ベーシックエレクトロニクス-材料

物質は、原子で構成される分子で構成されています。ボーアの理論によれば、「原子は、正に帯電した原子核と、さまざまな軌道で原子核の周りを回転する多数の負に帯電した電子で構成されています」。電子がより低い状態からより高い状態に上昇するとき、それは*励起された*と言われます。興奮しながら、電子が核から完全に除去されると、原子はイオン化されたと言われます。そのため、原子を通常の状態からこのイオン化状態に上げるプロセスは*イオン化*と呼ばれます。

次の図は、原子の構造を示しています。

原子構造

ボーアのモデルによると、電子は特定の*軌道*で移動すると言われていますが、量子力学によると、電子は*軌道*と呼ばれる原子の自由空間のどこかにあると言われています。この量子力学の理論は正しいことが証明されました。したがって、電子が見つかる可能性が高い3次元境界は、*原子軌道*と呼ばれます。

量子数

電子が移動する各軌道は、そのエネルギーと形状が異なります。軌道のエネルギーレベルは、量子数として知られる積分と半積分の離散セットを使用して表すことができます。波動関数を定義するために使用される4つの量子数があります。

主量子数

電子を記述する最初の量子数は、主量子数*です。そのシンボルは *n です。数値のサイズまたは順序（エネルギーレベル）を指定します。 nの値が増加すると、電子から核までの平均距離も増加し、同様に電子のエネルギーも増加します。メインエネルギーレベルは、シェルとして理解できます。

角運動量量子数

この量子数には、記号として l があります。このlは、軌道の形状を示します。範囲は0〜n-1です。

l = 0、1、2…n-1

最初のシェルでは、n = 1です。

つまり、n-1の場合、n = 1としてlの唯一の可能な値はl = 0です。

したがって、l = 0の場合、 S 軌道と呼ばれます。 Sの形状は球形です。次の図は、Sの形状を表しています。

球形

n = 2の場合、n = 2の2つの可能な値であるl = 0、1。

l = 0の場合はS軌道ですが、l = 1の場合は P 軌道です。

電子が発見される可能性が高いP軌道は、*ダンベル*形状です。次の図に示します。

ダンベル

磁気量子数

この量子数は、核の周りの軌道の向きを表す* m〜l〜*で表されます。 m〜l〜の値はlに依存します。

m _ \ {l} = \ int（-l \：\：to \：+ l）

l = 0、m〜l〜= 0の場合、これはS軌道を表します。

l = 1、m〜l〜= -1、0、+ 1の場合、これらは3つの可能な値であり、これはP軌道を表します。

したがって、次の図に示すように3つのP軌道があります。

軌道

スピン量子数

これは* m〜s〜*で表され、ここでの電子は軸上で回転します。以下に示すように、電子の回転の動きは時計回りまたは反時計回りのいずれかです。

スピン量子番号

このスピン量子数の可能な値は次のようになります。

m _ \ {s} = + \ frac \ {1} \ {2} \：\：up

スピンアップと呼ばれる動きの場合、結果は正の半分になります。

m _ \ {s} =-\ frac \ {1} \ {2} \：\：down

スピンダウンと呼ばれる動きの場合、結果はマイナスの半分になります。

これらは4つの量子数です。

パウリ除外原則

パウリの排他原理によると、原子内の2つの電子が4つの同じ量子数の同じセットを持つことはできません。つまり、2つの電子のn、s、mlの値が同じ場合（上記で説明したように）、それらのlの値は間違いなく異なります。したがって、2つの電子が同じエネルギーを持つことはありません。

電子シェル

n = 1がシェルの場合、l = 0はサブシェルです。

同様に、n = 2はシェル、l = 0、1はサブシェルです。

n = 1、2、3…に対応する電子の殻 K、L、M、Nでそれぞれ表されます。 l = 0、1、2、3などに対応するサブシェルまたは軌道 s、p、d、fなどで示されます。それぞれ。

電子シェル

炭素、シリコン、ゲルマニウムの電子配置を見てみましょう（グループIV – A）。

グループ

各ケースの最も外側のpサブシェルには2つの電子しか含まれていないことが観察されます。しかし、可能な電子の数は6です。したがって、最も外側の各シェルには4つの*価電子*があります。そのため、原子内の各電子には特定のエネルギーがあります。あらゆる種類の物質の分子内の原子配列は、ほぼこのようなものです。しかし、原子間の間隔は材料ごとに異なります。

ベーシックエレクトロニクス-エネルギーバンド

気体物質では、分子の配列は近くありません。液体では、分子配列は中程度です。しかし、固体では、分子は非常に密に配置されているため、分子の原子内の電子は隣接する原子の軌道に移動する傾向があります。したがって、原子が一緒になると電子軌道が重なります。

固体内の原子の混合により、単一のエネルギーレベルではなく、エネルギーレベルのバンドが形成されます。密集しているこれらのエネルギーレベルのセットは、*エネルギーバンド*と呼ばれます。

バランスバンド

電子は特定のエネルギーレベルで原子内を移動しますが、最も内側のシェルの電子のエネルギーは最も外側のシェルの電子よりも高くなります。最も外側のシェルに存在する電子は、*バランス電子*と呼ばれます。

一連のエネルギーレベルを含むこれらの価電子は、価電子帯と呼ばれるエネルギー帯を形成します。 *価電子帯*は、_最も高い占有エネルギーを有するバンド_です。

伝導帯

原子価電子は核に非常にゆるく結合しているため、室温でさえも、価電子のほとんどはバンドから自由になりません。これらは、隣接する原子に向かって移動する傾向があるため、「自由電子」と呼ばれます。

これらの自由電子は、導体に電流を伝導するため、*伝導電子*と呼ばれます。伝導電子を含むバンドは、*伝導バンド*と呼ばれます。伝導帯は、_最低の占有エネルギーを持つ帯域_です。

禁断のギャップ

価電子帯と伝導帯の間のギャップは、*禁止エネルギーギャップ*と呼ばれます。名前が示すように、このバンドはエネルギーのない禁じられたバンドです。したがって、このバンドには電子が残りません。価電子は、伝導帯に移動しながら、これを通過します。

禁制エネルギーギャップが大きければ、価電子帯の電子が核に強く結合していることを意味します。現在、電子を価電子帯から押し出すために、禁制エネルギーギャップに等しい外部エネルギーが必要です。

次の図は、価電子帯、伝導帯、禁制帯を示しています。

禁止されたギャップ

禁制帯のサイズに応じて、絶縁体、半導体、導体が形成されます。

がいし

絶縁体は、大きな禁止されたギャップのために伝導が行われないような材料です。例：木材、ゴム。絶縁体のエネルギーバンドの構造は、次の図に示すとおりです。

絶縁体

特徴

絶縁体の特徴は次のとおりです。

禁制エネルギーのギャップは非常に大きいです。
価電子帯の電子は原子にしっかりと結合しています。
絶縁体の禁制エネルギーギャップの値は10eVになります。
一部の絶縁体では、温度が上昇すると、ある程度の伝導を示す場合があります。
絶縁体の抵抗率は、107オームメートルのオーダーです。

半導体

半導体は、禁止されたエネルギーギャップが小さく、外部エネルギーが加えられると伝導が起こるような材料です。例：シリコン、ゲルマニウム。次の図は、半導体のエネルギーバンドの構造を示しています。

半導体

特徴

半導体の特徴は次のとおりです。

禁制エネルギーのギャップは非常に小さいです。
Geの禁制帯幅は0.7eVですが、Siの場合は1.1eVです。
半導体は実際には絶縁体でも良い導体でもありません。
温度が上昇すると、半導体の導電率が増加します。
半導体の導電率は、102モーメータ程度です。

指揮者

伝導体は、価電子帯と伝導帯が重なるほど非常に近くなると禁止されたエネルギーギャップがなくなるような材料です。例：銅、アルミニウム。次の図は、導体のエネルギーバンドの構造を示しています。

コンダクター

特徴

以下は導体の特性です。

コンダクターに禁止されたギャップはありません。
価電子帯と伝導帯が重なります。
伝導に利用できる自由電子はたくさんあります。
電圧がわずかに増加すると、伝導が増加します。 *電子の連続した流れが電流に寄与するため、ホール形成の概念はありません。

重要な用語

次の章に進む前に、ここでいくつかの重要な用語について議論する必要があります。

現在

それは単に電子の流れです。電子または荷電粒子の連続的な流れは、電流と呼ばれます。* I または *i で示されます。 *アンペレス*で測定されます。これは、交流ACまたは直流DCです。

電圧

それは電位差です。 2点間で電位差が生じると、それら2点間で測定された電圧差があると言われます。 V で示されます。 *ボルト*で測定されます。

抵抗

それは電子の流れに対抗する性質です。この特性の所有は、抵抗率と呼ぶことができます。これについては、後で詳しく説明します。

オームの法則

上記の用語では、すべての電子部品の動作に非常に重要な標準法則があります。これはオームの法則と呼ばれます。これは、理想的な導体の電流と電圧の関係を示しています。

オームの法則によれば、理想的な導体の電位差は、流れる電流に比例します。

V \：\ alpha \：\：I

理想的な導体には抵抗がありません。しかし、実際には、すべてのコンダクターには抵抗があります。抵抗が増加すると、電位降下も増加するため、電圧が増加します。

したがって、電圧は提供する抵抗に直接比例します。

V \：\ alpha \：\：R

V = IR

ただし、*電流は抵抗*に反比例します。

V \：\ alpha \：\：I \：\ alpha \：\：\ frac \ {1} \ {R}

I = V/R

したがって、実際には、オームの法則は次のように述べることができます-

オームの法則によれば、導体を流れる電流は、導体間の電位差に比例し、導体が提供する抵抗に反比例します。

この法則は、回路の分析に役立つ3つの中の未知のパラメーターの値を決定するのに役立ちます。

ベーシックエレクトロニクス-半導体

半導体*は、抵抗率が導体と絶縁体の間にある物質です。抵抗率の特性は、材料を半導体として決定する唯一のものではありませんが、次のような特性はほとんどありません。

半導体の抵抗率は、絶縁体よりも小さく、導体よりも大きくなっています。
半導体には負の温度係数があります。半導体の抵抗は、温度の低下とともに増加し、逆も同様です。
適切な金属不純物が半導体に追加されると、半導体の導電特性が変化します。これは非常に重要な特性です。

半導体デバイスは、エレクトロニクスの分野で広く使用されています。トランジスタはかさばる真空管に取って代わり、デバイスのサイズとコストが削減され、この革命は集積エレクトロニクスのような新しい発明につながるペースを上げ続けています。次の図は、半導体の分類を示しています。

半導体分類

半導体の伝導

電子についてある程度の知識を得た後、最外殻には原子核にゆるく結合している*価電子*があることがわかりました。このような原子は、他の原子に近づけると価電子を持ち、これら両方の原子の価電子が結合して「電子対」を形成します。この結合はそれほど強くないため、*共有結合*です。

たとえば、ゲルマニウム原子には32個の電子があります。最初の軌道に2個の電子、2番目の軌道に8個、3番目の軌道に18個、最後の軌道に4個。これらの4つの電子は、ゲルマニウム原子の価電子です。これらの電子は、次の図に示すように、隣接する原子の価電子と結合して電子対を形成する傾向があります。

コンダクション

穴の作成

結晶に供給される熱エネルギーにより、一部の電子はその場所から移動して共有結合を破壊する傾向があります。これらの壊れた共有結合は、ランダムにさまよう自由電子をもたらします。しかし、*移動した電子*は、背後に空の空間または原子価を作成し、これは*ホール*と呼ばれます。

失われた電子を表すこのホールは、ユニットの正電荷と見なすことができ、電子はユニットの負電荷と見なします。解放された電子はランダムに移動しますが、外部電界が印加されると、これらの電子は印加電界と反対方向に移動します。しかし、電子が存在しないために作成されたホールは、印加電界の方向に移動します。

ホール電流

共有結合が切断されると、穴が作成されることはすでに理解されています。実際、半導体結晶は共有結合を形成する傾向が強い。そのため、結晶に穴が存在する傾向はありません。これは、半導体結晶格子を示す次の図でよりよく理解できます。

穴電流

電子は、場所Aから移動すると、穴が形成されます。共有結合が形成される傾向があるため、Bからの電子はAにシフトします。ここで、Bの共有結合のバランスをとるために、電子がCからBにシフトします。これはパスを構築し続けます。適用されたフィールドがない場合のこの穴の動きはランダムです。しかし、電界が印加されると、ホールは印加された電界に沿ってドリフトし、*ホール電流*を構成します。これはホール電流と呼ばれますが、電子電流ではなく、ホールの動きが電流の流れに寄与するためです。

電子と正孔はランダムに動いているときに、互いに出会ってペアを形成する場合があります。この再結合により熱が放出され、別の共有結合が破壊されます。温度が上昇すると、電子と正孔の生成速度が増加するため、再結合の速度が増加し、電子と正孔の密度が増加します。その結果、半導体の導電率が増加し、抵抗率が低下します。これは、負の温度係数を意味します。

真性半導体

非常に純粋な形の半導体は、*真性半導体*と言われています。この純粋な半導体の特性は次のとおりです-

電子と正孔は、熱励起によってのみ生成されます。
自由電子の数は正孔の数に等しい。
伝導能力は室温では小さいです。

真性半導体の伝導能力を高めるには、不純物を追加することをお勧めします。不純物を追加するこのプロセスは、「ドーピング」と呼ばれます。現在、このドープされた真性半導体は、外因性半導体と呼ばれています。

ドーピング

半導体材料に不純物を追加するプロセスは、ドーピングと呼ばれます。添加される不純物は、一般に五価および三価の不純物です。

五価不純物

*五価*不純物は、最も外側の軌道に5つの価電子を持つものです。例：ビスマス、アンチモン、ヒ素、リン
5価の原子は、純粋な半導体原子の伝導帯に1つの電子を供与するため、*ドナー原子*と呼ばれます。

三価不純物

*三価*不純物は、最も外側の軌道に3つの価電子を持つものです。例：ガリウム、インジウム、アルミニウム、ホウ素
三価原子は、半導体原子から1つの電子を受け取るため、*アクセプタ原子*と呼ばれます。

外因性半導体

純粋な半導体にドーピングして形成される不純な半導体は、*外因性半導体*と呼ばれます。添加される不純物の種類に応じて、2種類の外因性半導体があります。それらは、N型外因性半導体とP型外因性半導体です。

N型外因性半導体

純粋な半導体に少量の五価不純物を添加して、N型外因性半導体を生成します。追加された不純物は、5つの価電子を持っています。

たとえば、ヒ素原子がゲルマニウム原子に追加されると、4つの価電子がGe原子と結合しますが、1つの電子は自由電子として残ります。これは、次の図に示すとおりです。

Nタイプの外部半導体

これらの自由電子はすべて電子電流を構成します。したがって、不純物は純粋な半導体に添加されると、伝導のための電子を提供します。

N型外因性半導体では、伝導は電子を介して行われるため、電子は多数キャリアであり、正孔は少数キャリアです。
正または負の電荷が追加されていないため、電子は電気的に中性です。
5価の不純物が添加されたN型半導体に電界が印加されると、自由電子は正極に向かって移動します。これは、負またはN型導電率と呼ばれます。

P型外因性半導体

純粋な半導体に少量の三価不純物を添加して、P型の外因性半導体を生成します。添加された不純物は3つの価電子を持っています。たとえば、ホウ素原子がゲルマニウム原子に追加されると、3つの価電子がGe原子と結合して、3つの共有結合を形成します。しかし、ゲルマニウム内のもう1つの電子は、結合を形成せずに残ります。共有結合を形成するためにホウ素に電子が残っていないため、空間は穴として扱われます。これは、次の図に示すとおりです。

Pタイプの外部半導体

少量のホウ素不純物は、伝導に役立つ多くのホールを提供します。これらの穴はすべて穴電流を構成します。

P型の外因性半導体では、伝導はホールを介して行われるため、ホールは多数キャリアであり、電子は少数キャリアです。
ここで追加された不純物は、ゲルマニウム原子から電子を受け取るため、「アクセプター」と呼ばれるホールを提供します。
可動性ホールの数はアクセプターの数に等しいままなので、P型半導体は電気的に中性のままです。
3価の不純物が添加されたP型半導体に電界が印加されると、正孔は負極に向かって移動しますが、電子よりも遅いペースで移動します。これはP型導電率と呼ばれます。
このP型の伝導性では、N型とは異なり、価電子が1つの共有結合から別の共有結合に移動します。

半導体でシリコンが好まれる理由

ゲルマニウムやシリコンなどの半導体材料の中で、さまざまな電子部品の製造に広く使用されている材料は*シリコン（Si）*です。シリコンは、ゲルマニウムよりも多くの理由で好まれます-

エネルギーバンドギャップは0.7evですが、ゲルマニウムでは0.2evです。
熱ペアの生成は小さくなります。
SiO2層の形成はシリコンにとって容易であり、これは統合技術とともに多くのコンポーネントの製造に役立ちます。
SiはGeよりも自然界で簡単に見つかります。
ノイズは、GeよりもSiで構成されたコンポーネントの方が小さくなっています。

したがって、シリコンは多くの電子部品の製造に使用され、さまざまな目的のために異なる回路を作成するために使用されます。これらのコンポーネントには、個別のプロパティと特定の用途があります。

主な電子部品には、抵抗、可変抵抗、コンデンサ、可変コンデンサ、インダクタ、ダイオード、トンネルダイオード、バラクタダイオード、トランジスタ、BJT、UJT、FET、MOSFET、LDR、LED、太陽電池、サーミスタ、バリスタ、変圧器、スイッチが含まれます。、リレーなど

ベーシックエレクトロニクス-ホール効果

ホール効果は、その発見者である Edwin Hall にちなんで命名されました。これは、フレミングの右手の法則にやや似ています。電流が流れる導体 I が横磁場 B に置かれると、導体に I と B の両方に垂直に電界 E が誘導されます。この現象は「ホール効果」と呼ばれます。

説明

電流を運ぶ導体が横方向の磁場に置かれると、この磁場は電子にいくらかの圧力を加え、曲がった経路をたどって電子の旅を続けます。エネルギーが印加された導体を次の図に示します。磁場も表示されます。

磁場

電子が磁場Bにある導体を通過すると、電子は磁力を経験します。この磁力により、電子は一方よりも他方の近くに移動します。これにより、次の図に示すように、一方の側に負の電荷が、他方の側に正の電荷が作成されます。

負の料金

この電荷の分離により、*ホール電圧またはホールEMF *として知られる電圧差が生じます。電場が電荷に等しく、磁力と反対の電気力を生成するまで、電圧が上昇します。この効果は*ホール効果*として知られています。

ホール効果

\ overrightarrow \ {F _ \ {magnetic}} \：\：= \：\：\ overrightarrow \ {F _ \ {Electric}} \：\：= \：\：q \：\：\ overrightarrow \ {V_ \ {D}} \：\：\ overrightarrow \ {B} \：\：= \：\：q \：\：\ overrightarrow \ {E _ \ {H}}

V〜D〜は、すべての電子が経験している速度です

$ \ overrightarrow \ {E _ \ {H}} \：\：= \：\：\ overrightarrow \ {V _ \ {D}} \：\：\ overrightarrow \ {B} \：\：$ V = Ed以来

ここで、q =充電量

$ \ overrightarrow \ {B} $ =磁場

$ \ overrightarrow \ {V _ \ {D}} $ =ドリフト速度

$ \ overrightarrow \ {E _ \ {H}} $ =ホール電気効果

d =導体内のプレーン間の距離（導体の幅）

V _ \ {H} \：\：= \：\：\ varepsilon _ \ {H} \：\：= \：\：\ overrightarrow \ {E _ \ {H}} \：\：d \：\： = \：\：\ overrightarrow \ {V _ \ {D}} \：\：\ overrightarrow \ {B} \：\：d

\ varepsilon _ \ {H} \：\：= \：\：\ overrightarrow \ {V _ \ {D}} \：\：\ overrightarrow \ {B} \：\：d

