と書いてありました。どうしてこのようなことが言えるのでしょうか？

http://www.hobby-elec.org/gif/dance2621.gif
このグラフからなぜこのようなことが言えるのかよく分りません。

よろしくお願いします。

回答No.10

Teleskope

おっとここでも等価抵抗を動作抵抗と言ってました、失礼を。

回答No.9

Teleskope

質問者氏は電子回路を学び始めと思われますので 補足しておきます。ご質問で示された

Vi ＿＿＿　　＿＿＿＿＿＿＿ Vo
　　　　　 ｜ ↑　　　 　 　　　|
　　　　　 ￣|￣　　　　　　　 R1
　　　　　　 └電　圧───┤
　　　　　　　　比較器┐　　 R2
　　　　　　　　 　 　　 ｜ 　 　|
　　　　　　　　　　基準電圧 ｜
　　───────┴──┴─

　図のトランジスタは No.5に書かれてあるとおりエミッタフォロア(=コレクタ接地)そのものです。通常のエミッタフォロアと異なることはありません。　「コレクターに接続される電源が変動するから通常のエミッタフォロワ動作と杓子定規に決め付けるには無理」とありますが、トランジスタの基本に関わることなので記しておきます。

　E＿＿＿　　＿＿C
　　　　　 ↑ ｜
　　　　　 ￣|￣
　B───┴──- B
　　common base（ベース接地）

　Ｂ ＿＿|──── C
　 　 　　 |→┐
　Ｅ ───┴──- Ｅ
　　common emitter（エミッタ接地）

　Ｂ ＿＿|→───- E
　 　 　　 |─┐
　Ｃ ───┴─── Ｃ
　　common collector（コレクタ接地）

　ご覧のとおり コモンコレクタ回路の定義は「入力はVbc、出力はVec」なのです。ベースとコレクタ間の電圧が変わるのが（変則などではなく）定義通りの入力そのものです、質問者氏はここ誤解のないように。

　質問者氏の疑問は 「 トランジスタのC-E間の電圧はBに流す電流で変えることができます 」 でした。これは上記の電源回路から負帰還ループを無くして、ベースを入力として駆動してやればそうも言えます。　しかし電源回路は帰還によって 「 トランジスタのC-E間の電圧はBに流す電流に影響しません 」 という機能を実現してる回路です。
　さらに言えば 「 Bに流れる電流を変えるのは負荷の抵抗値です。帰還がかかってるからコレクタ電圧では変化しません。」 ここがしっくり分るのはこの先で負帰還をしっかり制覇したのちだと思います。

　最初の電源回路の図に於いて、負荷抵抗が一定、基準電圧も一定なら Ib は一定。しかし整流電圧は脈打ってる。　この状態で「Trは可変な抵抗（動作抵抗）として機能してる」と言いたいのなら、抵抗値を変化させてるもとは整流電圧しかないでしょ？　ほかは変化してないですから。Ibも変化してない。　ゆえに「トランジスタのC-E間の電圧はBに流す電流で変えることができます」の一節はこの電源回路の機能説明にはいかがなものか、ということで。

回答No.8

oyaoya65

#4です。
トランジスタから見れば負荷がエミッターが側にあるわけですから、エミッターフォロワーには違いないでが、通常のエミッタフォロワーと異なるのは、コレクターに接続される電源が変動して（コレクターの電圧波形は負荷電流が大きくなるにつれリップルが増大してくる）通常のトランジスタのエミッターフォワー動作と杓子定規に決め付けるには無理があります。

エミッター電圧＝負荷電圧の微小な変化でコレクター～エミッタ間電圧を制御すべくIbを変化させるわけですから、単純にエミッター接地、コレクター接地と無理に当てはめるところに無理が発生します。定電流素子としてトランジスターを使っているのには違いないです。

