トランジスタとライントレースカー 作成 阪府 学太 正哉改変奈良教育 学薮哲郎最終修正 時 206.5.2 的 ライントレースカーを製作することにより 回路図の読み 各種回路素 の理解 電 作の技術を習得します 2 解説 2. トランジスタ トランジスタはさまざまな電気 電 機器の回路に搭載される最も重要な電 部品のひ とつです トランジスタは電流を増幅する機能を持っています 飽和領域で いると 電 流をオン オフするスイッチング素 として利 で きます 本実験ではトランジスタをスイッチング素 として利 します トランジスタは導体と絶縁体の中間の性質を持つ 半導体にリンなどの 5 価元素を不純物として加えた n 型半導体と 3 価元素のホウ素などを加えた p 型半 導体を組み合わせて構成されます バイポーラ型ト ランジスタは npn 型と pnp 型の 2 種類があり それ ぞれコレクタ (), ベース (), エミッタ () の 3 つの 端 を持っています 図 にバイポーラ型トランジ スタの構造と記号を します npn 型トランジスタ の が周波数特性が良いのと 回路の設計がしやす いのでよく使われます 図 2 に npn 型トランジスタ の定番である 2S85 の外観を します ( ただし 200 年頃に廃盤になりました ) n p n (a) npn 型 (b) pnp 型図 バイポーラ型トランジスタの構造と記号 p n p 2.2 トランジスタの基本特性図 3(a) にトランジスタの特性を表すための電圧と電流のとり を します ベースからエミッタに向けて流れる電流 I をベース電流 コレクタからエミッタへ流れる電流 I をコレクタ電流と呼びます キ 図 2 2S85 の外観平らな を 前にして左から,, と並ぶ エクボ と覚える
2.5 2.0 I I I コレクタ電流 [ma].5.0 0.5 V 0.0 I V 0 2 4 6 8 0 ベース電流 [ua] 0.6V ~ 0.8V (a) 電圧電流のとり (b) ベース エミッタ間の特性 (c) ベース電流とコレクタ電流の関係図 3 トランジスタの特性 ルヒホッフの法則により I = I + I が成 します そして以下の関係があります I I LD I = I はトランジスタの増幅率で 00 400 くらいの 2 I 2 V 値をとります トランジスタは電流を増幅する素 です 図 4 LD 点灯回路 npn 型トランジスタはベース端 が p 型半導体 エミッタ端 が n 型半導体であるため ベース エミッタ間の特性はダイオードと同じです ベースからエミッタに向かって電流を流すように電圧をかけると電流が流れます トランジスタをスイッチとして いるとき ベース電流は 沢 流す か 全く流さない の 者択 なので 図 3(b) のように近似することができます ベース電流 I とコレクタ電流 I は図 3(c) のようにほぼ直線になります ここでは 2S85 の特性を例として します 課題 図 4 の回路について次の問いに答えなさい ただし トランジスタの特性は図 3(b) で表され V < 0.7V のとき I = 0 であり V が 0.7V 以上になろうとしたとき I はいくらでも きくなることを仮定します () = 7V 2 = k とします I = 0 となる の範囲はいくらですか 分圧の式を利 して求めなさい (2) = k, 2 = k のとき I を求めなさい 2
黒を感知 L 白を感知 LD ds セル 制御回路 L (a) 構造 (b) 動作原理 (c) 全体写真図 5 ライントレースカーの構造と原理 (3) がk から 50k まで変化すると I の値はどのように変化するか考察しなさい 2.3 ライントレースカー トランジスタの応 としてライントレースカー を製作します ライントレースカーは 地に描か ds セル LD れた 線に沿って進む移動体です 今回製作する 反射型 ライントレースカーは 図 5(a) に すように 2 図 6 ds によるラインセンサ つのモータを持ちます 図 5(b) に すように ラインを感知するセンサが 地を感知したときは 右モータが回転し ラインの 地を感知したとき は左モータが回転するように設計されています この繰り返しにより はラインの境界に沿って蛇 しながら進みます 全体写真を図 5(c) に しま す マーク マーク 2 5 センサには ds セルを います ds セルは 受光素 の 種で 光が当たると抵抗値が下がり 0 9 6 9 0 9 6 ます 図 6 のように LD で地 を照らし その反射光を ds セルで受光します 地であれ リレーコイル 2 0 5,6 図 7 リレーの概観とピン配置 ば反射光が多く受光され 地であれば反射光が少なくなります モータの切替にはリレーを います 図 7 にリレーの構造を します リレーは内部のリレーコ 3