これがホールEMFです

Uses

ホール効果は、半導体の種類、電荷キャリアの符号に関する情報を取得し、電子または正孔の濃度と移動度を測定するために使用されます。これにより、材料が導体、絶縁体、または半導体であるかどうかを知ることもできます。また、電磁波の磁束密度と電力の測定にも使用されます。

電流の種類

半導体の電流の種類については、2つの用語を検討する必要があります。それらは*拡散電流*および*ドリフト電流*です。

拡散電流

ドーピングが行われると、電子と正孔の濃度に差が生じます。これらの電子と正孔は、電荷密度の高い濃度から低い濃度レベルに拡散する傾向があります。これらは電荷キャリアなので、*拡散電流*と呼ばれる電流を構成します。

これについて詳しく知るために、N型材料とP型材料を考えてみましょう。

N型材料は、多数キャリアとして電子を持ち、少数キャリアとして少数のホールを持ちます。
P型材料には、多数キャリアとして正孔があり、少数キャリアとして電子がほとんどありません。

これら2つの材料が互いに近すぎて結合できない場合、N型材料の価電子帯からの電子はほとんどなく、P型材料の方へ移動する傾向があり、P型材料の価電子帯からの正孔はほとんどありません。 N型材料。この拡散が起こる2つの材料の間の領域は、*空乏領域*と呼ばれます。

現在のタイプ

したがって、これらの電子と正孔の拡散によって形成された電流は、外部エネルギーを一切加えずに、*拡散電流*と呼ぶことができます。

ドリフト電流

電界の印加による荷電粒子（電子または正孔）のドリフト（運動）により形成される電流は、*ドリフト電流*と呼ばれます。次の図は、印加された電界がどのように違いを生むかにかかわらず、ドリフト電流を説明しています。

ドリフト電流

電流の量は、適用される電荷に依存します。このドリフト電流により、空乏領域の幅も影響を受けます。アクティブ回路でコンポーネントを機能させるには、このドリフト電流が重要な役割を果たします。

ベーシックエレクトロニクス-抵抗器

レジストは「反対する」という意味の言葉です。 *抵抗*は、導体または半導体内の電子の流れに対抗する特性です。抵抗器は、抵抗の特性を持つ電子部品です。

記号と単位

抵抗の記号は次のとおりです。

抵抗記号

抵抗の単位は*オーム*で、これはΩ（オメガ）で示されます。

抵抗の式は

*_R = V/I_*

ここで、 V は電圧で、 I は電流です。すべての値を持つ抵抗器を製造することは本当に難しいでしょう。したがって、選択される値はほとんどなく、そのような値の抵抗器のみが製造されます。これらは「推奨値」と呼ばれます。実際には、必要なアプリケーションに合わせて、値が近い抵抗が選択されます。これは実用的な抵抗器がどのように見えるかです-

抵抗器

カラーコーディング

上の図に示すように、*色コーディング*と呼ばれるプロセスを使用して、抵抗器の抵抗値を決定します。抵抗器は、各色が特定の値を決定する4つのカラーバンドでコーティングされています。次の表は、各色が示す値のリストを示しています。

COLOUR	DIGIT	MULTIPLIER	TOLERANCE
Black	0	10⁰ = 1
Brown	1	10¹ = 10	1
Red	2	10² = 100	2
Orange	3	10³ = 1000
Yellow	4	10⁴ = 10000
Green	5	10⁵ = 100000	0.5
Blue	6	10⁶ = 1000000	0.25
Violet	7	10⁷ = 10000000	0.1
Gray	8	10⁸ = 100000000
White	9	10⁹ = 1000000000
Gold		10^-1 = 0.1	5
Silver		10^-2 = 0.01	10
(none)			20

最初の2つの色の帯は値の最初と2番目の数字を示し、3番目の色の帯は乗数（追加されるゼロの数）を表します。 4番目のカラーバンドは、許容値を示します。

許容値*は、抵抗器が破壊されることなく耐えることができる値の範囲です。これは重要な要素です。次の図は、色コードによって抵抗器の値がどのように決定されるかを示しています。

公差

5つのカラーバンド抵抗は、2％と1％の公差で製造されており、他の高精度抵抗用にも製造されています。これらの5つのバンド抵抗では、最初の3つのバンドは数字を表し、4番目のバンドは乗数を、5番目のバンドは許容誤差を表します。

カラーコーディングプロセスを理解するための例を見てみましょう。

例1 *-黄色、青、オレンジ、銀の色コードで抵抗器の値を決定します。

解決策-黄色の値は4、青は6、オレンジは3で乗数を表します。銀は許容値である±10です。

したがって、抵抗の値は46×10 ^ 3 ^ =46kΩです

この抵抗の最大抵抗値は

46kΩまたは46000Ω+ 10％= 46000 + 4600 =50600Ω=50.6kΩ

この抵抗の最小抵抗値は

46kΩまたは46000Ω-10％= 46000-4600 =41400Ω=41.4kΩ

抵抗器に関するさまざまな詳細を検討した後、学習すべき用語がいくつかあります。また、いくつかのタイプの接続では、抵抗器のさまざまな動作に対処する必要があります。

重要な用語

私たちが持っている抵抗器の種類に入る前に、議論する必要があるいくつかの用語があります。この段階でこれらの用語を紹介する必要があり、さらに進むにつれてそれらを理解することができます。

抵抗

抵抗は、電流の流れに対抗する抵抗器の特性です。交流電流が抵抗を通過すると、電流と同相の電圧降下が発生します。

表示- R
単位-オーム
記号-Ω

抵抗とともに、リアクタンスとインピーダンスと呼ばれる他の重要な用語があります。

リアクタンス

回路に存在する静電容量とインダクタンスのために交流に提供される抵抗は、リアクタンスとして理解できます。交流電流が純粋なリアクタンスを通過すると、電流と位相が90°ずれた電圧降下が発生します。

位相、つまり+ 90°または-90°に応じて、リアクタンスを誘導性リアクタンスまたは容量性リアクタンスと呼ぶことができます。

表示- X
単位-オーム
記号-Ω

インピーダンス

インピーダンスは、オーム抵抗とリアクタンスの複合効果から生じる交流電流に対する実効抵抗です。交流電流がインピーダンスを通過すると、電流と位相が0°〜90°ずれた電圧降下が生じます。

表示- I
単位-オーム
記号-Ω

コンダクタンス

これは、材料が電気を伝導する能力です。それは抵抗の逆数です。

表示- G
単位-モース
記号-*＆mho; *

抵抗器の回路接続

回路に接続されている場合、抵抗は直列または並列のいずれかです。並列に接続されている場合、それらが直列に接続されている場合、合計電流、電圧、および抵抗値がどうなるかを今すぐお知らせします。

直列抵抗

直列に接続された抵抗がほとんどない場合に何が起こるかを観察しましょう。次の図に示すように、値が異なる3つの抵抗器を考えてみましょう。

シリーズの抵抗器

抵抗

直列抵抗を持つ回路の合計抵抗は、個々の抵抗の合計に等しくなります。つまり、上の図には、それぞれ1KΩ、5KΩ、9KΩの値を持つ3つの抵抗があります。

抵抗ネットワークの合計抵抗値は-

R \：\：= \：\：R _ \ {1} \：+ \：R _ \ {2} \：+ \：R _ \ {3}

つまり、1 + 5 + 9 =15KΩが総抵抗です。

ここで、R〜1〜は1 ^ st ^抵抗の抵抗、R〜2〜は2 ^ nd ^抵抗の抵抗、R〜3〜は上記の抵抗ネットワークの3 ^ rd ^抵抗の抵抗です。

電圧

直列抵抗ネットワークに現れる合計電圧は、個々の抵抗での電圧降下の加算です。上の図では、各ステージで3つの異なる電圧降下値を持つ3つの異なる抵抗があります。

回路全体に現れる合計電圧-

V \：\：= \：\：V _ \ {1} \：+ \：V _ \ {2} \：+ \：V _ \ {3}

つまり、1v + 5v + 9v = 15vが合計電圧です。

ここで、V〜1〜は1 ^ st ^抵抗の電圧降下、V〜2〜は2 ^ nd ^抵抗の電圧降下、V〜3〜は上記の抵抗ネットワークの3 ^ rd ^抵抗の電圧降下です。。

現在

直列に接続された一連の抵抗に流れる電流の合計は、抵抗ネットワーク全体のすべてのポイントで同じです。したがって、入力または抵抗間の任意のポイント、さらには出力で測定した場合、電流は同じ5Aです。

ネットワークを流れる電流-

I \：\：= \：\：I _ \ {1} \：= \：I _ \ {2} \：= \：I _ \ {3}

つまり、すべてのポイントでの電流は5Aです。

I〜1〜は1 ^ st ^抵抗を流れる電流、I〜2〜は2 ^ nd ^抵抗を流れる電流、I〜3〜は上記の抵抗ネットワークの3 ^ rd ^抵抗を流れる電流。

並列の抵抗器

並列に接続されている抵抗が少ない場合に何が起こるかを観察しましょう。次の図に示すように、値が異なる3つの抵抗器を考えてみましょう。

並列抵抗器

抵抗

並列抵抗を持つ回路の合計抵抗は、直列抵抗ネットワーク法とは異なる方法で計算されます。ここでは、個々の抵抗の逆数（1/R）値に代数和の逆数を加算して、合計抵抗値を取得します。

抵抗ネットワークの合計抵抗値は-

\ frac \ {1} \ {R} \：\：= \：\：\ frac \ {1} \ {R _ \ {1}} \：\：+ \：\：\ frac \ {1} \ {R _ \ {2}} \：\：+ \ frac \ {1} \ {R _ \ {3}}

ここで、R〜1〜は1 ^ st ^抵抗の抵抗、R〜2〜は2 ^ nd ^抵抗の抵抗、R〜3〜は上記の抵抗ネットワークの3 ^ rd ^抵抗の抵抗です。

たとえば、前の例の抵抗値を考慮すると、R〜1〜=1KΩ、R〜2〜=5KΩ、R〜3〜=9KΩを意味します。並列抵抗ネットワークの合計抵抗は-

\ frac \ {1} \ {R} \：\：= \：\：\ frac \ {1} \ {1} \：\：+ \：\：\ frac \ {1} \ {5} \：\：+ \ frac \ {1} \ {9}

= \：\：\ frac \ {45 \：\：+ \：\：9 \：\：+ \：\：5} \ {45} \：\：= \：\：\ frac \ { 59} \ {45}

R \：\：= \：\：\ frac \ {45} \ {59} \：\：= \：\：0.762K \ Omega \：\：= \：\：76.2 \ Omega

並列抵抗を計算する方法から、2抵抗並列ネットワークの簡単な方程式を導き出すことができます。それは-

R \：\：= \：\：\ frac \ {R _ \ {1} \：\：\ times \：\：R _ \ {2}} \ {R _ \ {1} \：\：+ \ ：\：R _ \ {2}} \：

電圧

並列抵抗ネットワークに現れる合計電圧は、個々の抵抗での電圧降下と同じです。

回路全体に表示される電圧-

V \：\：= \：\：V _ \ {1} \：= \：V _ \ {2} \：= \：V _ \ {3}

ここで、V〜1〜は1 ^ st ^抵抗の電圧降下、V〜2〜は2 ^ nd ^抵抗の電圧降下、V〜3〜は上記の抵抗ネットワークの3 ^ rd ^抵抗の電圧降下です。。したがって、電圧は、並列抵抗ネットワークのすべてのポイントで同じです。

現在

並列抵抗回路網に入る電流の総量は、すべての並列分岐に流れる個々の電流の合計です。各ブランチの抵抗値は、ブランチを流れる電流の値を決定します。ネットワークを流れる合計電流は

I \：\：= \：\：I _ \ {1} \：+ \：I _ \ {2} \：+ \：I _ \ {3}

I〜1〜は1 ^ st ^抵抗を流れる電流、I〜2〜は2 ^ nd ^抵抗を流れる電流、I〜3〜は上記の抵抗ネットワークの3 ^ rd ^抵抗を流れる電流。したがって、異なるブランチの個々の電流の合計は、並列抵抗ネットワークの合計電流を取得します。

抵抗は、特に多くの回路の出力の負荷として使用されます。抵抗性負荷をまったく使用しない場合、負荷の前に抵抗が配置されます。抵抗器は通常、どの回路でも基本的なコンポーネントです。

ベーシックエレクトロニクス-非線形抵抗器

使用する材料の種類、製造手順、およびそれらの用途に応じて、多くの種類の抵抗器があります。分類は次のとおりです。

抵抗器の種類

線形抵抗には線形VI特性があり、非線形抵抗には非線形VI特性があります。非線形抵抗器は、電圧と電流の特性が非線形に変化する抵抗器です。電圧と電流の値は、温度や光などの他の要因によって異なりますが、線形ではない場合があります。

サーミスタ

熱は温度を意味します。この抵抗器では、温度によって抵抗が変化します。熱が増加すると、抵抗は減少し、逆も同様です。これは、測定および制御の目的で使用されます。

サーミスタの主なタイプは NTC および PTC です。

NTCは*負の温度係数*であり、このようなデバイスでは、温度が上昇すると抵抗が減少します。これらは、デバイスを過電圧状態から保護するために使用されます。
PTCは*正の温度係数*であり、このようなデバイスでは、温度が上昇すると抵抗が増加します。これらは、過電流状態からデバイスを保護するために使用されます。

次の図は、NTCサーミスタとその記号を示しています。

サーミスタ

フォトレジスタ

写真は光を意味します。この抵抗器では、光によって抵抗が変化します。光が増加すると抵抗が減少し、逆も同様です。これは、測定および制御の目的にも使用されます。 LDR （Light Dependent Resistor）とも呼ばれます

フォトレジスタ

バリスタ

バリスタの抵抗は、印加電圧によって異なります。電圧が増加すると抵抗が減少し、電圧が減少すると抵抗が増加します。 VDR （Voltage Dependent Resistor）とも呼ばれます。

バリスタ

表面実装

これらは、表面実装技術の導入以来、非常に使用されています。これらは「チップ抵抗器」と呼ばれることがあります。これは、セラミックチップ上に統合された抵抗層を意味します。

これらの表面実装抵抗器は、通常の抵抗器と比較すると非常に小さいため、占有するスペースが少なくなります。彼らは効果的であり、より少ない熱を放散します。これらの抵抗器の発明により、PCB（プリント回路基板）の外観が変わり、サイズが大幅に縮小されました。

表面実装抵抗の利点は次のとおりです-

これらはサイズがコンパクトです。
これらは非常に安定しています。
彼らは良好な耐性を持っています。
彼らは熱放散を減らすのに効果的です。

次の図は、表面実装抵抗器の画像を示しています。

表面実装

ベーシックエレクトロニクス-線形抵抗器

線形抵抗器とは、抵抗器を流れる電流によって抵抗値が変化しない抵抗器です。それを流れる電流は、常にその両端に印加される電圧に比例します。線形抵抗はさらに*固定抵抗と可変抵抗*に分類されます。

可変抵抗器

可変抵抗器は、要件に応じて値を手動で変更できる抵抗器です。抵抗の特定の値は、接続されたシャフトの助けを借りて、抵抗値の範囲から選択されます。可変抵抗器の記号は次のとおりです。

可変抵抗器

これらの抵抗は、分類の助けを借りてよりよく理解されます。可変抵抗器は、さらにポテンショメータ、レオスタット、およびトリマーに分けられます。

可変抵抗器タイプ

ポテンショメータ

ポテンショメーターは、単に Pot と呼ばれます。これは、スライドまたは回転するシャフトを備えた3端子抵抗器です。このシャフトを操作すると、調整可能な分圧器が形成されます。次の図は、ポテンショメーターの画像を示しています。

ポテンショメーター

ポテンショメータは、回路内の*電位差*（電圧）も測定します。抵抗値が低い値から高い値の抵抗材料の経路が内部に配置され、抵抗材料を回路に接続するようにワイパーが配置されます。これは、主にテレビや音楽システムのボリュームコントローラーとして使用されます。

レオスタット

レオスタットは、単に巻線抵抗器と呼ぶことができます。 *抵抗線*は、絶縁セラミックコアにしっかりと巻き付けられています。 *ワイパー*がこれらの巻線上をスライドします。抵抗線の一方の端に1つの接続を行い、ワイパーまたは摺動接点に2番目の接続を行って、所望の抵抗を得ます。

レオスタットは、*電流の制御*に使用されます。これらは主に重いモーターの速度制御に使用されます。これらによって得られる抵抗は、*キロオーム*のオーダーです。次の図に示すように、レオスタットは主にシングルチューブおよびダブルチューブのレオスタットとして使用できます。

レオスタット

可変抵抗として、回路のチューニングとキャリブレーションによく使用されます。レオスタットの効率は低いため、レオスタットの使用は電子機器の切り替えに置き換えられました。

トリマー

トリマーは、可変抵抗器とポテンショメーターの両方です（電位差を測定します）。このトリマーポテンショメーターは、要するに Trim Pot と呼ばれます。これらが可変抵抗器として使用される場合、それらはプリセット抵抗器と呼ばれます。

トリマー

これらのトリムポットは、シングルターンまたはマルチターンなどのさまざまなタイプです。これらは、チューニングとキャリブレーションに使用される小さな可変抵抗器です。それらの寿命は他の可変抵抗器よりも短くなっています。

ベーシックエレクトロニクス-固定抵抗器

固定抵抗器は線形抵抗器の一種です。抵抗器は、その値が固定されている場合、固定抵抗器と呼ばれます。固定抵抗器の値は、製造時に決定されるため、可変抵抗器のように変えることはできません。次の図は、固定抵抗の記号を表しています。

固定抵抗記号

固定抵抗器は、製造プロセスと製造に使用される材料に応じて、さまざまなタイプに分類されます。分類は次のとおりです。

固定抵抗タイプ

炭素組成

カーボン組成抵抗器は、カーボン粒子、グラファイト、および粘土のようなバインダー物質と混合されたセラミックダストのブレンドです。この混合物は、高圧および高温で処理されます。ケース全体を成形した後、リードを固定します。

炭素組成抵抗器の熱質量は、高エネルギーパルスに耐えるために高くなります。
これらの抵抗器は、安定性が低く、ノイズが高いという欠点があります。

次の図は、炭素組成抵抗の画像を示しています。

炭素組成

炭素組成抵抗器は、サージ保護、電流制限、および高電圧電源で使用されます。

ワイヤー傷

巻線抵抗器は、抵抗材料で構成されたワイヤをコアに巻き付けることで形成されます。金属製のコアは、抵抗線が伝導する間、非導電性材料として機能しますが、ある程度の抵抗はあります。巻線抵抗器の画像は次のとおりです。

巻線

通常、ニクロム線またはマンガニン線は、高い抵抗を提供するため、コアの巻き付けに使用されます。一方、コアにはプラスチック、セラミック、またはガラスが使用されます。

巻線抵抗器は非常に正確です。
これらは、低抵抗値と高電力定格で優れた働きをします。

これらは最も古いタイプの固定抵抗器ですが、現在でも使用されています。

厚膜

フィルム抵抗器は、セラミックベース上に抵抗層を備えており、その厚さによって、属するタイプが決まります。厚膜抵抗の抵抗層の厚さは、薄膜抵抗よりもはるかに厚くなります。厚膜抵抗器は、ガラスと金属酸化物の混合物である特別なペーストを基板上に焼き付けることにより製造されます。

厚膜抵抗器には、ヒュージブル抵抗器、サーメット膜抵抗器、金属酸化膜抵抗器の3つの主なタイプがあります。

可溶抵抗器

ヒューズ抵抗器は、巻線抵抗器に似ています。しかし、これらの抵抗器は抵抗を提供するとともに、ヒューズとして機能します。可溶抵抗器のイメージは以下のとおりです。

ヒューズ抵抗器

この抵抗器では、電流は抵抗器の本体の近くに配置されたバネ荷重接続部を流れます。抵抗器のスプリングワイヤに取り付けられたブロブは、電流の流れによって抵抗器で生成された熱を受け取ります。この熱が増加すると、ブロブへのアタッチメントが溶けて接続が開きます。

Fusible

したがって、これらの抵抗は電流を制限しますが、回路の定格電力が指定値を超えると、これらの抵抗はヒューズとして機能して回路を開閉します。これらの抵抗の値は通常10オーム未満です。これらの抵抗は、一般的にテレビ、アンプ、その他の高価な電子回路で使用されます。