Ibが一定ならIcが一定なところの説明はいいとしても、定電流であるはずのIcが変動した場合の説明をすることおよび、Vcc（コレクター電圧）が変動する場合でのエミッターフォロワーのモデルをそのまま当てはめることは無理があります。トランジスターを電流制御型可変抵抗と見た方が良いかもしれません（勿論用途は定電流素子として機能させることですね。）。
A#4の説明は完全な説明ではないかもしれませんがよく読んでいただければ、それなりの説明に工夫しているつもりです。（Ibは一定のときIcは変化しないといいながらIbやIcが変化した場合を説明手法とIcは変化するとしてそれをIbで制御して一定に保つ場合の説明手法の違いですね。）

いずれにしても、#3さんが最後に触れられているトランジスター以外の主役の存在を抜きにしてトランジスタの動作の説明は無意味です。
●出力電圧（負荷電流）を一定に保つべく、微小な出力電圧からIbを作り出す定電圧差分信号回路
と
●出力側に接続する容量の電解コンデンサー
とが定電圧直流電源回路の設計には欠かせませんね。

私も過去に、何十台（おそらく50台はくだらないと思います。）も、独立した直流電源装置や計測器にの組み込み電源装置を設計し、いろいろな種類の「定電圧差分信号回路」を組み込んだ電源回路を作ってきました。

回答No.7

Teleskope

余談100%です。
電源関係の成書の最初の方を見たら、なるほど初歩（シリーズドロッパ）
の説明に「トランジスタは可変抵抗」が登場してました。数人に聞いて
みても「Ibで変わる抵抗というよりも電源システム的には入力電圧によっ
て変わる抵抗と言うべきだろう」と指摘が一致してましたが、年長な人か
ら聞いた昔話を紹介します；
　ずっと昔の実験道具は電流計と可変抵抗だけだった、実験で調整といえ
ば可変抵抗を手で調整する事ぐらいだった。それで育った人に真空管を教
えるのに、使い慣れた可変抵抗に例えるのは、当時は理解しやすかったの
だろう、と言うんです。
　今でも原始的な実験のときに使われる、大きく丈夫な可変抵抗 レオスタット
ですね、あれがモデルの先祖だろうと。
http://www.jemaelec.com/img/p7_antiq_1.jpg

　現代では理解しやすくないのは 質問者さんが実感された通りですね。
今はレオスタットでなく「電源は一定値が出てくるもの。抵抗は部品棚に
各種そろってるもの」です。
　電源の本でも最初に登場したっきりです。詰め草的な孫引きなのでしょう。

　余談の余談ですがレオスタットつながり。
ホイートストンブリッジの発明はホイートストンではなかった。
http://en.wikipedia.org/wiki/Wheatstone_bridge
ホイートストンがレオスタットを発明して実用化できたゆえ名が。
http://www.smeter.net/daily-facts/6/fact25.php

http://museum-eng.eng.niigata-u.ac.jp/b/3/I-3p116.jpg
ギリシア語で（rheos=流れ=電流）＋（stat=静定=一定に保つ）

http://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Electrical_Measurements/Resistance_Boxes_and_Rheostats/Resistance_Boxes_and_Rheostats.html
↑最初の画像はホイートストン自身のものなんでしょうか、
↓この図解を見ると、摺動ではなく円筒に巻き移してるように見えて驚きま
した。一方が絶縁円筒で他方が導体円筒なのでしょうか。
http://vlp.mpiwg-berlin.mpg.de/vlpimages/images/img9459.jpg

回答No.6

Teleskope

No3の余談で 微分抵抗（びぶん ていこう）。　ダイオード、LED、バイポーラトランジスタ、電解効果トランジスタ(FET)、真空管など、だいたい下図のような特性です。Dよりさらに先に行くと電流がドッと流れて焼けてしまう。

　電流
　　|　　　　　　　　　＿＿＿＿
　　|　　　　　　　 ／　　D
　　|　　　　　　／C
　　|　　　　　/　　
　　|　　　　 /　　
　　|　　 　 /B
　　|　　　/
　　|　 ／
　　|／Ａ
　　0￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ 電圧