イルに電流を流すことでコイル 内の鉄 を電磁 にしてスイッ LD D ds K チを切り替えます 図 8 がライントレースカーの回 2 路図です ds セルが 地を感知しているときは ds の抵抗値が V くなりトランジスタのベース 図 8 ライントレースカーの回路図 には電流が流れず コレクタ電流が流れません これによりリレーが動作せず左モータが回転します ds セルが 地を感知すると ds の抵抗値が下がりベース電流が流れ コレクタ電流が流れてリレーが動作し スイッチを切り替えて右モータが回転します ベース電流がほとんど流れずコレクタ電流が遮断されている状態をトランジスタが off 状態であると います また逆の場合をトランジスタが on 状態であると います リレーが off になるときにリレー両端に 瞬 電圧が発 します このときの 電圧でトランジスタが破壊されないようにするため 環流ダイオード D を れています 3 実験および製作 3. ds による LD 点灯制御回路 3.. 使 機器および部品等 () 表 に す部品 (2) ブレッドボード (3) テスタ 表 dsによるld 点灯制御回路の部品リスト 記号 品名 値 型名 数量 トランジスタ 2S85 ds dsセル V 可変抵抗 0kΩ 抵抗 200Ω LD 発光ダイオード 電池 006P 9V 電池 スナップ 3..2 実験 法 () ds セルの受光 に 分光をあてたときと 指などで 分閉じたときのセルの両端の 4
ds I LD 抵抗をテスタで測定し 抵抗値の変化の範囲を確認しなさい ds の抵抗値 ( 明 ): k ds の抵抗値 ( 暗 ): k V (2) 図 9 の回路をブレッドボード上に作成しなさ い ds の受光 を指で開閉するのに合わせて 図 9 ds による LD 点灯制御回路 LD が点滅するように可変抵抗を調整します (3) LD 点灯時の電池の電圧をテスタで測定しな さい 次に 調整した可変抵抗を回路から外し その抵抗値を図 0 を参考にして測定しなさい 電池 : V 可変抵抗 V: (4) ()(3) の結果から ds が明るい場合と暗い場 可変抵抗 ドライバで回転させると -2 間 2-3 間の抵抗値が変化する 合の I を計算で求めなさい ただし V は 0.8V としなさい また ベース電流をテスタで測定し 計算値と 較しなさい 表示 03 条件 計算値 [ma] 測定値 [ma] 2 3 0 0 3 =0[kΩ]( 最大値 ) 明るいとき 暗いとき 抵抗値を測定するときは必ず周辺回路 から切り離し 使 した 2 つの端 間 を測定する テスタ 2 3 図 0 可変抵抗の概観と測定 法 5
3.2 ライントレースカーの製作 3.2. 使 機器および部品等 () 表 2 に す部品 LD D ds V K 2 (2) 壁づたいメカ 作セッ ト ( タミヤ ) 図 ライントレースカーの回路図 3.2.2 製作 () 図 がライントレースカーの回路図です ( 図 8 と同 ) この回路を図 2 に すユニバーサル基板上に組みなさい 図 2 上に各部品の配置配線図を作成しなさい (2) 作成した配置配線図通り実際の部品を取り付けます (3) 実際に動作させて半固定抵抗 V を調整します 注意事項 トランジスタはソケットに取り付けます 9V 電池を接続する端 はソケットにします 9V 電池の電源ケーブルはスイッチを途中に取り付け 先端はブレッドボード の堅いケーブルを います 表 2 ライントレースカーの部品リスト 記号 品名 値 型名 数量 トランジスタ 2S85 ds dsセル K リレー G5V- LD 発光ダイオード D ダイオード S588 V 可変抵抗 0kΩ 抵抗 200Ω /4W 電池 006P 9V 2 電池.5V 単 3 スイッチ 2 電池 スナップ ユニバーサル基板 5 0 5 A D F G H I J K L N O + ds LD 20 25 6 図 2 ライントレースカーの実体配線図
参考資料トランジスタ 2S85 の V I 特性の正確なグラフを図 3 に します 3 つのグラフは同じデータに基づいていますが I の最 値の取り によって形がかなり異なって えます このグラフのデータは 回路シミュレータ Tina を いて求めました 000 0 900 9 800 8 700 7 600 6 I b [ma] 500 400 I b [ma] 5 4 300 3 200 2 00 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8.2 V be [V] V be [V] (a) I b の最 値は 000mA (b) I b の最 値は 0mA 00 90 80 70 60 I b [ua] 50 40 30 20 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8.2 V be [V] (c) I b の最 値は 00uA 図 3 2S85 のベース エミッタ間電圧電流特性 おわりに本教材をご利 の際は 阪府 学の太 まで ご連絡 下さい 7