サーメット膜抵抗器

サーメットのフィルム抵抗器は、*サーメット*と呼ばれる特別な材料で構成されたフィルム抵抗器です。サーメットは、セラミックとメットアルを組み合わせた複合合金です。この組み合わせは、金属の柔軟性と導電性に加えて、セラミックの高温耐性と耐摩耗性のようなこれらの材料の両方の利点を提供します。

サーメット

金属フィルム層は抵抗材料の周りに巻き付けられ、セラミック金属またはサーメット基板に固定されます。リード線は、PCBに固定しながら接続を容易にするために使用されます。温度が性能に影響を与えないため、高い安定性を提供します。

金属酸化物皮膜抵抗器

金属酸化膜抵抗は、基板である加熱されたガラス棒上で塩化スズの厚膜を酸化することにより形成されます。高温安定性があり、高電圧で使用できます。これらの抵抗の動作ノイズは低いです。

金属酸化物皮膜抵抗器

金属酸化物皮膜抵抗器は、コーティングされた皮膜の種類のみが金属皮膜抵抗器と異なります。 *金属酸化物*は、スズと酸素との金属化合物であり、酸化スズを形成します。これは、抵抗器のフィルムとしてコーティングされます。この抵抗の抵抗率は、酸化スズに追加される酸化アンチモンの量に依存します。

薄膜

薄膜抵抗器は、セラミックベース上に幅0.1マイクロメートル以下の抵抗層があります。薄膜抵抗器には、絶縁基板上に真空蒸着された金属膜があります。

薄膜抵抗器はより正確で、温度係数が高く、安定しています。薄膜抵抗器は、さらに次の2つのタイプに分けられます-

炭素皮膜抵抗器
金属皮膜抵抗器

炭素皮膜抵抗器

炭素皮膜抵抗器は、セラミック基板上に炭素皮膜層を堆積させることで作られています。炭素膜は電流に対する抵抗材料として機能し、セラミック物質は絶縁物質として機能します。金属キャップが両端で固定され、銅のリードが引き出されています。

次の図は、炭素皮膜抵抗器の構造を示しています。

薄膜

これらの抵抗の主な利点は、高い安定性、広い動作範囲、低ノイズ、低コストです。炭素皮膜抵抗器は、低ノイズのため、炭素組成抵抗器よりも最も好ましいものです。

金属皮膜抵抗器

皮膜コーティングは、金属酸化物皮膜抵抗器と金属皮膜抵抗器の違いを生みます。ニッケルクロムなどの金属物質の薄膜は、金属膜抵抗器の抵抗器をコーティングするために使用され、酸化スズのような金属酸化物の膜は、金属酸化物抵抗器の抵抗器をコーティングするために使用されます。

金属皮膜抵抗器

金属皮膜抵抗器の抵抗温度係数は低いため、温度による抵抗の影響は小さくなります。

ワット数

抵抗器の使用中に電流の流れが増加すると、抵抗器はいくらかの熱を放散します。この値が特定の臨界値を超えると、抵抗器が損傷する可能性があります。抵抗器のワット数定格は、このような状況を避けるために、いくつかのより高い値の抵抗器に印刷されています。

ワット数は、ワットで表される電力量です。電力は、電気エネルギーの伝達率です。

パワー P = VI = I ^ 2 ^ R

ベーシックエレクトロニクス-コンデンサ

コンデンサは、プレート間の電位差の形でエネルギーを保存する機能を備えた受動部品です。電圧の突然の変化に耐えます。電荷は2つのプレート間の電位差の形で蓄積され、電荷蓄積の方向に応じて正と負になります。

これらの2つのプレートの間には、*誘電体*と呼ばれる非導電領域が存在します。この誘電体は、真空、空気、雲母、紙、セラミック、アルミニウムなどです。コンデンサの名前は、使用される誘電体によって決まります。

記号と単位

静電容量の標準単位はファラッドです。一般的に、利用可能なコンデンサの値は、マイクロファラッド、ピコファラッド、ナノファラドの順です。コンデンサの記号は次のとおりです。

コンデンサ記号

コンデンサの静電容量は、プレート間の距離に比例し、プレートの面積に反比例します。また、材料の誘電率が高いほど、静電容量は高くなります。媒体の*誘電率*は、その媒体の単位電荷あたりに生成される電束の量を示します。次の図は、いくつかの実用的なコンデンサを示しています。

コンデンサ

面積Aが同じで幅が等しい2つのプレートが距離dの間隔を空けて互いに平行に配置され、プレートにエネルギーが加えられると、その平行プレートコンデンサの静電容量は-

C \：\：= \：\：\ frac \ {\ varepsilon _ \ {0} \：\：\ varepsilon _ \ {r} \：\：d} \ {A}

どこで

*C* =コンデンサの静電容量

$ \ varepsilon _ \ {0} $ =空き領域の誘電率

$ \ varepsilon _ \ {r} $ =誘電体媒質の誘電率

*d* =プレート間の距離

*A* = 2つの導体板の面積

平行平板コンデンサ

いくつかの電圧が印加されると、コンデンサの2つの平行プレートに電荷が堆積します。この電荷の堆積はゆっくりと発生し、コンデンサの両端の電圧が印加された電圧と等しくなると、入力電圧と出力電圧が等しくなるため、充電が停止します。

充電速度は静電容量の値に依存します。静電容量の値が大きいほど、プレート内の電圧の変化率は遅くなります。

コンデンサーの働き

コンデンサは、電気エネルギーを保存する2端子受動部品として理解できます。この電気エネルギーは静電場に保存されます。

最初は、コンデンサの2つのプレートの負電荷と正電荷は平衡状態にあります。コンデンサが充電または放電される傾向はありません。負の電荷は電子の蓄積によって形成され、正の電荷は電子の枯渇によって形成されます。これは外部電荷が与えられずに発生するため、この状態は「静電気」状態です。下の図は、静電気を帯びたコンデンサを示しています。

コンデンサー機能

AC電源の変動する正および負のサイクルに応じた電子の蓄積と枯渇は、「電流の流れ」として理解できます。これは Displacement Current と呼ばれます。これはACなので、この電流の方向は変化し続けます。

コンデンサの充電

外部電圧が与えられると、電荷は静電荷に変換されます。これは、コンデンサの充電中に発生します。電源の正の電位は、コンデンサの正のプレートから電子を引き付け、それをより正にします。電源の負の電位は、コンデンサの負のプレートに電子を強制し、それをより負にします。以下の図はこれを説明しています。

コンデンサの充電

この充電プロセス中、電子はDC供給を通過しますが、*絶縁体*である*誘電体*を通過しません。コンデンサが充電を開始すると、この変位は大きくなりますが、充電すると減少します。コンデンサの電圧が電源電圧と等しくなると、コンデンサの充電が停止します。

VI

コンデンサが充電し始めたときに誘電体に何が起こるか見てみましょう。

誘電挙動

電荷がコンデンサのプレートに堆積すると、静電界が形成されます。この静電界の強さは、プレート上の電荷の大きさと誘電体の誘電率に依存します。 *誘電率*は、静電ラインがどれだけ通過できるかを示す誘電体の尺度です。

誘電体は実際には絶縁体です。それは原子の最も外側の軌道に電子を持っています。それらがどのように影響を受けるかを観察しましょう。プレートに電荷がない場合、誘電体内の電子は円軌道を描きます。これは、次の図に示すとおりです。

誘電体

電荷の堆積が起こると、電子は正に帯電したプレートに向かって移動する傾向がありますが、図に示すように回転し続けます。

誘電体挙動

電荷がさらに増加すると、軌道はさらに拡大します。しかし、それでも増加する場合は、誘電体が*故障*し、コンデンサが短絡しています。これで、コンデンサは完全に充電され、放電する準備が整いました。ネガティブからポジティブプレートに移動するためのパスを提供すれば十分です。一方の側には非常に多くの電子があり、もう一方の側にはほとんど電子がないため、電子は外部供給なしで流れます。この不均衡は、コンデンサの「放電」によって調整されます。

また、放電経路が見つかると、誘電体材料内の原子は通常の*円軌道*に到達する傾向があるため、電子を強制的に放電させます。この種の放電により、カメラのフラッシュのように、コンデンサは短時間で高電流を供給できます。

カラーコーディング

コンデンサの値を知るために、通常以下のようにラベルが付けられています-

n35 = 0.35nFまたは3n5 = 3.5nFまたは35n = 35nFなど。

時々、マーキングは100Kのようになります。つまり、k = 1000pFです。その場合、値は100×1000pF = 100nFになります。

これらの番号マーキングは現在使用されていますが、コンデンサの値を理解するために国際色分け方式がかなり前に開発されました。色分けの表示は、以下のとおりです。

Band colour	Digit A and B	Multiplier	Tolerance (t) > 10pf	Tolerance (t) < 10pf	Temperature coefficient
Black	0	× 1	±20%	±2.0pF
Brown	1	× 10	±1%	±0.1pF	-33 × 10^-6
Red	2	× 100	±2%	±0.25pF	-75 × 10^-6
Orange	3	× 1,000	±3%		-150 × 10^-6
Yellow	4	× 10,000	±4%		-220 × 10^-6
Green	5	× 100,000	±5%	±0.5pF	-330 × 10^-6
Blue	6	× 1,000000			-470 × 10^-6
Violet	7				-750 × 10^-6
Gray	8	× 0.01	+80%, -20%
White	9	× 0.1	±10%	±1.0pF
Gold		× 0.1	±5%
Silver		× 0.01	±10%

これらの表示は、コンデンサの値を識別するために使用されました。

コンデンサ値

これらの5つのバンドコンデンサでは、最初の2つのバンドは数字を表し、3番目のバンドは乗数を、4番目は許容誤差を、5番目は電圧を表します。カラーコーディングプロセスを理解するための例を見てみましょう。

例1 *-黄色、紫、オレンジ、白、赤の色コードでコンデンサの値を決定します。

解決策-黄色の値は4、紫は7、オレンジは3で乗数を表します。白は許容値である±10です。赤は電圧を表します。しかし、電圧定格を知るために、このコンデンサが属する特定の帯域を知る必要がある別のテーブルがあります。

したがって、コンデンサの値は47nF、10％250v（Vバンドの電圧）です。

次の表は、コンデンサが属する帯域に応じて電圧がどのように決定されるかを示しています。

バンドの色

定格電圧（V）

タイプJ *

タイプK *

タイプL *

タイプM *

タイプN *

ブラック

4

100

10

褐色

6

200

100

1.6

Red

10

300

250

4

35

オレンジ

15

400

40

黄

20

500

400

6.3

6

緑

25

600

16

15

Blue

35

700

630

20

バイオレット

50

800

Gray

900

25

白

3

1000

2.5

3

Gold

2000

銀

この表を使用すると、コンデンサの各バンドの電圧定格が、指定された色に従ってわかります。電圧定格のタイプは、コンデンサのタイプも示します。たとえば、タイプJのコンデンサは浸漬型タンタルコンデンサ、タイプKのコンデンサはマイカコンデンサ、タイプLのコンデンサはポリスチレンコンデンサ、タイプMのコンデンサは電解バンド4コンデンサ、タイプNのコンデンサは電解バンド3コンデンサです。最近では、前述のように、色分けはコンデンサの値の単純な印刷に置き換えられています。

容量性リアクタンス

これは重要な用語です。容量性リアクタンスは、交流電流、または単にAC電流に対してコンデンサが提供する抵抗です。コンデンサは電流の流れの変化に抵抗するため、入力電流の周波数も抵抗と一緒に考慮する必要があるため、*リアクタンス*と呼ばれる反対を示します。

記号：X〜C〜

純粋な容量性回路では、電流* I〜C〜は印加電圧を90°リードします*

コンデンサの温度係数

指定された温度範囲でのコンデンサの*キャパシタンス*の最大変化は、コンデンサの温度係数によって知ることができます。温度が特定のポイントを超えると、発生する可能性のあるコンデンサの静電容量の変化は、*コンデンサの温度係数*として理解されると述べています。

通常、すべてのコンデンサは25°Cの基準温度を考慮して製造されます。したがって、コンデンサの温度係数は、この値を上回るおよび下回る温度の値に対して考慮されます。

コンデンサの回路接続

回路では、コンデンサを直列または並列に接続できます。コンデンサのセットが回路に接続されている場合、コンデンサ接続のタイプはそのネットワークの電圧値と電流値を処理します。

直列コンデンサ

直列に接続されたコンデンサがほとんどない場合に何が起こるかを観察しましょう。下図に示すように、値が異なる3つのコンデンサを考えてみましょう。

シリーズコンデンサ

キャパシタンス

コンデンサが直列に接続されているネットワークの静電容量を考慮すると、全静電容量の逆数を得るために、すべてのコンデンサの静電容量の逆数が加算されます。これをより明確にするには、

\ frac \ {1} \ {C _ \ {T}} \：\：= \：\：\ frac \ {1} \ {C _ \ {1}} \：\：+ \：\：\ frac \ {1} \ {C _ \ {2}} \：\：+ \：\：\ frac \ {1} \ {C _ \ {3}}

同じ式に従って、単純に2つのコンデンサを直列に接続すると、

C _ \ {T} \：\：= \：\：\ frac \ {C _ \ {1} \：\：\ times \：\：C _ \ {2}} \ {C _ \ {1} \： \：+ \：\：C _ \ {2}}

ここで、C〜1〜は1 ^ st ^コンデンサの容量、C〜2〜は2 ^ nd ^コンデンサの容量、C〜3〜は上記のネットワークの3 ^ rd ^コンデンサの容量です。

電圧

各コンデンサの電圧は、個々の静電容量の値に依存します。どの意味

V _ \ {C1} \：\：= \：\：\ frac \ {Q _ \ {T}} \ {C _ \ {1}} \：\：V _ \ {C2} \：\：= \： \：\ frac \ {Q _ \ {T}} \ {C _ \ {2}} \：\：V _ \ {C3} \：\：= \：\：\ frac \ {Q _ \ {T}} \ { C _ \ {3}}

直列コンデンサ回路の合計電圧、

$$ V _ \ {T} \：\：= \：\：V _ \ {C1} \：\：+ \：\：V _ \ {C2} \：\：+ \：\：V _ \ {C3} $ $

V〜c1〜は1 ^ st ^コンデンサの電圧、V〜c2〜は2 ^ nd ^コンデンサの電圧、V〜c3〜は上記ネットワークの3 ^ rd ^コンデンサの電圧です。

現在

直列に接続されたコンデンサのセットを流れる電流の総量は、すべてのポイントで同じです。したがって、コンデンサは、容量値に関係なく同じ量の電荷を保存します。

ネットワークを流れる電流、

I \：\：= \：\：I _ \ {1} \：\：= \：\：I _ \ {2} \：\：= \：\：I _ \ {3}

I〜1〜は1 ^ st ^コンデンサを流れる電流、I〜2〜は2 ^ nd ^コンデンサを流れる電流、I〜3〜は上記ネットワークの3 ^ rd ^コンデンサを流れる電流です。

電流が同じであるため、コンデンサのプレートは隣接するコンデンサから電荷を取得するため、電荷の蓄積は同じです。したがって、直列のコンデンサは同じ電荷を持ちます。

$$ Q _ \ {T} \：\：= \：\：Q _ \ {1} \：\：= \：\：Q _ \ {2} \：\：= \：\：Q _ \ {3} $ $

並列コンデンサ

並列に接続されているコンデンサが少ない場合に何が起こるかを観察しましょう。下図に示すように、値が異なる3つのコンデンサを考えてみましょう。

並列コンデンサ

キャパシタンス

回路の総静電容量は、ネットワーク内のコンデンサの個々の静電容量の合計に相当します。

$$ C _ \ {T} \：\：= \：\：C _ \ {1} \：\：+ \：\：C _ \ {2} \：\：+ \：\：C _ \ {3} $ $

ここで、C〜1〜は1 ^ st ^コンデンサの容量、C〜2〜は2 ^ nd ^コンデンサの容量、C〜3〜は上記のネットワークの3 ^ rd ^コンデンサの容量です。

電圧

回路の終端で測定される電圧は、並列回路に接続されているすべてのコンデンサの電圧と同じです。

$$ V _ \ {T} \：\：= \：\：V _ \ {1} \：\：= \：\：V _ \ {2} \：\：= \：\：V _ \ {3} $ $

V〜c1〜は1 ^ st ^コンデンサの電圧、V〜c2〜は2 ^ nd ^コンデンサの電圧、V〜c3〜は上記ネットワークの3 ^ rd ^コンデンサの電圧です。

現在

流れる合計電流は、並列ネットワークに接続された各コンデンサを流れる電流の合計に等しくなります。

$$ I _ \ {T} \：\：= \：\：I _ \ {1} \：\：+ \：\：I _ \ {2} \：\：+ \：\：I _ \ {3} $ $

I〜1〜は1 ^ st ^コンデンサを流れる電流、I〜2〜は2 ^ nd ^コンデンサを流れる電流、I〜3〜は上記ネットワークの3 ^ rd ^コンデンサを流れる電流です。

ベーシックエレクトロニクス-可変コンデンサ

機能、使用される誘電体、形状などに応じて、コンデンサには多くの種類があります。主な分類は、固定および可変コンデンサに従って行われます。

コンデンサの種類

分類は次の図に示すとおりです。

コンデンサの種類

主な分類は上記のものとまったく同じです。固定コンデンサは、製造時に値が固定されているコンデンサで、可変コンデンサは静電容量の値を変更するオプションを提供します。

可変コンデンサ

電気的に*または*機械的に*変化させると値が変化する可変コンデンサについて何か教えてください。一般に、可変コンデンサーは、一方が固定され、他方が可変である金属板の織り合わせセットで構成されています。これらのコンデンサは、 *10〜500pF の間で変化する容量値を提供します。

可変コンデンサ

ここに示すギャングコンデンサは、2つのコンデンサを接続した組み合わせです。単一のシャフトを使用して、1つに結合されたこれらのコンデンサの可変端を回転させます。点線は、内部で接続されていることを示しています。

無線受信機のLC回路のチューニング、アンテナのインピーダンスマッチングなど、これらの可変抵抗器には多くの用途があります。可変コンデンサの主な種類は、チューニングコンデンサとトリマーコンデンサです。

コンデンサの調整

チューニングコンデンサは、一般的なタイプの可変コンデンサです。固定子、回転子、固定子を支持するフレーム、マイカコンデンサが含まれています。チューニングコンデンサの構造の詳細を次の図に示します。

調整コンデンサ

ステータは固定部品であり、ロータは可動シャフトの動きによって回転します。ロータープレートは、ステーターのスロットに移動すると、接近してコンデンサーのプレートを形成します。ロータープレートがステーターのスロットに完全に収まる場合、容量値は最大になり、そうでない場合、容量値は最小になります。

ローター

上の図は、ギャングで接続された2つのチューニングコンデンサを持つ*ギャングチューニングコンデンサ*を示しています。これがチューニングコンデンサの仕組みです。これらのコンデンサの静電容量値は通常、数ピコファラッドから数十ピコファラッドまでです。これらは主に無線受信機のLC回路で使用されます。これらは Tuning Condensers とも呼ばれます。

トリマーコンデンサ

トリマーコンデンサは、ドライバーを使用して変化します。トリマコンデンサは、通常、容量値を変更する必要がない場所に固定されます。

トリマーコンデンサには3つのリード線があり、1つは固定プレートに接続され、1つは回転式に接続され、もう1つは一般的です。可動ディスクは半円形です。トリマーコンデンサは、次の図のようになります。

トリマーコンデンサ

中央に誘電体がある2つの平行な導電板があります。使用されるこの誘電体に応じて、空気トリマーコンデンサとセラミックトリマーコンデンサがあります。トリマーコンデンサの構造の詳細は以下のとおりです。

建設

2つのプレートの一方は可動で、もう一方は固定されています。誘電体は固定されています。可動プレートが可動電極と固定電極の間の領域の反対側に移動すると、静電容量を変更できます。両方の電極がコンデンサの2つのプレートとして機能するため、反対側の領域が大きくなると、静電容量は高くなります。