　で、アナログ用途でのバイポーラトランジスタは D の領域で仕事させますから、前記の 可変な抵抗（動作抵抗）モデルを前面に出すよりも、D は高抵抗＝非常に大きな抵抗なのだ と見なすモデルの方が 深い理解に至りますし、回路設計には不可欠です。

　用語の違いですが、バイポーラでは Vce が非常に小さい A のあたりの動作点を「飽和」と言い、FET では 特性カーブが寝てしまう D の領域を「飽和」と言います。
　動作抵抗と微分抵抗の他にも このように用語は多義的です。現在進行形で進歩つづけてる分野なので仕方ないのかも知れませんが、不特定者への説明を書くときは この辺の配慮が必要です。さりげに定義（説明）しておくとかですね。

　ご質問の電源回路の動作の補足；
理想的な姿は、負荷側（出力電流）の変動は Ib の増減で対応、入力電圧の変動は トランジスタ自身の定電流性（微分抵抗）が一手に背負う、こんな構図です。
　定電流性のないトランジスタ（アーリー効果が激しい昔のトランジスタやFETの不飽和領域）の場合、入力電圧の変動も Ibの変化で相殺されます。その結果を入力電圧側から見ると「高い微分抵抗を持つ理想トランジスタのように見えます。」 どちらにしても、可変な抵抗（動作抵抗）が見えるのではなく 微分抵抗の方が見えます。

　なお、
可変な抵抗（動作抵抗）モデルと 電圧安定の負帰還とは別ですので、誤解のないように。ご質問の回路のトランジスタだけでは負帰還になっていません。そっちの方の主役は「電圧比較箱」の中です。

回答No.5

ekuko_ecch

#4の回答は、エミッタ接地回路の場合です。
安定化回路は、エミッタフォロワ(=コレクタ接地)ですから、考え方が変わります。

回答No.4

oyaoya65

後のURLのVce-Ic特性に負荷直線の図を描いて考えてください。

Icの最大値Ic(max)(縦軸との交点）を
出力電圧/負荷抵抗=Vo/Rとし
Vceの最大値をVinとして
負荷直線を描きます。

動作点は
出力電圧Vo=Vin-Vce=一定として
Vce=Vin-Voで縦に直線を引き負荷直線との交点
として求めます。

この交点におけるVce-Ic特性からIbを読み取ります。
Ibは、特性曲線は、間隔が粗いですから交点を通る特性曲線を補間して、それに相当するIbを求めます。

Vinを増減させた場合、動作点の位置の変化から、Ibが増減することが分かります。

以上の解析の結果から分かることはVinが大きくなればトランジスタのIbが減少しRceが増加しVinの増加分がVceの増加で吸収されます。

またVinが小さくなればトランジスタのIbが増加しRceが減少しVinの減少分がVceの減少で吸収されます。

結果として出力電圧がVo=Vin-Vce=一定に保たれるわけですね。Vinの変化分がVceの変化分になるように調整されてVoが一定に保たれるわけです。

Vce-Ic特性の図上に、負荷直線の図を描いてじっくり考えてみれば理解できるでしょう。

回答No.3

Teleskope

>>　というのも、トランジスタのC-E間の電圧は、Bに流す電流で変えることができますから、等価的に値を変えられる抵抗とみなすことができるわけです。 <<

　transistor と名前（合成語）がつけられた由来を意識して書いた一節のようです。でも前後の文脈としっくり来ませんね。

　このレギュレータの考え方は、

　コレクタ電流
　　Ic
　　│　┌────　
　　｜　├────　↑
　　｜　├────　ベース電流 Ib
　　｜　├────　
　　｜　├────　
　　┼-┴----─── コレクタ電圧 Vce
　　0

　上図の読み方は、Ibが一定なら Vce が変化しても Ic は一定に『保たれる』 です。
もしコレクタ電圧が変動しても 「 Ibを一定に保つ仕掛け 」 があれば、負荷への電流は変動しない、図にすると、