トリマーコンデンサは、PCB（プリント基板）に簡単に固定でき、主に機器のキャリブレーションに使用されます。

ベーシックエレクトロニクス-固定コンデンサ

製造中に値が固定され、後で変更できないコンデンサは、*固定コンデンサ*と呼ばれます。固定コンデンサの主な分類は、有極と無極として行われます。無極性コンデンサを見てみましょう。

無極性コンデンサ

これらは、*特定の極性*を持たないコンデンサです。つまり、右リードと左リードの配置を気にすることなく、回路に接続することができます。これらのコンデンサは、*非電解コンデンサ*とも呼ばれます。

非極性コンデンサの主な分類は、次の図に示すように行われます。

非分極コンデンサ

コンデンサの種類の中で、最初にセラミックコンデンサについて説明します。

セラミックコンデンサ

固定タイプで使用される一般的なコンデンサは、セラミックコンデンサです。セラミックコンデンサは、*セラミック材料*を誘電体として持つ固定コンデンサです。

これらのセラミックコンデンサは、用途に応じてさらにクラス1とクラス2に分類されます。たとえば、 Class1 は安定性が高く、共振回路アプリケーションに最適です。 class2 は効率が高く、カップリングアプリケーションに最適です。

セラミックコンデンサ

二酸化チタン*および*チタン酸バリウム*などの中空の管状または板状のセラミック材料は、両方の壁に銀化合物の堆積物でコーティングされているため、両側が2つのコンデンサープレートとして機能し、セラミックが誘電体として機能します。リードはこれらの2つの表面から引き出され、このアセンブリ全体が防湿コーティングでカプセル化されています。

最も頻繁に使用される最新のセラミックコンデンサは、多層チップコンデンサ（ MLCC ）です。これらのコンデンサは表面実装技術で作られており、サイズが小さいため主に使用されています。これらは1ηF〜100µFのオーダーで入手可能です。

フィルムコンデンサ

フィルムコンデンサは、誘電体材料としてフィルム物質を持っているものです。使用されるフィルムのタイプに応じて、これらは*紙*および*金属フィルム*コンデンサーとして分類されます。

これらのフィルムコンデンサはどちらも紙の誘電体コンデンサであるのに対して、紙のコンデンサは*ワックス*紙を使用し、金属のフィルムコンデンサは*金属化*紙を使用しています。配置は次の図とほぼ同じです。

フィルムコンデンサ

紙コンデンサ

紙コンデンサは、誘電体として紙を使用します。 2枚の薄いスズ箔シートを取り、薄いワックス紙またはオイル紙の間に置きます。この紙は誘電体として機能します。現在、紙はプラスチックに置き換えられています。

これらのシートは挟まれ、円筒形に丸められ、プラスチックの筐体に封入されています。リードが引き出されます。次の図は、紙コンデンサの例を示しています。

紙コンデンサ

紙のコンデンサは0.001µFから2µFのオーダーで入手でき、電圧定格は最大2000ボルトです。これらのコンデンサは、高電圧および高電流アプリケーションで役立ちます。

金属フィルムコンデンサ

金属フィルムコンデンサは、別のタイプのフィルムコンデンサです。ここで使用される誘電体は金属膜でコーティングされた紙であるため、これらは金属箔コンデンサまたは金属化紙コンデンサとも呼ばれます。

紙コンデンサとは異なり、アルミニウムまたは亜鉛のフィルムが紙にコーティングされ、この金属フィルムコンデンサで誘電体が形成されます。紙の間にアルミシートを配置する代わりに、紙自体を直接コーティングします。これにより、コンデンサのサイズが小さくなります。

金属フィルムコンデンサ

化学的還元によるコンデンサの破壊を避けるために、アルミニウムコーティングは亜鉛コーティングよりも好ましいです。アルミニウムでコーティングされたシートは、シリンダーの形で巻かれ、リードが取られます。この全体が、コンデンサを保護するためにワックスまたはプラスチック樹脂でカプセル化されています。これらのコンデンサは、*高電圧および電流*アプリケーションで役立ちます。

その他のコンデンサ

これらは、使用される誘電体にちなんで名付けられたその他のコンデンサです。このグループには、マイカコンデンサ、エアコンデンサ、真空コンデンサ、ガラスコンデンサなどが含まれます。

マイカコンデンサ

マイカコンデンサは、誘電体材料として薄いマイカシートを使用して作られています。紙のコンデンサのように、薄い金属シートはマイカシートで挟まれています。最後に、金属シートの層が両端で接続され、2つのリードが形成されます。次に、アセンブリ全体をプラスチックのベークライトカプセルに入れます。次の画像は、マイカコンデンサの外観を示しています。

マイカコンデンサ

マイカコンデンサは、50pF〜500pFの範囲で入手できます。 Micaコンデンサは、500ボルトまでの高い動作電圧を持っています。これらは、リップルフィルター、共振回路、結合回路、高電力、大電流のRF放送送信機などの電子回路に最もよく使用されるコンデンサです。

空気コンデンサ

空気コンデンサは、*空気が誘電体*であるコンデンサです。最も単純なエアコンデンサは、間に空気が入っている導電板を備えたものです。この構造は、前述の「可変同調コンデンサ」とまったく同じです。これらのコンデンサは固定および可変にすることもできますが、優れた特性を備えたコンデンサがあるため、固定コンデンサはほとんど使用されません。

真空コンデンサ

真空コンデンサは、空気やその他の材料の代わりに、誘電体として*高真空を使用します。これらは、固定モードと可変モードでも使用できます。これらのコンデンサの構造は、真空管に似ています。それらは主に、メッシュの同心円筒を含むガラス円筒の形で見られます。

次の図は、可変真空コンデンサを示しています。

エアコンデンサ

次の画像は、固定真空コンデンサがどのように見えるかを示しています-

固定真空コンデンサ

可変真空コンデンサは、12pF〜5000pFの範囲で入手可能で、5kV〜60kVなどの高電圧アプリケーションに使用されます。それらは、ハイパワー放送送信機、RFアンプ、大型*アンテナチューナー*などの主要機器で使用されます。

ガラスコンデンサ

ガラスコンデンサは、多くの利点と用途を備えた非常に排他的なものです。上記のすべてのタイプと同様に、ここで*ガラス*は誘電体です。ガラス誘電体とともに、アルミニウム電極もこれらのコンデンサに存在します。リードを取り出した後、プラスチックのカプセル化が行われます。リードは、アキシャルリードまたはチューブ状リードです。

ガラスコンデンサ

などのガラスコンデンサの多くの利点があります-

温度係数が低い。
これらはノイズのないコンデンサです。
低損失で高品質の出力を生成します。
彼らは、高い動作温度を処理する能力を持っています。
これらのコンデンサは、大きなRF電流を処理できます。

これらのガラスコンデンサには、次のような多くの用途があります-

高温ゾーンにある必要がある回路で使用されます。
高Qを必要とする回路で使用されます。
高電力処理回路で使用されます。
高い許容誤差を必要とする回路に使用されます。

基本的な電子機器-分極コンデンサ

分極コンデンサは、特定の正と負の極性を持つコンデンサです。これらのコンデンサを回路で使用するときは、*完全な極性*で接続されていることに常に注意する必要があります。次の図は、分極コンデンサの分類を示しています。

分極コンデンサ

電解コンデンサとの議論を始めましょう。

電解コンデンサ

電解コンデンサは、電解質が使用されていることを名前で示すコンデンサです。これらは、特定の極性を持つアノード（+）とカソード（-）を備えた分極コンデンサです。

陽極酸化によって*絶縁酸化物層*が形成される金属は*陽極*と呼ばれます。酸化物層の表面を覆う固体または非固体の*電解質*は*陰極*として機能します。電解コンデンサは、アノード表面が大きく誘電体酸化物層が薄いため、他のコンデンサよりも* Capacitance-Voltage（CV）値がはるかに高くなっています。

アルミ電解コンデンサ

アルミ電解コンデンサは、電解コンデンサの中で最も一般的なタイプです。これらでは、エッチングされた表面を持つ純粋な*アルミニウム箔*が*陽極*として機能します。数マイクロメートルの厚さの金属の薄い層は、*拡散バリア*として機能し、電気的に分離するために2つの金属の間に配置されます。したがって、拡散バリアは*誘電体*として機能します。 *電解質*は、酸化物層の粗い表面を覆う*カソード*として機能します。

次の図は、使用可能なさまざまなサイズのアルミニウム電解コンデンサの画像を示しています。

電解コンデンサ

電解質に応じて、3種類のアルミニウム電解コンデンサがあります。彼らは-

湿式アルミニウム電解コンデンサ（非固体）
二酸化マンガンアルミニウム電解コンデンサ（固体）
高分子アルミニウム電解コンデンサ（固体）

これらのアルミニウム電解コンデンサの主な利点は、電源周波数でも*低インピーダンス*値を持ち、安価であることです。これらは主に*電源回路、SMPS （スイッチモード電源）および DC-DCコンバーター*で使用されます。

タンタル電解コンデンサ

これらは、*アノード*が*タンタル*で構成され、その上に非常に薄い絶縁*酸化物層*が形成される別のタイプの電解コンデンサです。この層は*誘電体*として働き、*電解質*は酸化物層の表面を覆う陰極として働きます。

次の図は、タンタルコンデンサの外観を示しています。

タンタル電解コンデンサ

タンタルは高誘電率の誘電体層を提供します。タンタルは、体積あたりの静電容量が大きく、重量が軽いです。しかし、これらはタンタルが頻繁に入手できないため、アルミニウム電解コンデンサよりも高価です。

ニオブ電解コンデンサ

ニオブ電解コンデンサは、他のタイプの電解コンデンサで、不動態化されたニオブ金属または一酸化ニオブがアノードと見なされ、絶縁性の五酸化ニオブ層がアノードに追加され、誘電体として機能します。固体電解質は、カソードとして機能する酸化物層の表面に置かれます。次の図は、ニオブコンデンサの外観を示しています。

ニオブ電解コンデンサ

ニオブコンデンサは、SMD（Surface Mount Devices）チップコンデンサとして一般的に入手可能です。これらはPCBに簡単に取り付けられます。これらのコンデンサは完全な極性で動作する必要があります。指定された値を超える逆電圧またはリップル電流は、最終的には誘電体とコンデンサも破壊します。

スーパーキャパシター

静電容量値が他のコンデンサよりもはるかに大きい大容量電気化学コンデンサは、*スーパーコンデンサ*と呼ばれます。これらは、電解コンデンサと充電式バッテリーの間にあるグループに分類できます。これらは、*ウルトラコンデンサ*とも呼ばれます。

以下のようなこれらのコンデンサには多くの利点があります-

それらは高い静電容量値を持っています。
彼らははるかに高速に電荷を保存し、配信することができます。
より多くの充電および放電サイクルを処理できます。

これらのコンデンサには、次のような多くの用途があります-

彼らは車、バス、電車、エレベーター、クレーンで使用されています。
それらは回生ブレーキで使用されます。
メモリのバックアップに使用されます。

スーパーコンデンサのタイプは、2層、疑似、およびハイブリッドです。

二層コンデンサ

二層コンデンサは静電コンデンサです。これらのコンデンサでは、二重層の原理に従って電荷の堆積が行われます。

すべての固体物質は、液体に入れられると表面層に負電荷を持ちます。
これは、液体の誘電率が高いためです。
すべての陽イオンは、皮膚を作るために固体材料の表面に近づきます。
固体材料の近くの陽イオンの堆積は、距離とともに緩くなります。
陰イオンと陽イオンの堆積によりこの表面で生成された電荷は、静電容量値をもたらします。

この二重層現象は、ヘルムホルツ二重層とも呼ばれます。以下の図は、コンデンサが充電されるときと放電されるときの二重層現象の手順を説明しています。

二重層コンデンサ

これらのコンデンサは、単に電気二重層コンデンサ（EDLC）と呼ばれます。カーボン電極を使用して、導電性電極の表面と電解質の間で電荷を分離します。炭素は誘電体として機能し、他の2つは陽極と陰極として機能します。電荷の分離は、従来のコンデンサよりもはるかに小さくなります。

擬似コンデンサ

これらのコンデンサは、電荷の堆積のために「電気化学」プロセスに従います。これは、*ファラデープロセス*とも呼ばれます。電極では、一部の化学物質が還元または酸化されると、電流が生成されます。そのようなプロセスの間、これらのコンデンサは電極と電解質間の電子移動により電荷を蓄積します。これが疑似コンデンサの動作原理です。

疑似コンデンサ

彼らははるかに速く充電され、バッテリーと同じくらい充電を保存します。彼らはより速い速度で運営されています。これらは、電池と一緒に使用して寿命を改善します。これらは、電力変動を処理するためにグリッドアプリケーションで使用されます。

ハイブリッドコンデンサ

ハイブリッドコンデンサは、EDLCと疑似コンデンサの組み合わせです。ハイブリッドコンデンサでは、活性炭がカソードとして使用され、プレドープされたカーボン材料がアノードとして機能します。リチウムイオンコンデンサは、このタイプの一般的な例です。次の図は、さまざまなタイプのハイブリッドコンデンサを示しています。

ハイブリッドコンデンサ

これらは、-55°Cから200°Cまでの幅広い温度変化に対して高い耐性を持っています。ハイブリッドコンデンサは航空機搭載アプリケーションでも使用されます。コストは高いですが、これらのコンデンサは信頼性が高くコンパクトです。これらは頑丈で、極端な衝撃、振動、環境からの圧力に耐えることができます。ハイブリッドコンデンサは、電解コンデンサよりも高いエネルギー密度と高い比電力を持っています。

ベーシックエレクトロニクス-インダクタ

エレクトロニクスおよび電気分野のもう1つの重要なコンポーネントである*インダクタ*を紹介します。インダクタは、磁場の形でエネルギーを一時的に保存する受動的な2端子コンポーネントです。通常、*コイル*と呼ばれます。インダクタの主な特性は、*電流の変化に対抗する*ことです。

インダクター

電磁誘導のファラデーの法則によれば、インダクタを流れる電流が変化すると、時間とともに変化する磁場が導体に電圧を誘導します。レンズの法則によれば、誘導されたEMFの方向は、それを作り出した電流の変化に反対します。したがって、*誘導されたEMFは、コイルに印加される電圧*と反対です。これはインダクタの特性です。

次の図は、インダクタの外観を示しています。

インダクタ

インダクタは、DC信号に存在するACコンポーネントをブロックします。インダクタは、フェライトコアなどのコアに巻き付けられることがあります。下の図のようになります。

インダクターブロック

次の図は、さまざまな部品にラベルが付いたインダクタを示しています。

インダクタ部品

シンボル

さまざまなタイプのインダクタの記号は次のとおりです。

インダクタ記号

エネルギーの貯蔵

電磁気の基本的な特性の1つは、電流がインダクタを流れると、電流が電流の流れに垂直に発生することです。これは構築し続けます。ある時点で安定します。つまり、その後インダクタンスは増加しません。電流が流れなくなると、磁場が減少します。

この磁気エネルギーは電気エネルギーに変わります。したがって、エネルギーは磁場の形で一時的に保存されます。

インダクターの働き

電磁誘導の理論によれば、導体に流れるさまざまな電流は、電流に垂直な磁場をその周りに生成します。また、変化する磁場は、その場に存在する導体に電流を生成しますが、電流は磁場に垂直です。

さて、導電コイルで構成されたインダクタを考えて、いくらかの電流がインダクタを通過すると、磁界がそれに垂直に作成されます。次の図は、周囲に磁場があるインダクタを示しています。

磁場

さて、ここで変化する磁場があり、導体を通る電流を生成します。しかし、この電流は、磁場を生成した主電流に対抗するように生成されます。

この電流の名前がImである場合、これは磁場により生成される電流を意味し、磁場はβで示されます。次の図はそれを示しています。

磁気エネルギー

この反対の電流は、変化する磁場で強度を獲得し、入力電源周波数でエネルギーを獲得します。したがって、入力電流が高周波でますます多くのACになると、結果として生じる反対電流も、それを生成するまさにその原因とは反対の方向にその強度を獲得します。さて、この反対の電流は、高周波ACがインダクタを通過するのを止めようとします。これは、「ACのブロック」を意味します。

ベーシックエレクトロニクス-インダクタンス

電流の変化によって誘導される電圧を得るためのインダクタの特性は、インダクタンスとして定義されます。インダクタンスは、電流の変化率に対する電圧の比率です。

電流の変化率は、磁場に変化を生じさせ、電圧源とは反対方向にEMFを誘導します。 EMFの誘導のこの特性は、*インダクタンス*と呼ばれます。

インダクタンスの式は

Inductance \：\：= \：\：\ frac \ {volatge} \ {rate \：of \：change \：of \：current}

単位-

インダクタンスの単位は*ヘンリー*です。 L で示されます。
インダクタのほとんどは、mH（ミリヘンリー）およびμH（マイクロヘンリー）で入手可能です。
1ボルト*のEMFが* 1アンペア/秒*の割合で流れる電流が変化するコイルに自己誘導されると、コイルは* 1ヘンリー*のインダクタンスを持つと言われます。

自己インダクタンス

コイルに電流が流れると考えられる場合、電流に垂直な磁場が発生します。この電流が変化し続けると、磁場も変化し、この変化する磁場は、電源電圧とは反対のEMFを誘導します。生成されるこの反対のEMFは*自己誘導電圧*であり、この方法は*自己インダクタンス*と呼ばれます。

自己インダクタンス

図の電流* i〜s〜はソース電流を示し、 i〜ind〜は誘導電流を示します。磁束は、コイルの周囲に発生する磁束を表します。電圧を印加すると、電流 i〜s〜が流れ、磁束が発生します。現在の i〜s〜が変化すると、フラックスが変化して i〜ind〜*が生成されます。

この誘導されたコイル全体のEMFは、電流の変化率に比例します。電流の変化率が高いほど、誘導されるEMFの値が高くなります。

上記の方程式を次のように書くことができます。

E \：\：\ alpha \：\：\ frac \ {dI} \ {dt}

E \：\：= \：\：L \：\：\ frac \ {dI} \ {dt}

どこで、

E は、生成されるEMFです
dI/dt は電流の変化率を示します
L はインダクタンスの係数を示します。

自己インダクタンスまたは自己インダクタンスの係数は、

L \：\：= \：\：\ frac \ {E} \ {\ frac \ {dI} \ {dt}}

実際の方程式は

E \：\：= \：\：-L \：\：\ frac \ {dI} \ {dt}

上記の方程式のマイナスは、レンツの法則に従って* EMFが電圧源と反対方向に誘導されることを示します。

相互インダクタンス

電流を流すコイルがその周囲にいくらかの磁場を生成するため、一次コイルの磁束領域にあるように別のコイルをこのコイルに近づけると、変化する磁束が二次コイルにEMFを誘導します。この最初のコイルが*プライマリコイル*と呼ばれる場合、2番目のコイルは*セカンダリコイル*と呼ばれます。

一次コイルの磁場の変化により二次コイルにEMFが誘導される場合、そのような現象は*相互インダクタンス*と呼ばれます。

相互インダクタンス

図の電流* i〜s〜はソース電流を示し、 i〜ind〜*は誘導電流を示します。磁束は、コイルの周囲に発生する磁束を表します。これは二次コイルにも広がります。

電圧を印加すると、電流* i〜s〜が流れ、磁束が発生します。電流 i〜s〜が変化すると、相互インダクタンス特性により、磁束が変化して2次コイルに i〜ind〜*が生成されます。

変更はこのように行われました。

V _ \ {p} \：\：I _ \ {p} \ rightarrow \：\：B \：\：\ rightarrow \：\：V _ \ {s} \：\：I _ \ {s}

どこで、

V〜p〜 i〜p〜 一次コイルの電圧と電流をそれぞれ示す
B は磁束を示します
V〜s〜 i〜s〜 二次コイルの電圧と電流をそれぞれ示します

2つの回路の相互インダクタンス M は、1次側の電流の変化によって誘導される2次側の電圧の量を表します。

V（セカンダリ）\：\：= \：\：-M \ frac \ {\ Delta I} \ {\ Delta t}

ここで、$ \ frac \ {\ Delta I} \ {\ Delta t} $は時間に対する電流の変化率であり、 M は相互インダクタンスの係数です。マイナス記号は、電流の方向がソースと反対であることを示します。

単位-

相互インダクタンスの単位は

volt \：\：= \：\：M \ frac \ {amps} \ {sec}

（上記の方程式から）

M \：\：= \：\：\ frac \ {volt。\：sec} \ {amp}

= \：\：ヘンリー（H）

一次コイルと二次コイルの巻数に応じて、磁束リンケージと誘導EMFの量が変化します。プライマリのターン数はN1で示され、セカンダリの数はN2で示されます。結合係数は、2つのコイルの相互インダクタンスを指定する用語です。

インダクタンスに影響する要因

インダクタの性能に影響するいくつかの要因があります。主なものを以下に説明します。

コイルの長さ

インダクタコイルの長さは、コイルのインダクタンスに反比例します。コイルの長さが長い場合、そのインダクタが提供するインダクタンスは小さくなり、逆も同様です。

コイルの断面積

コイルの断面積は、コイルのインダクタンスに正比例します。コイルの面積が大きいほど、インダクタンスが高くなります。

ターン数

巻き数によって、コイルはインダクタンスに直接影響します。インダクタンスの値は、コイルの巻き数に二乗します。したがって、巻き数が多いほど、その2乗がコイルのインダクタンスの値になります。

コアの透過性

インダクタのコア材料の*透磁率（μ）*は、コアが内部に磁場を形成するためのサポートを示しています。コア材料の透磁率が高いほど、インダクタンスは高くなります。

結合係数

これは、2つのコイルの相互インダクタンスを計算するために知っておくべき重要な要素です。 N1およびN2ターンの2つの近くのコイルをそれぞれ考えてみましょう。

最初のコイルi〜1〜を流れる電流は、磁束Ψ〜1〜を生成します。磁束結合の量は、ウェーバーターンによって理解されます。

i〜1〜の単位電流による、2番目のコイルへの磁束鎖交の量を

\ frac \ {N _ \ {2} \ varphi _ \ {1}} \ {i _ \ {1}}

これは、相互インダクタンスの係数として理解できます。

M \：\：= \：\：\ frac \ {N _ \ {2} \ varphi _ \ {1}} \ {i _ \ {1}}

したがって、2つのコイルまたは回路間の相互インダクタンスの係数は、もう1つのコイルの1Aの電流による1つのコイルのウェーバーターンとして理解されます。

最初のコイルの自己インダクタンスがL〜1〜の場合、

L _ \ {1} i _ \ {1} \：\：= \：\：\ {N _ \ {1} \ varphi _ \ {1}} \：\：=> \：\：\ frac \ {L_ \ {1}} \ {N _ \ {1}} \：\：\ frac \ {\ varphi _ \ {1}} \ {i _ \ {1}}

M \：\：= \：\：\ frac \ {N _ \ {2} L _ \ {1}} \ {N _ \ {1}}

同様に、2番目のコイルの電流i〜2〜による相互インダクタンスの係数は

M \：\：= \：\：\ frac \ {N _ \ {1} \ varphi _ \ {2}} \ {i _ \ {2}} \：\ dotsm \：\ dotsm \：\ dotsm \： \ dotsm \：\：1

2番目のコイルの自己インダクタンスがL〜2〜の場合

L _ \ {2} i _ \ {2} \：\：= \：\：N _ \ {2} \ varphi _ \ {2}

\ frac \ {L _ \ {2}} \ {N _ \ {2}} \：\：= \：\：\ frac \ {\ varphi _ \ {2}} \ {i _ \ {2}}

したがって、

M \：\：= \：\：\ frac \ {N _ \ {1} L _ \ {2}} \ {N _ \ {2}} \：\ dotsm \：\ dotsm \：\ dotsm \：\ dotsm \：\：2

1と2を掛けると、

M \：\：\ times \：\：M = \：\：\ frac \ {N _ \ {2} L _ \ {1}} \ {N _ \ {1}} \：\：\ times \： \：\ frac \ {N _ \ {1} L _ \ {2}} \ {N _ \ {2}}

M ^ \ {2} \：\：= \：\：L _ \ {1} L _ \ {2} \：\：=> \：\：M \：\：= \：\：\ sqrt \ {L _ \ {1} L _ \ {2}}

上記の式は、一次コイルの変化する磁束全体が二次コイルとリンクするときに当てはまります。これは理想的なケースです。しかし、実際にはそうではありません。したがって、次のように書くことができます。

M \：\：\ neq \：\：\ sqrt \ {L _ \ {1} L _ \ {2}}

and \ frac \ {M} \ {\ sqrt \ {L _ \ {1} L _ \ {2}}} \：\：= \：\：K \：\：\ neq \：\：1

ここで、Kは結合係数として知られています。

結合係数K *は、相互インダクタンスの理想的な（最大）係数に対する相互インダクタンスの実際の係数の比として定義できます。

kの値が1に近い場合、コイルは密結合していると言われ、k = 0の場合、コイルは疎結合していると言われます。

インダクタの用途

などのインダクタの多くのアプリケーションがあります-

インダクタは、高周波成分を検出し、ノイズ信号を抑制するためにフィルター回路で使用されます
不要なHF信号から回路を分離します。
インダクタは電気回路で使用され、変圧器を形成し、スパイクから回路を分離します。
インダクタはモーターにも使用されます。

インダクタの回路接続

回路に接続されている場合、インダクタは直列または並列のいずれかです。並列に接続されている場合、それらが直列に接続されている場合、合計電流、電圧、および抵抗値がどうなるかを今すぐお知らせします。

直列のインダクタ

直列に接続されたインダクタが少ない場合に何が起こるかを観察しましょう。次の図に示すように、値が異なる3つの抵抗器を考えてみましょう。

シリーズのインダクタ

インダクタンス

直列インダクタを持つ回路の合計インダクタンスは、個々のインダクタンスの合計に等しくなります。上記のネットワークの合計インダクタンス値は

$$ L _ \ {T} \：\：= \：\：L _ \ {1} \：\：+ \：\：L _ \ {2} \：\：+ \：\：L _ \ {3} $ $

ここで、L〜1〜は1 ^ st ^抵抗器のインダクタンス、L〜2〜は2 ^ nd ^抵抗器のインダクタンス、L〜3〜は3 ^ rd ^抵抗器のインダクタンスです。

電圧

直列インダクタネットワークに現れる合計電圧は、個々のインダクタンスでの電圧降下の加算です。

回路に現れる合計電圧

V \：\：= \：\：V _ \ {1} \：\：+ \：\：V _ \ {2} \：\：+ \：\：V _ \ {3}

V〜1〜は1 ^ st ^インダクタの電圧降下、V〜2〜は2 ^ nd ^インダクタの電圧降下、V〜3〜は上記のネットワークの3 ^ rd ^インダクタの電圧降下です。

現在

直列に接続されたインダクタのセットを流れる電流の総量は、ネットワーク全体のすべてのポイントで同じです。

ネットワークを通る流れ

I \：\：= \：\：I _ \ {1} \：\：= \：\：I _ \ {2} \：\：= \：\：I _ \ {3}

I〜1〜は1 ^ st ^インダクタを流れる電流、I〜2〜は2 ^ nd ^インダクタを流れる電流、I〜3〜は上記ネットワークの3 ^ rd ^インダクタを流れる電流です。

並列のインダクタ

並列に接続されている抵抗が少ない場合に何が起こるかを観察しましょう。次の図に示すように、値が異なる3つの抵抗器を考えてみましょう。

並列インダクタ

インダクタンス

並列抵抗を持つ回路の総インダクタンスは、直列インダクタネットワーク法とは異なる方法で計算されます。ここでは、個々のインダクタンスの逆数（1/R）値に代数和の逆数を加えて合計インダクタンス値を取得します。

ネットワークの合計インダクタンス値は

\ frac \ {1} \ {L _ \ {T}} \：\：= \：\：\ frac \ {1} \ {L _ \ {1}} \：\：+ \：\：\ frac \ {1} \ {L _ \ {2}} \：\：+ \：\：\ frac \ {1} \ {L _ \ {3}}

ここで、L〜1〜は1 ^ st ^インダクターのインダクタンス、L〜2〜は2 ^ nd ^インダクターのインダクタンス、L〜3〜は3 ^ rd ^インダクターのインダクタンスです。

並列インダクタンスを計算する方法から、2インダクタ並列ネットワークの簡単な方程式を導き出すことができます。それは

L _ \ {T} \：\：= \：\：\ frac \ {L _ \ {1} \：\：\ times \：\：L _ \ {2}} \ {L _ \ {1} \： \：+ \：\：L _ \ {2}}

電圧

並列インダクタネットワークに現れる合計電圧は、個々のインダクタンスでの電圧降下と同じです。

回路に現れる電圧

V \：\：= \：\：V _ \ {1} \：\：= \：\：V _ \ {2} \：\：= \：\：V _ \ {3}

V〜1〜は1 ^ st ^インダクタの電圧降下、V〜2〜は2 ^ nd ^インダクタの電圧降下、V〜3〜は上記のネットワークの3 ^ rd ^インダクタの電圧降下です。したがって、電圧は、並列インダクタネットワークのすべてのポイントで同じです。

現在

並列誘導ネットワークに入る電流の合計は、すべての並列分岐に流れる個々の電流の合計です。各ブランチのインダクタンス値によって、ブランチを流れる電流の値が決まります。

ネットワークを流れる合計電流は

I \：\：= \：\：I _ \ {1} \：\：+ \：\：I _ \ {2} \：\：+ \：\：I _ \ {3}

I〜1〜は1 ^ st ^インダクタを流れる電流、I〜2〜は2 ^ nd ^インダクタを流れる電流、I〜3〜は上記ネットワークの3 ^ rd ^インダクタを流れる電流です。

したがって、異なるブランチの個々の電流の合計は、並列ネットワークの合計電流を取得します。

誘導リアクタンス

誘導性リアクタンスは、交流電流、または単にAC電流に対してインダクタが提供する抵抗です。インダクタは電流の流れの変化に抵抗する特性を持っているため、入力電流の周波数も抵抗と一緒に考慮する必要があるため、*リアクタンス*と呼ぶことができる反対を示します。

表示- XL
単位-オーム
記号-Ω

純粋な誘導回路では、電流* I〜L〜は印加電圧より90°遅れます*。誘導性リアクタンスは、

X _ \ {L} \：\：= \：\：2 \ pi fL

ここで、fは信号の周波数です。したがって、誘導性リアクタンスは周波数とインダクタンスの関数です。

基本的な電子機器-インダクタの種類

インダクタにはさまざまな形状があり、さまざまな用途があります。それらのサイズは、製造に使用される材料によって異なります。主な分類は、固定インダクタと可変インダクタとして行われます。少数のヘンリーのインダクタは、単純な抵抗器の大きさでダンベル型になる場合があります。固定インダクタは、常に色分けの最初の色として銀を使用しています。

インダクタのコアはその中心です。使用されるコア材料に応じて、多くのタイプのインダクタがあります。それらのいくつかを見てみましょう。

空芯インダクタ

単純な巻線で一般的に見られるインダクタは、この空芯インダクタです。これは、*空気を中心とした*材料にすぎません。プラスチックやセラミックなどの非磁性材料もコア材料として使用されており、この空芯インダクタの下にもあります。次の画像は、さまざまな空芯インダクタを示しています。

空芯インダクタ

これらのインダクタは、非常に高い磁場強度を持つアプリケーションで最小の信号損失を提供します。また、固体コア材料がないため、コア損失はありません。

鉄心インダクタ

これらのインダクタは、コア材料としてフェライトや鉄などの強磁性材料を使用しています。このようなコア材料を使用すると、透磁率が高いため、インダクタンスが増加します。 *透磁率*は、材料内の磁場の形成をサポートする能力を測定します。次の画像は、鉄芯インダクタがどのように見えるかを示しています-

鉄芯インダクタ

このような強磁性コア材料を使用したインダクタは、高周波でのコア損失とエネルギー損失の影響を受けます。これらのインダクタは、数種類のトランスの製造に使用されます。

トロイダルインダクタ

これらのインダクタは、ワイヤが巻かれるコア物質として磁性材料を持っています。次の図に示すように、これらは円形のリング形状です。

トロイダルインダクタ

このタイプのインダクタの主な利点は、円形の形状により、インダクタの形状全体で対称性が達成されることです。これにより、磁束の損失が最小になります。これらのインダクタは、主にAC回路アプリケーションで使用されます。

積層コアインダクタ

これらは、スタックなどの薄い鋼板をコア材料として積層したインダクタです。通常、インダクタの場合、電流が流れるためにループ面積が増加すると、エネルギー損失が大きくなります。一方、これらの積層コアインダクタでは、スタックの薄い鋼板が渦電流をブロックするのに役立ち、ループ動作を最小限に抑えます。

次の図は、積層コアインダクタの画像を示しています。

積層コアインダクタ

これらのインダクタの主な利点は、その構造によりエネルギー損失を最小限に抑えることです。これらの積層コアインダクタは、主にトランスの製造に使用されます。

鉄粉コアインダクタ

名前が示すように、これらのインダクタのコアには、いくつかのエアギャップを含む磁性材料があります。しかし、この種の構造はコアに利点を提供し、他のタイプと比較して高レベルのエネルギーを保存します。次の図は、鉄粉コアインダクタの画像を示しています。

鉄粉コアインダクタ

これらのインダクタは、非常に低い渦電流損失とヒステリシス損失を提供します。これらは最低価格で入手可能で、非常に優れたインダクタンス安定性を備えています。

ベーシックエレクトロニクス-RFインダクタ

RFインダクタは*無線周波数*インダクタであり、*高い共振周波数*で使用されます。これらは、多層コイルインダクタまたは薄膜コーティングセラミックインダクタまたは巻線セラミックインダクタです。次の図は、いくつかのRFインダクタを表しています。

RFインダクタ

これらのインダクタの特徴は、*低電流定格*と*高電気抵抗*です。ただし、ここで高周波が使用されると、ワイヤ抵抗が増加します。また、これらの高い共振無線周波数のため、画像に現れる効果はほとんどありません。それらを見てみましょう。

表皮効果

高周波では、交流電流は導体を流れる電流が不均等に分布する傾向があります。電流は、導体の中心よりも導体の表面で大きく流れます。次の図に示すように、エネルギーを導体の*スキン*に集中させ、導体の深いコアを残します。

表皮効果

エネルギーが導体の表皮に集中するため、この効果は*表皮効果*と呼ばれます。実際、この表皮効果は、交流から生じる磁場の変化によって生成される渦電流が原因で発生します。昨今では、導体の重量とコストを削減するために、より高い周波数を運ぶ導体がチューブ状に作られています。

近接効果

上記と同様に、これは別の効果であり、ここで観察されます。近接効果は、高周波でワイヤの抵抗を増加させる効果です。近接とは、*隣接するワイヤ*に影響が及ぶことを示す言葉です。次の図は、隣接するケーブルのエッジでの電流の集中を示しています。

近接効果

各ターンには、ワイヤに渦電流を誘導する磁場があり、これにより電流が隣接するワイヤの側面に集中します。この効果により、ワイヤの有効断面積が減少し、抵抗が増加します。

寄生容量

通常、インダクタには直列の抵抗（ワイヤ抵抗）とシャントのコンデンサ（寄生容量）が内部に含まれています。インダクタでは、巻線の各ターンの電位がわずかに異なります。次の図は、インダクタの容量効果を示しています。

寄生容量

各ターンに存在する2つの導体は、空気を誘電体とするコンデンサプレートとして機能します。ここには*寄生容量*と呼ばれる容量があります。特定のアプリケーションでこれを回避するために、巻線は互いに遠くに配置されます。

周波数が増加すると、寄生容量のインピーダンスが減少し、インダクタのインピーダンスが増加します。したがって、インダクタはコンデンサのように動作する傾向があります。

誘電損失

インダクタの導体を流れる電流により、絶縁体の分子が熱の形でエネルギーを発揮します。周波数が高いほど、熱放散は大きくなります。

チョーク

インダクタはチョークとも呼ばれます。インダクタはACコンポーネントをブロックし、DCコンポーネントを送信します。したがって、ACをチョークまたは停止するため、インダクタは単に*チョーク*と呼ばれます。

チョーク

多くの場合、絶縁ワイヤのコイルが磁気コアに巻かれてチョークを形成します。信号周波数が増加すると、チョークのインピーダンスが増加します。リアクタンスのため、ACを通過する量を制限できます。それでも、電気抵抗が低いため、実際にはある程度のACが通過します。これらは主に、管照明や電子機器の変圧器で使用されます。

ベーシックエレクトロニクス-トランス

電磁誘導*の原理によると、磁束が変化するとコイルにEMFが発生する可能性があることをすでに知っています。 *相互誘導*の原理により、別のコイルがそのようなコイルの横に持ち込まれると、磁束はEMFを2番目のコイルに誘導します。

現在、変化する磁束を持つコイルは「プライマリコイル」と呼ばれ、EMFが誘導されるコイルは「セカンダリコイル」と呼ばれ、2つのコイルは一緒に「トランス」と呼ばれるユニットを作ります。

変成器

トランスには、入力が与えられる一次コイルと、出力が収集される二次コイルがあります。これらのコイルは両方ともコア材料に巻かれています。通常、絶縁体は変圧器の*コア*を形成します。

次の図は、実用的なトランスを示しています。

トランスフォーマー

上記の図から、一般的な表記法はほとんどないことが明らかです。それらを書き留めてみましょう。彼らは-

* N〜p〜* =一次巻線の巻き数
* N〜s〜* =二次巻線の巻き数
* I〜p〜* =トランスの一次側に流れる電流
* I〜s〜* =トランスの二次側に流れる電流
* V〜p〜* =トランスの一次側の電圧
* V〜s〜* =トランスの二次側の電圧
Φ =トランスのコアの周囲に存在する磁束。

回路内のトランス

次の図は、回路内でトランスがどのように表されるかを示しています。トランスの一次巻線、二次巻線、およびコアも次の図に示されています。

サーキットの変圧器

したがって、変圧器を回路に接続すると、入力電源が一次コイルに与えられ、この電源で変動する磁束が生成され、その磁束が変圧器の二次コイルに誘導され、変圧器の変動するEMFが生成されます変化するフラックス。磁束は変化するはずなので、一次から二次へのEMFの伝達のために、変圧器は常に交流ACで動作します。

ステップアップとステップダウン

二次巻線の巻数に応じて、トランスは「ステップアップ」または「ステップダウン」トランスと呼ばれます。

ここで注意すべき主な点は、トランスの一次側と二次側の*電力*に違いがないことです。したがって、二次側の電圧が高い場合、電力を安定させるために低電流が流れます。同様に、2次側の電圧が低い場合、電力が1次側と同じでなければならないため、高電流が流れます。

ステップアップ

二次巻線の巻数が一次巻線より多い場合、トランスは「ステップアップ」トランスと呼ばれます。ここで、誘導されたEMFは入力信号よりも大きくなります。

ステップアップ

ステップダウン

二次巻線の巻数が一次巻線より少ない場合、変圧器は「降圧」変圧器と呼ばれます。ここでは、誘導EMFは入力信号よりも小さくなります。

ステップダウン

巻数比

一次巻線と二次巻線の巻数が電圧定格に影響するため、誘導される電圧に関するアイデアを得るために巻数間の比率を維持することが重要です。

一次コイルの巻数と二次コイルの巻数の比は、「巻数比」または「変換率」と呼ばれます。通常、巻数比は N で表されます。

N \：\：= \：\：Turns \：ratio \：\：= \：\：\ frac \ {Number \：of \：turns \：on \：Primary} \ {Number \：of \ ：turns \：on \：Secondary} \：\：= \：\：\ frac \ {N _ \ {p}} \ {N _ \ {s}}

1次と2次の比率、入力と出力の比率、および任意の変圧器の巻数比は、その*電圧比*と同じになります。したがって、これは次のように書くことができます

\ frac \ {N _ \ {p}} \ {N _ \ {s}} \：\：= \：\：\ frac \ {V _ \ {p}} \ {V _ \ {s}} \：\ ：= \：\：N \：\：= \：\：Turns \：ratio