　コレクタ電流
　　Ic
　　│　┌──────　
　　｜　├──────　
　　｜　├─ａ ─ｂ─ ｃ─　ベース電流 Ib
　　｜　├──────　
　　｜　├──────　
　　┼-┴─┬─┬─┬── コレクタ電圧 Vce
　　０　　　　A　　B　　C

コレクタ電圧が A,B,C と変動しても ベース電流が一定なら a,b,c の点（動作点といいます）に居ますから コレクタ電流（＝電源出力への供給電流）は変化しない。

　 参考までに　上図で原点Ｏからa,c,bに直線を引いてみてください、線の傾きは各々違いますね、数学の直線の式の知識‥ 傾きは横軸変化と縦軸変化の割合 ‥から、その線の傾きは
　　電流/電圧
です、これはオームの法則
　　抵抗 = 電圧/電流
と（上下反対だけど）同じです。で、これを 動作抵抗（どうさ ていこう）と言います。　電圧が A,B,C と変化すると 動作抵抗が変化して 負荷側の電圧が一定に保たれる‥‥　説明文は これを言ってるのですが、ちょっと文脈的に飛躍がありますね。

　ちなみに、前記の「 Ibを一定に保つ仕掛け 」 は、出力側の電圧を監視して 予定の値 よりも
　　高くなったら Ib を減らす
　　低くなったら IB を増す
という 反対向き の増減をします。負帰還（ふきかん、ネガティブ フィードバック）と言います。　この機能があるゆえに どんな負荷にも一定の電圧を供給できるのです。　つまり 電源回路には 今話してるトランジスタとは別の主役が居るということです。電源回路の三役？は、
　　予定の値つまり基準電圧
　　ずれたら反対向きに戻す役
　　力仕事を受け持つ役
です。いまのトランジスタは三番目の役。

回答No.2

ekuko_ecch

「ベース電流I_{B}でコレクタ・エミッタ間電圧V_{CE}を買えることができる」と言うのは、質問者さんの疑問の通り、おかしな説明です。
ベース電流I_{B}によって変えられるのは、コレクタ電流I_{C}で、I_{C}=h_{FE}*I_{B}となります。

質問者さんの提示したグラフは、「コレクタ・エミッタ間電圧V_{CE}がある程度以上あれば、ベース電流I_{B}によってコレクタ電流I_{C}が決まる」と読めるグラフです。

トランジスタを用いた安定化回路(多分、定電圧回路のことだと思います)について言えば、負荷はエミッタ・グランド間に存在し、コレクタはV_{CC}に直結しています。
この回路形式はエミッタフォロワと呼ばれています(FETで構成すればソースフォロワと呼ばれます)。
この回路の場合、エミッタ電位V_{E}は、ベース電位V_{B}より約0.7V(=V_{BE})低い電位になります。

また、ベース電位を安定させるのに必要な電力はエミッタ電位を安定させる電力よりも約1/h_{FE}でよくなります。
したがって、小さな電力(安定させやすい)から大きな電力(すなわち負荷に供給する電力)を安定的に得ることができます。

回答No.1

noname#18175

トランジスタは、Bベース－Eエミッタ間に流れるベース電流によって、Cコレクタ－Eエミッタ間に流れるコレクタ電流が決まります。電流が流れれば、電圧も必然的に発生するため、結果として電流の変化によって、電圧も変化する事になります。

失礼ですが、トランジスタの動作原理はご存知ですか？
この回路を見られているという事は、オームの法則はご存知ですよね。

基礎知識として、トランジスタの動作原理とオームの法則をご存じであれば、安定化電源回路は応用という事になりますので、ややこしい計算は抜きにしても、ある程度は求められます。

ちなみに今回のトランジスタは、一般的なバイポーラトランジスタで、電流駆動型トランジスタになります。