また、巻数比は、変圧器が昇圧変圧器か降圧変圧器かを示します。たとえば、巻数比が1：3の場合は変圧器が昇圧であり、3：1の場合は降圧変圧器であることを示します。

基本的な電子機器-トランスの種類

トランスの分類に関しては、使用されるコア、使用される巻線、使用の場所とタイプ、電圧レベルなどに応じて多くのタイプがあります。

単相および三相変圧器

使用する電源に応じて、変圧器は主に*単相*および*三相*変圧器に分類されます。

通常の変圧器は単相変圧器です。一次巻線と二次巻線があり、二次電圧を増減するように動作します。
三相変圧器の場合、3つの1次巻線が接続され、3つの2次巻線が接続されます。

単一の三相変圧器は、効率を良くするために、3つの単相変圧器よりも優先され、低コストでより少ないスペースを占有します。しかし、重機の輸送上の問題により、ほとんどの場合、単相変圧器が使用されます。

これらのトランスフォーマーの別の分類は、 Core および Shell タイプです。

*シェルタイプ*では、巻線はコアに囲まれた単一の脚に配置されます。
*コアタイプ*では、それらは異なる脚に巻かれています。

この違いは、次の図を見るとわかります。

単相三相変圧器

変圧器の分類は、使用するコア材料の種類に応じて行うこともできます。これらは実際には* RFトランスフォーマー*であり、空芯トランスフォーマー、*フェライトコアトランスフォーマー、*送電線トランスフォーマー、および*バラントランスフォーマーなど、多くのタイプが含まれています。バラントランスは、RF受信システムで使用されます。主なタイプは、空芯変圧器と鉄芯変圧器です。

空芯トランス

これは、巻線が非磁性ストリップに巻かれているコアタイプの変圧器です。磁束鎖交は、一次と二次の間の*コアとしての空気*を通して行われます。次の図は、空芯変圧器を示しています。

空芯変圧器

利点

これらの空芯変圧器では、ヒステリシスと渦電流損失が低くなっています。
ノイズの発生が少ない。

デメリット

空芯変圧器では抵抗が大きい。
鉄心変圧器と比較して、空芯の相互インダクタンスは低い。

アプリケーション

オーディオ周波数トランス。
高周波無線伝送。

鉄心変圧器

これは、巻線が鉄心に巻かれたコアタイプの変圧器です。磁束リンケージは、鉄をコア材料として使用することで強く完璧になります。これは実験室でよく見られます。下図は、鉄心変圧器の例を示しています。

鉄芯変圧器

利点

彼らは非常に高い透磁率を持っています。
鉄心変圧器の抵抗は低い。
相互インダクタンスが高い。
これらのトランスは非常に効率的です。

デメリット

これらは、空芯変圧器に比べて少しうるさいです。
ヒステリシス損失と渦電流損失は、空芯トランスよりも少し多くなります。

アプリケーション

絶縁トランスとして。
高周波無線伝送。

トランスは、使用するコアのタイプによっても分類されます。一部の変圧器は、油に浸されたコアを使用します。このオイルは、さまざまな方法で外部から冷却されます。このようなトランスフォーマーは「ウェットコアトランスフォーマー」と名付けられていますが、フェライトコアトランスフォーマー、ラミネートコアトランスフォーマー、トロイダルコアトランスフォーマー、キャスト樹脂トランスフォーマーなどは「ドライコアトランスフォーマー」です。

巻線技術のタイプに基づいて、*自動トランス*と呼ばれる非常に人気のある別のトランスがあります。

自動変圧器

これは主に電気研究所で見られる変圧器の一種です。この自動変圧器は、元の変圧器の改良版です。両側が電源とグランドに接続されている単一の巻線が使用されます。別の可変タッピングは、トランスの二次的な動きによって形成されます。

次の図は、自動変圧器の回路を示しています。

自動変圧器

図に示すように、1つの巻線がトランスの1次と2次の両方を提供します。二次側のさまざまな電圧レベルを選択するために、二次巻線のさまざまなタップが描かれます。

上記の1次巻線はAからC、2次巻線はBからCですが、可変アームBは必要な電圧レベルを得るために変化します。実用的な自動変圧器は、次の図のようになります。

実用的な自動変圧器

上記のシャフトを回転させることにより、二次電圧が異なる電圧レベルに調整されます。ポイントAとCの間に印加される電圧がV1の場合、この巻線の1ターンあたりの電圧は

Voltage \：per \：turn \：\：= \：\：\ frac \ {V _ \ {1}} \ {N _ \ {1}}

これで、ポイントBとC間の電圧は

$$ V _ \ {2} \：\：= \：\：\ frac \ {V _ \ {1}} \ {N _ \ {1}} \：\：\ times \：\：N _ \ {2} $ $

\ frac \ {V _ \ {2}} \ {V _ \ {1}} \：\：= \：\：\ frac \ {N _ \ {2}} \ {N _ \ {1}} \：\ ：= \：\：constant \ :( say \：K）

この定数は、自動変圧器の巻数比または電圧比に他なりません。

用途に基づいた変圧器

変圧器は、用途に応じて分類されています。これらの変圧器の多くは大きくてかさばります。それらのほとんどは、電気部門で使用されています。

電源トランス

電源トランスは、動作電圧が一般に定格200MVAを超える33KVを超える昇圧および降圧アプリケーションの両方の*高電力伝送アプリケーション*で使用されます。磁束密度は彼らにとってはるかに高いです。

積層コア変圧器、トロイダル変圧器、可変自動変圧器、多相変圧器、漏洩漏れ変圧器などの電力制御アプリケーションに使用されるすべての変圧器は、このカテゴリーに分類されます。

電源トランス

これらは通常、電力処理能力とその用途に応じてサイズが大きくなります。これらの変圧器は、三相または単相タイプで利用可能です。これらの変圧器はかさばるので、大きな空地に置かれます。これらのトランスは、全負荷のアプリケーションで100％の効率を提供する傾向があります。

利点

彼らは高い断熱レベルを持っています。
ノイズが少ない。
彼らは非常に効率的です。
高電力アプリケーションを処理するための高電圧定格のもの。

アプリケーション

発電システムで使用されます。
それらは、送信サブステーションで使用されます。

測定トランス

測定トランスは、高電圧および高電流の測定に使用されます。これらは、それらから回路を分離するのに最も役立ちます。通常、変圧器の一次側は電圧と電流の高い入力に接続され、変圧器の二次側は何らかの絶縁を提供する必要のあるリレーまたは回路に接続されます。

これらは主に2つのタイプ、*変流器*および*電圧変成器*です。それらのそれぞれを見てみましょう。

変流器

変流器は、一次回路の電流に比例した二次回路の電流を供給します。これらは、保護リレーおよび測定目的で使用されます。

1ターンの1次巻線は、絶縁されたトロイダルコアトランスに通されます。これは常に直列に接続されています。

変流器

二次巻線は、単一の出力を提供するように設計することも、異なる値に対して複数のタップを使用することもできます。電流が一次側に流れる間、二次巻線が低インピーダンスの負荷に接続されるように注意する必要があります。これは、トランスの精度を永久に損なう可能性のある、開回路の二次側での突然の高電圧を避けるためです。

変圧器

変圧器は、一次回路の電圧に比例した二次回路の電圧を提供します。これらのトランスフォーマーは、*潜在的なトランスフォーマー*とも呼ばれます。これらは回路に並列に接続されています。

このトランスの1次側には相間接続がありますが、2次側には1つの接地端子があります。下の図は、変圧器のイメージを示しています。

電圧トランス

変圧器には主に3つのタイプがあります。彼らです

電磁-磁束結合が良好な巻線トランスを使用します。
Capacitor -電位分割回路を備えたコンデンサを使用します。
光学-光学材料の電気特性を利用します。

変圧器は、保護リレーおよび測定目的で使用され、フェーザ位相シフト絶縁にも使用されます。

保護トランス

これらのトランスは、測定トランスよりも非常に正確です。これらは、高電圧および電流から回路を保護するためにのみ使用されるためです。これらの変圧器の一次側は高入力に接続され、変圧器の二次側は回路またはリレーを維持し、回路を損傷する可能性のある突然のスパイクまたはサージから隔離します。

配電変圧器

配電用変圧器は、エンドユーザーレベルでの電気エネルギーの配電に使用されます。動作電圧は、産業用には約33KV、家庭用には440v-220vです。これらは通常、200MVA未満です。

配電で使用される大型の三相自動変圧器と油冷変圧器もこのカテゴリに分類されます。次の図は、配電変圧器のイメージを示しています。

配電変圧器

これらの変圧器は、通常、電力変圧器に比べてサイズが小さくなります。これらの変圧器はオープンに配置されていますが、電力変圧器のように完全に負荷がかけられていません。

利点

彼らは小さいです。
インストールは簡単です。
これらのトランスは、磁気損失が低くなっています。

デメリット

これらのトランスは低効率です。
完全にロードされていません。

アプリケーション

それらは、住宅、農場、土地、鉄道、風力発電所などのさまざまな地域での配電に使用されます。

基本的な電子機器-トランス効率

トランスの一次側に電圧が誘導されると、一次側で発生した磁束が相互誘導により二次側に誘導され、二次側に電圧が発生します。この磁場の強さは、電流がゼロから$ \ mathbf \ {\ frac \ {d \ varphi} \ {dt}} $で与えられる最大値まで上昇すると増加します。

磁力線は二次巻線を通過します。二次巻線の巻き数によって、誘導される電圧が決まります。したがって、誘導される電圧の量は、

N \ frac \ {d \ varphi} \ {dt}

ここで、N =二次巻線の巻数

この誘導電圧の周波数は、一次電圧の周波数と同じです。磁気損失が大きい場合、出力電圧のピーク振幅が影響を受けます。

誘導EMF

誘導されたEMFとコイルのターン数との間にいくつかの関係を描いてみましょう。

ここで、一次コイルと二次コイルの両方がそれぞれ1ターンであると仮定します。 1ボルトが損失なしで1次側に1ターン印加されると（理想的な場合）、電流と発生する磁場が2次側に同じ1ボルトを誘導します。したがって、電圧は両側で同じです。

しかし、磁束は正弦的に変化するため、

\ phi \：\：= \：\：\ phi _ \ {max} \ sin \ omega t

誘導されたEMFとNターンのコイル巻線の基本的な関係は

EMF \：= \：turns \：\：\ times \：\：rate \：of \：change

E \：= \：N \ frac \ {d \ phi} \ {dt}

E \：= \：N \：\ times \：\ omega \：\ times \：\ phi _ \ {max} \：\ times \：\ cos（\ omega t）

E _ \ {max} \：= \：N \ omega \ phi _ \ {max}

E _ \ {rms} \：= \：\ frac \ {N \ omega} \ {\ sqrt \ {2}} \：\ times \：\ phi _ \ {max} \：= \：\ frac \ { 2 \ pi} \ {\ sqrt \ {2}} \：\ times \：f \：\ times \：N \：\ times \：\ phi _ \ {max}

E _ \ {rms} \：= \：4.44 \：f \：N \：\ phi _ \ {max}

どこで

f =ヘルツ単位の磁束周波数= $ \ frac \ {\ omega} \ {2 \ pi} $

N =コイルの巻き数

∅=ウェーバーの磁束密度

これは Transformer EMF Equation として知られています。

交流磁束は二次コイルに電流を生成し、この交流磁束は交流電圧によって生成されるため、交流電流のみが変圧器の動作に役立つと言えます。したがって、トランスはDCでは動作しません。

トランスフォーマーの損失

どのデバイスでも、実際のアプリケーションではほとんど損失がありません。トランスで発生する主な損失は、銅損、コア損失、磁束漏れです。

銅損

銅損は、変圧器の巻線を流れる電流によって生成される熱によるエネルギーの損失です。これらは、「* I ^ 2 ^ R損失*」または「Iの2乗R損失」とも呼ばれます。1秒あたりのエネルギー損失は、巻線を流れる電流の2乗とともに増加し、巻線の電気抵抗に比例するためです。

これは、式で次のように記述できます。

I _ \ {P} R _ \ {P} \：+ \：I _ \ {S} R _ \ {S}

どこで

I〜P〜 =一次電流
R〜P〜 =一次抵抗
I〜S〜 =二次電流
R〜S〜 =二次抵抗

コアロス

コア損失は、*鉄損*とも呼ばれます。これらの損失は、使用されるコア材料に依存します。それらは2つのタイプ、すなわち*ヒステリシス*と*渦電流損失*です。

ヒステリシス損失-磁束の形で誘導されたACは、誘導されたAC電圧に応じて変動（上昇や下降など）し、方向を反転させ続けます。これらのランダムな変動により、一部のエネルギーがコアで失われます。このような損失は*ヒステリシス損失*と呼ばれます。
渦電流損失-このプロセス全体が進行している間、継続的に循環するいくつかの電流がコアに誘導されます。これらの電流は、「渦電流損失」と呼ばれる損失を発生させます。実際、変化する磁場は、二次巻線にのみ電流を誘導することになっています。しかし、それは近くの導電性材料にも電圧を誘導し、このエネルギーの損失をもたらします。
磁束漏れ-磁束結合は必要な電圧を生成するのに十分強力ですが、実際のアプリケーションでは漏れる磁束があり、エネルギー損失につながります。これは低いですが、この損失は、高エネルギー用途に関しては数え切れません。

トランスの力

損失のない理想的な変圧器を検討すると、電圧 V に電流 I を掛けた積が一定になるため、変圧器の電力は一定になります。

トランスがそれを処理するため、1次側の電力は2次側の電力と等しいと言えます。トランスが電圧を上げると電流が減少し、電圧が下がると電流が増加して出力電力を一定に保ちます。

したがって、一次電力は二次電力に等しくなります。

P _ \ {Primary} \：= \：P _ \ {Secondary}

V _ \ {P} I _ \ {P} \ cos \ phi _ \ {P} \：= \：V _ \ {S} I _ \ {S} \ cos \ phi _ \ {S}

ここで、∅〜P〜 = 1次位相角および*∅〜S〜* = 2次位相角。

トランスの効率

トランスの電力損失の量または強度によって、トランスの効率が決まります。効率は、トランスの一次と二次の間の電力損失の観点から理解できます。

したがって、二次巻線の電力出力と一次巻線の電力入力の比は、*トランスの効率*として表されます。これは次のように書くことができます

Efficiency \：= \：\ frac \ {Power \：output} \ {Power \：input} \：\ times \：100 \％

通常、効率は*η*で示されます。上記の式は、損失がなく、入力の全エネルギーが出力に伝達される理想的なトランスに有効です。

したがって、損失を考慮し、実際の条件で効率を計算する場合、以下の式を考慮する必要があります。

Efficiency \：= \：\ frac \ {Power \：output} \ {Power \：output \：+ \：Copper \：losses \：+ \：Core \：losses} \：\ times \：100 \ ％

それ以外の場合は、次のように書くこともできます

Efficiency \：= \：\ frac \ {Power \：input \：-\：Losses} \ {Power \：input} \：\ times \：100

1 \：-\：\ frac \ {Losses} \ {Input \：Power} \：\ times \：100

入力、出力、および損失はすべて電力、つまりワットで表されることに注意してください。

例

入力電力が12KWで、定格電流が0.425ohmsの電流が62.5アンペアの変圧器を考えてみましょう。トランスの効率を計算します。

ソリューション-

与えられたデータ

入力電力= 12KW
定格電流= 62.5アンペア
等価抵抗= 0.425オーム

損失の計算-

定格電流での銅損はI ^ 2 ^ R =（62.5）^ 2 ^（0.425）= 1660Wです

我々は持っています

Efficiency \：= \：\ frac \ {Power \：input \：-\：Losses} \ {Power \：input} \：\ times \：100

したがって、

\ eta \：= \：\ frac \ {12000 \：-\：1660} \ {12000} \：\ times \：100

\ eta \：= \：\ frac \ {10340} \ {12000} \：\ times \：100

\ eta \：= \：0.861 \：\ times \：100 \：= \：86 \％

したがって、トランスの効率は86％です。

ベーシックエレクトロニクス-ダイオード

さまざまなコンポーネントについて知った後、*ダイオード*として知られる、エレクトロニクスの分野における別の重要なコンポーネントに注目しましょう。半導体ダイオードは、PN接合を備えた2端子電子部品です。これは、*整流器*とも呼ばれます。

ダイオード記号

ダイオードの*正極*である*アノード*は A で表され、負極*である*カソード*は *K で表されます。実際のダイオードのアノードとカソードを知るために、ダイオードには細い線が引かれています。これはカソードを意味し、もう一方の端はアノードを表しています。

ダイオード端子

P型とN型の半導体、およびそれらのキャリアの動作について既に説明したように、これらの材料を結合して何が起こるかを見てみましょう。

ダイオードの形成

P型とN型の材料を互いに近づけると、下図に示すように、両方が結合して接合を形成します。

ダイオード形成

Pタイプの材料には、*多数*のキャリア*として*穴があり、Nタイプの材料には*多数のキャリア*として*電子*があります。反対の電荷が引き付けられると、P型の正孔はn側に移動する傾向が少なくなりますが、N型の電子はほとんどP側に移動しません。

両方が接合部に向かって移動すると、正孔と電子が互いに再結合して中和し、イオンを形成します。さて、この接合部には、図に示すようにPN接合または接合障壁と呼ばれる正と負のイオンが形成される領域が存在します。

ダイオード材料

P側に負イオン、N側に正イオンが形成されると、PN接合の両側に狭い帯電領域が形成されます。この領域には現在、可動電荷キャリアがありません。ここに存在するイオンは固定されており、電荷キャリアなしでそれらの間の空間領域を維持しています。

この領域はPタイプとNタイプの材料間のバリアとして機能するため、これは*バリアジャンクション*とも呼ばれます。これには Depletion region と呼ばれる別の名前があり、両方の領域を使い果たすことを意味します。接合部を通過する正孔と電子のさらなる移動を妨げるため、「ポテンシャル障壁」と呼ばれる接合部でのイオンの形成による電位差VDが発生します。

ダイオードのバイアス

ダイオードまたは2端子コンポーネントが回路に接続されている場合、所定の電源で2つのバイアス状態が発生します。それらは Forward biased 状態と Reverse biased 状態です。それらについて詳しく教えてください。

順方向バイアス状態

回路内でダイオードを接続し、そのアノードを電源のプラス端子に接続し、カソードをマイナス端子に接続すると、そのような接続は「順方向バイアス」状態と呼ばれます。この種の接続により、回路はますます順方向にバイアスされ、伝導が促進されます。ダイオードは順バイアス状態で良好に伝導します。

逆バイアス状態

回路内でダイオードを接続し、そのアノードを電源のマイナス端子に、カソードをプラス端子に接続すると、そのような接続は「逆バイアス」状態と呼ばれます。この種の接続により、回路はますます逆バイアスされ、導通を最小限に抑え、防止するのに役立ちます。ダイオードは逆バイアス状態では導通できません。

逆バイアス条件

次に、ダイオードが順方向および逆方向に接続された場合に何が起こるかを調べてみましょう。

Forward Biasedでの作業

外部電圧がダイオードに印加されると、電位障壁が解消され、電流が流れるようになります。これを「順バイアス」と呼びます。陽極と陰極をそれぞれ正と負の端子に接続すると、P型のホールとN型の電子が接合部を横切って移動する傾向があり、障壁が壊れます。これにより、電流の自由な流れが存在し、障壁がほとんどなくなります。

Forward Biased

正端子から正孔へ、および負端子から電子への反発力により、接合部で再結合が起こります。供給電圧は、障壁を通過する電子と正孔の移動を強制し、障壁を通過して*順方向電流*を提供するほど高い必要があります。

順方向電流は、順方向バイアス状態で動作するときにダイオードによって生成される電流であり、* I〜f〜*で示されます。

逆バイアスでの作業

外部電圧がダイオードに印加され、電位障壁が増加し、電流の流れが制限される場合、*逆バイアス*と呼ばれます。陽極と陰極がそれぞれ負と正の端子に接続されている場合、電子は正の端子に引き付けられ、正孔は負の端子に引き付けられます。したがって、両方が電位障壁から離れ、*接合抵抗が増加*し、電子が接合を横断するのを防ぎます。

次の図はこれを説明しています。フィールドが適用されていない場合と外部フィールドが適用されている場合の伝導のグラフも描画されます。

逆バイアス

逆バイアスが増加すると、接合部には接合部を通過する少数キャリアがほとんどありません。通常、この電流は無視できます。温度が一定の場合、この逆電流はほぼ一定です。しかし、この逆電圧がさらに増加すると、「逆ブレークダウン」と呼ばれるポイントが発生します。このポイントでは、雪崩が接合部を流れます。この高い逆電流はデバイスに損傷を与えます。

逆電流*は、逆バイアス状態で動作するときにダイオードによって生成される電流であり、 I〜r〜*で示されます。したがって、ダイオードは逆バイアス状態で高抵抗経路を提供し、導通しません。ここで、ダイオードは順バイアス状態で低抵抗経路を提供して導通します。したがって、ダイオードは、順バイアスで伝導し、逆バイアスで絶縁体として機能する一方向デバイスであると結論付けることができます。この動作により、ACをDCに変換する整流器として機能します。

ピーク逆電圧

ピーク逆電圧は、すぐに PIV と呼ばれます。逆バイアスで印加される最大電圧を示します。ピーク逆電圧は、「ダイオードが破壊されることなく耐えることができる最大逆電圧」として定義できます。したがって、この電圧は逆バイアス状態で考慮されます。逆バイアスでダイオードを安全に動作させる方法を示しています。

ダイオードの目的

ダイオードは、一方向の電流の流れをブロックするために使用されます。順方向に、逆方向にブロックします。このダイオードの原理により、ダイオードは*整流器*として機能します。

ある方向には電流を流し、他の方向には電流を止める回路には、整流ダイオードが最適です。したがって、出力*は *DC になり、ACコンポーネントが削除されます。半波整流器や全波整流器などの回路は、ダイオードを使用して作成されます。これは、*電子回路*チュートリアルで学習できます。

ダイオードは*スイッチ*としても使用されます。速いレートで発生する出力のオンとオフを高速化するのに役立ちます。

V-Iダイオードの特性

PN接合ダイオードの実用的な回路構成は、次の図に示すとおりです。電流計は直列に接続され、電圧計は並列に接続され、電源は可変抵抗器を介して制御されます。

VIダイオード

動作中、ダイオードが特定の電圧で順方向にバイアスされた状態にある場合、電位障壁はなくなります。このような電圧は、*カットオフ電圧*または*ニー電圧*と呼ばれます。順方向電圧が制限を超えた場合、順方向電流は指数関数的に上昇し、これをさらに行うと、過熱によりデバイスが損傷します。

次のグラフは、順方向および逆方向バイアス条件でのダイオードの導通状態を示しています。

逆電流

逆バイアスの間、少数キャリアを介して生成される電流は「逆電流」として知られています。逆電圧が増加すると、この逆電流が増加し、ある点で突然破壊され、接合部が永久的に破壊されます。

ベーシックエレクトロニクス-ジャンクションダイオード

使用される周波数、動作と構造、アプリケーションなどの多くの要因に応じて、多くのタイプのダイオードがあります。それらのいくつかを見てみましょう。

接合ダイオード

接合ダイオードは通常のPN接合ダイオードですが、構造が異なります。次の図に示すように、接合ダイオードには3つのタイプがあります。

ジャンクションダイオード

整流ダイオード

これらのダイオードは通常のPN接合ダイオードで、電流は一方向のみに流れ、他の方向で停止します。これらのダイオードは、交流電流を直流電流に変換する整流回路で使用されます。

整流ダイオード

上の図では、金属突起のある同じ整流器ダイオードを見ることができます。これは、ダイオードに影響を与える可能性のある熱分布を最小限に抑えるためにダイオードに追加されます。このような金属の突起は、*ヒートシンク*と呼ばれます。これらはダイオードの性能の向上に役立ち、ダイオードは影響を受けることなく高電力に耐えることができます。

これらのダイオードを使用する*半波整流器*および*全波整流器*のような回路があります。これらの回路については、電子回路のチュートリアルで説明しています。これらの整流回路は、多くの回路の電源セクションで使用されており、その回路アプリケーションでは交流入力電流を直流に変換する必要があります。

ツェナーダイオード

これは、順方向だけでなく逆方向にも電流を流すことができる特別な種類のダイオードです。通常のダイオードは、逆バイアスで動作しているときに、特定の値を超える逆電流が流れると損傷します。この「特定の値」は、「ブレークダウン電圧」と呼ばれます。

ツェナーダイオードのブレークダウン電圧は非常に低いです。ただし、このダイオードは、このブレークダウン電圧を超えると、逆電流を流すことができます。そのブレークダウン電圧は、*ツェナー電圧*と呼ばれます。したがって、ツェナー電圧を超える逆電流がツェナーダイオードを通過するときにダイオードを損傷しない制御されたブレークダウンがあります。

ツェナーダイオード

逆バイアスのツェナーダイオードは、制御されたブレークダウン電圧を示し、電流がそのツェナーダイオードの両端の電圧値をツェナーブレークダウン電圧値に近づけるようにします。ツェナー降伏電圧のこの値により、特定のアプリケーション向けにツェナーダイオードを選択できます。

アバランシェダイオード*は、ツェナーダイオードと同様の特性を持つ別のダイオードです。電圧降下が一定で電流に依存しない場合、アバランシェ降伏はPN接合全体で起こります。このアバランシェダイオードは、光検出に使用されます。

ツェナーダイオードのV-I特性

ツェナーダイオードのV-I特性は、順方向バイアスで動作する場合、どのダイオードでも共通です。ただし、ツェナーダイオードの逆バイアス動作を考慮することは非常に重要です。グラフを見てみましょう。

アバランシェダイオード

逆バイアス動作で曲がりが見られるポイントは、ツェナー降伏電圧*です。その後、ダイオードは大きな逆電流を流します。このツェナー電圧は V〜Z〜*で示されます。この信じられないほどの品質のツェナーダイオードは、それを最も信頼性の高いものにし、多くのアプリケーションも持っています。

ツェナーダイオードの用途

このダイオードには、次のような多くの用途があります-

主に電圧レギュレータとして使用されます。
トランジスタバイアス回路に固定基準電圧を提供します。
波形整形回路のピーククリッピングまたは制限用。
多くの回路のサージ保護装置として。
偶発的なアプリケーションによる損傷からのメーター保護用。

スイッチングダイオード

これは、スイッチング用に特に設計された通常のシングルPN接合ダイオードです。このダイオードは、代わりに使用できる高抵抗と低抵抗の2つの状態を明確に示すことができます。

スイッチングダイオード

このダイオードの接合容量は、他の影響を最小限に抑えるために非常に低くされています。スイッチング速度は非常に高速になります。ダイオードの抵抗が高い場合、スイッチは開いたスイッチとして機能し、抵抗が低いときは閉じたスイッチとして機能します。この遷移は、通常のスイッチングダイオードよりもスイッチングダイオードで高速に発生します。

スイッチングダイオードの用途

これらのような多くのアプリケーションがあります-

高速整流回路で使用
リング変調器で使用
無線周波数受信機で使用
逆極性プロテクターとして使用
汎用および高速スイッチングアプリケーションの両方に使用

ベーシックエレクトロニクス-特殊用途ダイオード

いくつかの特別な目的に役立つように設計されたダイオードはほとんどありません。過渡電圧抑制ダイオード、金ドープダイオード、スーパーバリアダイオード、ポイントコンタクトダイオード、ペルチェダイオードなど、このような種類が多数あります。しかし、これら以外にも、著名なダイオードはほとんどなく、多くの用途があります。それらを見ていきましょう。

バラクターダイオード

接合ダイオードは、空乏領域が誘電体として機能できる両側に2つの電位を持っています。したがって、静電容量が存在します。バラクターダイオードは、接合容量が変化する逆バイアスで動作する特殊なケースのダイオードです。

バラクターダイオードは、 Vari Cap または Volt Cap とも呼ばれます。次の図は、逆バイアスで接続されたバラクタダイオードを示しています。

バラクターダイオード

印加される逆電圧が増加すると、誘電体領域の*幅*が*増加*し、*接合容量*が*減少*します。逆電圧が減少すると、誘電体の幅が減少し、静電容量が増加します。この逆電圧が完全にゼロの場合、*キャパシタンス*は*最大*になります。

静電容量電圧

次の図は、その機能を表すバラクターダイオードに使用されるさまざまな記号を示しています。

バラクターダイオード記号

すべてのダイオードにはこの接合容量がありますが、バラクターダイオードは主にこの効果を利用してこの接合容量の変動を大きくするために製造されています。

実用的なバラクターダイオード

バラクターダイオードの用途

このダイオードには、次のような多くの用途があります-

電圧可変コンデンサとして使用されます。
可変LCタンク回路で使用されます。
自動周波数制御として使用されます。
周波数変調器として使用されます。
RF位相シフターとして使用されます。
ローカル発振器回路の周波数逓倍器として使用されます。

トンネルダイオード

通常のPN接合の不純物濃度が大幅に増加すると、この*トンネルダイオード*が形成されます。発明者にちなんで*江崎ダイオード*としても知られています。

ダイオードの不純物濃度が増加すると、空乏領域の幅が減少し、電荷キャリアに余分な力が加わり、接合部を通過します。空乏領域の幅が狭くなり、電荷キャリアのエネルギーが増加するため、この濃度がさらに増加すると、ポテンシャル障壁を乗り越えずにポテンシャル障壁を貫通します。この浸透は、*トンネル*と理解されるため、*トンネルダイオード*という名前になります。

トンネルダイオード

トンネルダイオードは低電力デバイスであり、熱や静電気の影響を受けやすいため、取り扱いには注意が必要です。トンネルダイオードには、その動作を説明する特定のV-I特性があります。下のグラフを見てみましょう。

VIトンネルダイオード

ダイオードが*順方向バイアス状態*にあると考えてください。順方向電圧が増加すると、電流は急速に増加し、ピーク電流*と呼ばれる I〜P〜で示されるピーク点まで増加します。この時点での電圧は、*ピーク電圧*と呼ばれ、 V〜P〜で示されます。この点は、上のグラフの *A で示されています。

電圧が* V〜P〜を超えてさらに増加すると、電流は減少し始めます。 * I〜V〜*で示される *Valley Current と呼ばれるポイントまで減少します。この時点の電圧は Valley Voltage と呼ばれ、* V〜V〜で示されます。この点は、上のグラフの *B で示されています。

さらに電圧を上げると、通常のダイオードのように電流が増えます。順方向電圧の値が大きくなると、電流はさらに大きくなります。

ダイオードが*逆バイアス状態*にあると考えると、ダイオードは逆電圧が増加すると優れた導体として機能します。ここでのダイオードは、負性抵抗領域のように機能します。

トンネルダイオードの用途

次のようなトンネルダイオードには多くのアプリケーションがあります-

高速スイッチングデバイスとして使用
メモリストレージデバイスとして使用
マイクロ波発振器で使用
リラクゼーションオシレーターで使用

ショットキーダイオード

これは、PN接合が金属半導体接合に置き換えられた特殊なタイプのダイオードです。通常のPN接合ダイオードのP型半導体は金属に置き換えられ、N型材料は金属に接合されます。この組み合わせには、それらの間に空乏領域がありません。次の図は、ショットキーダイオードとその記号を示しています。

ショットキーダイオード

このショットキーダイオードで使用される金属は、金、銀、プラチナ、タングステンなどです。同様に、シリコン以外の半導体材料では、ヒ化ガリウムが主に使用されます。

画像ショットキーダイオード

操作

電圧が印加されていない場合、または回路にバイアスがかかっていない場合、N型材料の電子のエネルギーレベルは金属の電子よりも低くなります。ダイオードに順方向バイアスがかかると、N型のこれらの電子はエネルギーを獲得し、より高いエネルギーで移動します。したがって、これらの電子は*ホットキャリア*と呼ばれます。

次の図は、回路に接続されたショットキーダイオードを示しています。

操作

利点

次のようなショットキーダイオードには多くの利点があります-

ユニポーラデバイスであるため、逆電流は発生しません。
その順抵抗は低いです。
電圧降下は非常に低いです。
ショットキーダイオードを使用すると、整流が高速かつ簡単になります。
空乏領域は存在しないため、接合容量はありません。そのため、ダイオードはすぐにオフの位置になります。

アプリケーション

などのショットキーダイオードの多くのアプリケーションがあります-

検出ダイオードとして使用
電力整流器として使用
RFミキサー回路で使用
電源回路で使用
クランプダイオードとして使用

ベーシックエレクトロニクス-オプトエレクトロニクスダイオード

これらは、光で動作するダイオードです。「オプト」という言葉は、*光*を意味します。光の強度に応じて伝導するタイプと、伝導が光を伝達する他のタイプがあります。各タイプには独自のアプリケーションがあります。これらの中の顕著なタイプについて議論しましょう。

一部のダイオードは、光の強度に応じて導通します。このカテゴリには、主に2つのタイプのダイオードがあります。それらはフォトダイオードと太陽電池です。

フォトダイオード

フォトダイオードは、その名が示すとおり、光で動作するPN接合です。光の強度は、このダイオードの伝導レベルに影響します。フォトダイオードには、P型材料とN型材料があり、その間に*固有の*材料または*空乏領域*があります。

このダイオードは通常、「逆バイアス」状態で動作します。空乏領域に焦点を当てると、光と電子のペアが形成され、電子の流れが発生します。この電子の伝導は、集光される光の強度に依存します。下の図は、実用的なフォトダイオードを示しています。

フォトダイオード

下の図は、フォトダイオードの記号を示しています。

フォトダイオードシンボル

ダイオードが逆バイアスで接続されている場合、熱的に生成された電子ホールペアにより小さな逆飽和電流が流れます。少数キャリアにより逆バイアスの電流が流れると、出力電圧はこの逆電流に依存します。接合部に焦点を合わせる光強度が増加すると、少数キャリアによる電流フローが増加します。次の図は、フォトダイオードの基本的なバイアス配置を示しています。

フォトダイオードバイアス

フォトダイオードはガラスパッケージにカプセル化されており、光が入射します。ダイオードの空乏領域に正確に光の焦点を合わせるために、ちょうど上に示されているように、接合部の上にレンズが置かれます。

光がなくても、*暗電流*と呼ばれる少量の電流が流れます。照明レベルを変更することにより、逆電流を変更できます。

フォトダイオードの利点

フォトダイオードには、次のような多くの利点があります-

低ノイズ
高ゲイン
高速運転
光に対する高感度
低価格
小さいサイズ
長い寿命

フォトダイオードの用途

次のようなフォトダイオードには多くのアプリケーションがあります-

文字検出
オブジェクトを検出できます（可視または不可視）。
高い安定性と速度を必要とする回路で使用されます。
復調に使用
スイッチング回路で使用
エンコーダーで使用
光通信機器に使用

この種の別のダイオードは太陽電池です。ダイオードですが、セルと呼ばれます。詳細を見てみましょう。

太陽電池

光依存ダイオードには、通常のPN接合ダイオードである太陽電池が含まれますが、電子の流れに変換される光子のラッシュによる伝導があります。これはフォトダイオードに似ていますが、最大入射光をエネルギーに変換して保存するというもう1つの目的があります。

下の図は、太陽電池のシンボルを表しています。

太陽電池

太陽電池には、ダイオードですが、エネルギーの蓄積を示す名前と記号があります。より多くのエネルギーを抽出して保存する機能は、太陽電池に集中しています。

太陽電池の構築

削除領域に固有の材料を含むPN接合ダイオードは、ガラスに封入されます。最小の抵抗で最大の光を収集するために、上部の薄いガラスで可能な限り最大の領域に光を入射させます。

次の図は、太陽電池の構造を示しています。

太陽電池の構築

光が太陽電池に入射すると、光の光子は価電子と衝突します。電子にエネルギーが与えられ、親原子が残ります。したがって、電子の流れが生成され、この電流は太陽電池に焦点を合わせた光の強度に正比例します。この現象は、*光起電力効果*と呼ばれます。

次の図は、太陽電池の外観と、複数の太陽電池を組み合わせて太陽電池パネルを形成する方法を示しています。

ソーラーパネル

フォトダイオードと太陽電池の違い

フォトダイオードは、出力でより多くの電力を供給するのではなく、より高速に動作し、スイッチングに集中します。このため、静電容量値が低くなっています。また、光エネルギーの入射面積は、用途に応じてフォトダイオードの方が小さくなります。

太陽電池は、高出力エネルギーの供給とエネルギーの貯蔵に集中しています。これには*高静電容量*値があります。動作は、フォトダイオードよりも少し遅くなります。太陽電池の目的に応じて、光の入射面積はフォトダイオードよりも大きくなります。

太陽電池の用途

太陽電池には多くの用途があります-

科学技術

衛星用ソーラーパネルで使用
テレメトリーで使用
リモート照明システムなどで使用されます

商用利用

蓄電用ソーラーパネルに使用
ポータブル電源などで使用されます
太陽エネルギーを使用した調理や暖房などの家庭での使用に使用

電子

時計
電卓
電子玩具など

一部のダイオードは、印加電圧に応じて発光します。このカテゴリには、主に2つのタイプのダイオードがあります。それらはLEDとレーザーダイオードです。

LED（発光ダイオード）

これは私たちの日常生活で使用される最も人気のあるダイオードです。これは、シリコンとゲルマニウムの代わりに、ヒ化ガリウム、リン化ヒ化ガリウムなどの材料がその構造に使用されることを除いて、通常のPN接合ダイオードでもあります。

下の図は、発光ダイオードのシンボルを示しています。

LED

通常のPN接合ダイオードと同様に、これはダイオードが導通するように順バイアス状態で接続されます。伝導帯の自由電子が価電子帯の正孔と結合すると、LEDで伝導が起こります。再結合のこのプロセスは、*光*を発します。このプロセスは*エレクトロルミネセンス*と呼ばれます。放射される光の色は、エネルギーバンド間のギャップに依存します。

使用される材料は、ガリウムヒ素リンが赤または黄色のいずれかを放出し、リン化ガリウムが赤または緑のいずれかを放出し、硝酸ガリウムが青色の光を放出するなどの色にも影響します。一方、ヒ化ガリウムは赤外線を放射します。非可視赤外線のLEDは、主にリモートコントロールで使用されます。

次の図は、さまざまな色の実用的なLEDがどのように見えるかを示しています。

LED

上の図のLEDには平らな側面と湾曲した側面があり、平らな側面のリードは他のリードよりも短くされており、短い方が*カソード*またはマイナス端子で、もう一方が*アノード*であることを示していますまたは正端子。

LEDの基本構造は下図のとおりです。

LED構造

上図に示すように、電子が正孔に飛び込むと、エネルギーは光の形で自然に散逸します。 LEDは電流依存デバイスです。出力光の強度は、ダイオードを流れる電流に依存します。

LEDの利点

などのLEDの多くの利点があります-

高効率
高速
高信頼性
低熱放散
より長い寿命
低価格
簡単に制御およびプログラム可能
高レベルの輝度と強度
低電圧および低電流要件
少ない配線が必要
低メンテナンスコスト
紫外線なし
インスタント照明効果

LEDの用途

などのLEDには多くのアプリケーションがあります-

ディスプレイ

特に7セグメント表示に使用
デジタル時計
電子レンジ
交通信号
鉄道および公共の場所の表示板
Toys

電子機器

ステレオチューナー
電卓
DC電源
アンプのオン/オフインジケーター
電源インジケータ

商用利用

赤外線読み取り機
バーコードリーダー
ソリッドステートビデオディスプレイ

光通信

光スイッチング用途
手動ヘルプが利用できない光結合の場合
FOCを介した情報転送
イメージセンシング回路
防犯アラーム
鉄道信号技術で *ドアおよびその他のセキュリティ制御システム

LEDに多くの利点と用途があるように、レーザーダイオードと呼ばれるもう1つの重要なダイオードがあります。これには多くの高度な機能と将来の可能性があります。レーザーダイオードについて議論しましょう。

レーザーダイオード

レーザーダイオードは、その種類の別の人気のダイオードです。これは、光を放出するが刺激されたプロセスを伴う光ダイオードです。* LASER という名前は、 L ight A 'S による増幅 E'''''''***放射の増幅を意味します。

レーザーダイオード

誘導放出

これは、PN接合ダイオードで、光線が入射すると動作が開始されます。光線では、光子が原子に入射すると、原子が励起され、*高エネルギーレベル*と呼ばれる上限レベルに到達します。

原子は、高エネルギーレベルから*低エネルギーレベル*にシフトすると、* 2つの光子*を放出します。これは、入射光子と*特性*が似ており、同じ位相*にあります。このプロセスは、*刺激放出*と呼ばれます。原子は、通常、この励起状態で 10 ^ -8 ^秒*の間滞在できます。

したがって、上記のプロセスはレーザーダイオードの原理を設定します。

レーザーダイオードの原理

光子が原子に入射するたびに、その原子はより低いエネルギー状態からより高いエネルギー状態に励起され、このプロセスで2つの光子が放出されます。実際、原子は通常、この励起状態で 10 ^ -8 ^ 秒の間滞在できます。したがって、増幅を達成するために、この励起されたプロセス中に、原子は Meta Stable State と呼ばれる別の状態に置かれます。これは、より高いエネルギーレベルより低く、より低いエネルギーレベルです。

原子は 10 ^ -3 ^ 秒間、このメタ安定状態にとどまることができます。原子がこれからより低い状態になると、2つの光子が放出されます。光子が原子に衝突する前に、より多くの原子が励起状態にある場合、*レーザー効果*が得られます。

レーザーダイオードの原理

このプロセスでは、2つの用語を理解する必要があります。低エネルギー状態または基底状態よりも多くの原子を準安定状態に持つことを、 Population inversion と呼びます。次に、原子が低エネルギー状態から高エネルギー状態に送られて反転分布が得られるエネルギーは、「ポンピング」と呼ばれます。これは*光ポンピング*です。

実用的なレーザーダイオード

利点

などのレーザーダイオードの多くの利点があります-

レーザーダイオードで使用される電力ははるかに少ない
より高いON/OFFスイッチング速度
よりコンパクト
より安価な
彼らはレーザー発生器よりも安いです
感電の可能性が低い

デメリット

などのレーザーダイオードの欠点はほとんどありません-

より発散する光線、したがって品質はそれほど良くない
それらの寿命はLEDに比べて短いです。
不安定な電源装置の間に損傷しやすい

アプリケーション

などのレーザーダイオードの多くのアプリケーションがあります-

ポンプレーザーおよびシードレーザーとして使用
光データストレージデバイスで使用
レーザープリンターおよびレーザーファックス機で使用
レーザーポインターで使用
バーコードリーダーで使用
DVDおよびCDドライブで使用されます
HD DVDおよびBLU RAYテクノロジーで使用
熱処理、クラッディング、シーム溶接など、多くの産業目的を持っています。
データのリンクや送信などの通信技術で多くの用途があります。

これらすべてを検討した後、いくつかの用語を理解してみましょう。

成分

コンポーネントは、電子機器の個々の基本要素です。
それらは、構造に関して異なる特性を持っています。
すべてのコンポーネントには異なるアプリケーションがあります。
```
*Ex* -抵抗、コンデンサ、ダイオードなど
```

回路

サーキットはさまざまなコンポーネントのネットワークです
回路内のコンポーネントはすべて、意図された目的に耐えます。
回路をアクティブにする必要がある場合は、電源を含める必要があります。
```
*Ex* -クリッパーおよびクランパー回路、アンプ回路、リレー回路など
```

デバイス

デバイスは、さまざまな回路で構成されている機器です。
デバイス内のすべての回路は、その目的を果たすために機能するのに役立ちます。
デバイスは、信号の測定、信号の生成、結果の制御、または回路の保護などに使用できます。
```
*Ex* -CRO、関数発生器など
```

ソリッドステートデバイス

以前は、熱電子原理で動作し、内部が真空で満たされた真空管を使用していました。現在のコンポーネントよりもサイズが大きかった。これらの真空管は、*ソリッドステートデバイス*とも呼ばれる半導体デバイスに置き換えられました。

アクティブデバイス

電流の流れを制御できるデバイス（または正確にコンポーネント）は、アクティブデバイスと呼ばれます。

導通するには入力電源が必要です。
これらのコンポーネントの動作は、回路の動作を定義します。
```
*Ex* -真空管、ダイオード、トランジスタ、SCR
```

パッシブデバイス

電流の流れを制御できないデバイス（正確にはコンポーネント）は、パッシブデバイスと呼ばれます。

動作するために入力電源を必要としません。
これらのコンポーネントの動作により、回路の動作がわずかに変わります。
```
*Ex* -抵抗、コンデンサ、インダクタなど
```

ドーピング

電子を追加するか、正孔を作成して半導体材料の特性を変更するプロセスは、正または負にすることで*ドーピング*と理解できます。

ダイオードのアプリケーションには、電子回路のチュートリアルで説明するクリッパーおよびクランパー回路から始まる多くの回路が含まれます。

ベーシックエレクトロニクス-トランジスタ

単一のPN接合であるダイオードの動作について十分な知識を得た後、2つのPN接合を接続して Transistor と呼ばれる新しいコンポーネントを作成してみましょう。 *トランジスタ*は、電流または電圧の流れを調整し、信号のスイッチまたはゲートとして機能する3端子半導体デバイスです。

トランジスタが必要な理由

必要な信号を取得するFMレシーバーがあるとします。受信した信号は、旅行中に直面する妨害のために明らかに弱いでしょう。この信号がそのまま読み取られた場合、公正な出力を取得できません。したがって、信号を増幅する必要があります。 *増幅*は、信号強度を増加させることを意味します。

これは単なるインスタンスです。信号強度を上げる必要がある場合は、どこでも増幅が必要です。これはトランジスタによって行われます。トランジスタは、利用可能なオプションから選択するための*スイッチ*としても機能します。また、信号の入力*電流と電圧*を*調整*します。

トランジスタの構造の詳細

トランジスタは、2つのダイオードを背中合わせに接続することにより形成される3端子ソリッドステートデバイスです。したがって、* 2つのPNジャンクション*があります。 3つの半導体材料から3つの端子が引き出されます。このタイプの接続には、2種類のトランジスタがあります。それらは PNP と NPN であり、これは2つのPtype間のNタイプ材料を意味し、もう1つは2つのNタイプ間のPタイプ材料です。

トランジスタの構造は、上記の考え方を説明する次の図に示すとおりです。

トランジスタの構築

トランジスタから引き出された3つの端子は、エミッタ、ベース、コレクタの端子を示しています。以下に説明する機能を備えています。

エミッタ

上記の構造の左側は、*エミッタ*として理解できます。
これは*中程度のサイズ*であり、*主要な機能が*多数*キャリアを*供給する*ため、*重くドープ*されています。電子または正孔。
これは電子を放出するため、エミッターと呼ばれます。
これは、単に文字 E で示されます。

Base

上の図の中央の素材は*ベース*です。
これは thin および lightlydoped です。
その主な機能は、エミッターからコレクターに多数キャリアを「渡す」ことです。
これは、文字 B で示されます。

コレクタ

上の図の右側の資料は、「コレクター」として理解できます。
その名前は、キャリアを収集する*機能を意味します。 *これは、エミッタとベースよりもサイズが少し大きくなります。 適度にドープされています*。
これは、文字 C で示されます。

PNPおよびNPNトランジスタの記号は以下のとおりです。

トランジスタのシンボル

上の図の「矢印」は、トランジスタの「エミッタ」を示しています。トランジスタのコレクタはより大きな電力を消費する必要があるため、大きくします。エミッターとコレクターの特定の機能により、それらは*互換性がありません*。したがって、トランジスタを使用している間は、端子を常に念頭に置いてください。

実用的なトランジスタでは、識別のためにエミッタリードの近くにノッチがあります。 PNPトランジスタとNPNトランジスタは、マルチメーターを使用して区別できます。次の図は、実際のさまざまなトランジスタがどのように見えるかを示しています。

実用トランジスタ

これまで、トランジスタの構造の詳細について説明しましたが、トランジスタの動作を理解するには、最初にバイアスについて知る必要があります。

トランジスタバイアス

トランジスタは2つのダイオードの組み合わせであることがわかっているため、ここには2つの接合部があります。 1つのジャンクションはエミッタとベースの間にあるため、*エミッタ-ベースジャンクション*と呼ばれ、同様にもう1つのジャンクションは*コレクタ-ベースジャンクション*です。

バイアス*は、電源を供給することで回路の動作を制御しています。両方のPN接合の機能は、DC電源を介して回路にバイアスを供給することにより制御されます。下の図は、トランジスタがどのようにバイアスされるかを示しています。

トランジスタバイアス

上の図を見ると、

N型材料には負の電源が供給され、P型材料には正の電源が供給されて、回路が*順方向バイアス*になります。
N型材料には正の電源が供給され、P型材料には負の電源が供給されて、回路が*逆バイアス*になります。

電力を印加することにより、エミッタ抵抗が非常に小さいため、エミッタベースジャンクション*は常に*順方向にバイアスされます。 *コレクタベースジャンクション*は*逆バイアス*であり、抵抗は少し高くなっています。エミッタ接合では小さな順方向バイアスで十分ですが、コレクタ接合では高い逆バイアスを適用する必要があります。

上記の回路に示されている電流の方向は、*従来の電流*とも呼ばれ、*電子電流*とは反対の正孔電流の動きです。

操作PNPトランジスタ

PNPトランジスタの動作は、エミッターベース接合が順方向にバイアスされ、コレクターベース接合が逆方向にバイアスされている次の図を参照することで説明できます。

PNP操作

電圧* V〜EE〜は、P型材料の穴をはじくエミッターに正の電位を与え、これらの穴はエミッターベース接合を通過してベース領域に到達します。非常に低い割合のホールがN領域の自由電子と再結合します。これにより、ベース電流 I〜B〜を構成する非常に低い電流が得られます。残りのホールはコレクター-ベース接合部を横切り、ホール電流であるコレクター電流 I〜C〜*を構成します。

穴がコレクター端子に達すると、バッテリーのマイナス端子からの電子がコレクターの空間を満たします。この流れはゆっくりと増加し、電子の少数電流がエミッターを流れます。ここで、* V〜EE〜の正の端子に入る各電子は、エミッター接合に向かって移動することにより、ホールに置き換えられます。これはエミッタ電流 I〜E〜*を構成します。

したがって、我々はそれを理解することができます-

PNPトランジスタの伝導は、穴を通して行われます。
コレクタ電流はエミッタ電流よりわずかに小さくなります。
エミッタ電流の増減は、コレクタ電流に影響します。

動作NPNトランジスタ

NPNトランジスタの動作は、エミッターベース接合が順方向にバイアスされ、コレクターベース接合が逆方向にバイアスされている次の図を参照することで説明できます。

NPN操作

電圧* V〜EE〜は、N型材料の電子をはじくエミッターに負の電位を与え、これらの電子はエミッターベース接合を通過してベース領域に到達します。電子の非常に低い割合が、P領域の自由正孔と再結合します。これにより、ベース電流 I〜B〜を構成する非常に低い電流が得られます。残りの穴はコレクターとベースの接合部を横切り、コレクター電流 I〜C〜*を構成します。

電子がコレクター端子から出てバッテリーの正端子に入ると、バッテリーの負端子* V〜EE〜*からの電子がエミッター領域に入ります。この流れはゆっくりと増加し、電子電流がトランジスタを流れます。

したがって、我々はそれを理解することができます-

NPNトランジスタの伝導は、電子を介して行われます。
コレクタ電流はエミッタ電流よりも高くなっています。
エミッタ電流の増減は、コレクタ電流に影響します。

利点

などのトランジスタの多くの利点があります-

高電圧ゲイン。
より低い供給電圧で十分です。
低電力アプリケーションに最適です。
重量が小さくて軽い。
真空管よりも機械的に強い。
真空管のような外部加熱は不要です。
抵抗器やダイオードと統合してICを製造するのに非常に適しています。

消費電力が低いため、高電力アプリケーションには使用できないなどの欠点はほとんどありません。入力インピーダンスが低く、温度に依存します。

基本的な電子機器-トランジスタ構成

トランジスタには、エミッタ、ベース、コレクタの3つの端子があります。これら3つの端子を使用して、3つの異なる構成で入力と出力の両方に共通の1つの端子を持つ回路にトランジスタを接続できます。

3種類の構成は、 Common Base、Common Emitter 、および Common Collector 構成です。すべての構成で、エミッタ接合は順方向にバイアスされ、コレクタ接合は逆方向にバイアスされます。

共通ベース（CB）構成

名前自体は、ベース端子がトランジスタの入力と出力の両方の共通端子として使用されることを意味します。 NPNトランジスタとPNPトランジスタの両方の共通ベース接続は、次の図に示すとおりです。

CB Configuration

理解のために、CB構成のNPNトランジスタを考えてみましょう。エミッター電圧が印加されると、それは順方向にバイアスされるため、負端子からの電子がエミッター電子をはじき、電流がエミッターとベースを通ってコレクターに流れ、コレクター電流に寄与します。この間、コレクタ電圧* V〜CB〜*は一定に保たれます。

CB構成では、入力電流はエミッタ電流* I〜E〜であり、出力電流はコレクタ電流 I〜C〜*です。

現在の増幅率（α）

コレクター電圧* V〜CB〜が一定に保たれている場合の、コレクター電流（$ \ Delta I _ \ {C} $）の変化とエミッター電流（$ \ Delta I _ \ {E} $）の変化の比率が呼び出されます。 *現在の増幅率。それはαで示されます。

\ alpha \：= \：\ frac \ {\ Delta I _ \ {C}} \ {\ Delta I _ \ {E}} \：\：at \：constant \：V _ \ {CB}

コレクタ電流の式

上記のアイデアを使用して、コレクタ電流の表現を試みてみましょう。エミッタ電流の流れに加えて、電子正孔の再結合によりベース端子を流れるベース電流IBがある程度あります。コレクタ-ベース接合には逆バイアスがかかるため、少数の電荷キャリアにより流れる別の電流があります。これは* I〜leakage〜*として理解できる漏れ電流です。これは少数の電荷キャリアによるものであり、したがって非常に小さい。

コレクタ端子に到達するエミッタ電流は

\ mathbf \ {\ mathit \ {\ alpha I _ \ {E}}}

総コレクタ電流

I _ \ {C} \：= \：\ alpha I _ \ {E} \：+ \：I _ \ {leakage}

エミッターベース電圧V〜EB〜= 0の場合でも、小さな漏れ電流が流れます。これはI〜CBO〜（出力が開いた状態のコレクターベース電流）と呼ばれます。

したがって、コレクタ電流は次のように表現できます。

I _ \ {C} \：= \：\ alpha I _ \ {E} \：+ \：I _ \ {CBO}

I _ \ {E} \：= \：I _ \ {C} \：+ \：I _ \ {B}

I _ \ {C} \：= \：\ alpha（I _ \ {C} \：+ \：I _ \ {B}）\：+ \：I _ \ {CBO}

I _ \ {C}（1 \：-\：\ alpha）\：= \：\ alpha I _ \ {B} \：+ \：I _ \ {CBO}

I _ \ {C} \：= \：（\ frac \ {\ alpha} \ {1 \：-\：\ alpha}）\：I _ \ {B} \：+ \：（\ frac \ {I_ \ {CBO}} \ {1 \：-\：\ alpha}）

I _ \ {C} \：= \：（\ frac \ {\ alpha} \ {1 \：-\：\ alpha}）\：I _ \ {B} \：+ \：（\ frac \ {1 } \ {1 \：-\：\ alpha}）I _ \ {CBO}

したがって、上記の導出はコレクタ電流の式です。コレクタ電流の値は、使用中のトランジスタの電流増幅率とともに、ベース電流とリーク電流に依存します。

CB構成の特性

この構成は電圧ゲインを提供しますが、電流ゲインは提供しません。
* V〜CB〜が一定で、エミッターベース電圧V〜EB〜が少し増加すると、エミッター電流 I〜E〜*が増加します。
エミッタ電流* I〜E〜は、コレクタ電圧 V〜CB〜*に依存しません。
コレクタ電圧* V〜CB〜は、V〜EB〜が一定に保たれている場合、低電圧でのみコレクタ電流 I〜C〜*に影響を与えます。
入力抵抗riは、エミッタ電流の変化（$ \ Delta \ {I _ \ {E}} $）に対する一定のエミッタベース電圧（$ \ Delta \ {V _ \ {EB}} $）の変化の比率です。コレクターベース電圧* V〜CB〜*。 + \ eta \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {V _ \ {EB}}} \ {\ Delta \ {I _ \ {E}}} \：\：at \：constant \：V_ \ {CB}
入力抵抗は非常に低い値であるため、エミッタ電流* I〜E〜*の大きな電流を生成するには、V〜EB〜の小さな値で十分です。
出力抵抗r〜o〜は、コレクタ電流の変化（$ \ Delta \ {I _ \ {C}} $に対するコレクタベース電圧（$ \ Delta \ {V _ \ {CB}} $）の変化の比率です。）一定のエミッタ電流* I〜E〜*で。 + r _ \ {o} \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {V _ \ {CB}}} \ {\ Delta \ {I _ \ {C}}} \：at \：constant \：l_ \ {E}
出力抵抗は非常に高い値であるため、* V〜CB〜の大きな変化はコレクタ電流 I〜C〜*の変化をほとんど生じさせません。
この構成は、温度の上昇に対して優れた安定性を提供します。
CB構成は、高周波アプリケーションに使用されます。

共通エミッター（CE）構成

名前自体は、*エミッタ*端子がトランジスタの入力と出力の両方の共通端子として使用されることを意味します。 NPNトランジスタとPNPトランジスタの両方の共通エミッタ接続は、次の図に示すとおりです。

CE構成

CB構成と同様に、エミッタ接合は順方向にバイアスされ、コレクタ接合は逆方向にバイアスされます。電子の流れも同様に制御されます。ここで入力電流はベース電流* I〜B〜であり、出力電流はコレクタ電流 I〜C〜*です。

ベース電流増幅率（β）

コレクタ電流（$ \ Delta \ {I _ \ {C}} $）の変化とベース電流（$ \ Delta \ {I _ \ {B}} $）の変化の比率は、 Base Current Amplification Factor として知られています。。それはβで示されます

\ beta \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {I _ \ {C}}} \ {\ Delta \ {I _ \ {B}}}

βとαの関係

ベース電流増幅率とエミッタ電流増幅率の関係を導き出してみましょう。

\ beta \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {I _ \ {C}}} \ {\ Delta \ {I _ \ {B}}}

\ alpha \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {I _ \ {C}}} \ {\ Delta \ {I _ \ {E}}}

I _ \ {E} \：= \：I _ \ {B} \：+ \：I _ \ {C}

\ Delta I _ \ {E} \：= \：\ Delta I _ \ {B} \：+ \：\ Delta I _ \ {C}

\ Delta I _ \ {B} \：= \：\ Delta I _ \ {E} \：-\：\ Delta I _ \ {C}

我々は書ける

\ beta \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {I _ \ {C}}} \ {\ Delta I _ \ {E} \：-\：\ Delta I _ \ {C}}

$$で割る

\ beta \：= \：\ frac \ {\ frac \ {\ Delta I _ \ {C}} \ {\ Delta I _ \ {E}}} \ {\ frac \ {\ Delta I _ \ {E}} \ {\ Delta I _ \ {E}} \：-\：\ frac \ {\ Delta I _ \ {C}} \ {\ Delta I _ \ {E}}}

\ alpha \：= \：\ frac \ {\ Delta I _ \ {C}} \ {\ Delta I _ \ {E}}

我々は持っています

\ alpha \：= \：\ frac \ {\ Delta I _ \ {C}} \ {\ Delta I _ \ {E}}

したがって、

\ beta \：= \：\ frac \ {\ alpha} \ {1- \ alpha}

上記の式から、αが1に近づくと、βが無限に達することが明らかです。

したがって、*共通エミッタ接続の電流ゲインは非常に高い*です。これが、この回路接続が主にすべてのトランジスタアプリケーションで使用される理由です。

コレクタ電流の式

共通エミッタ構成では、* I〜B〜は入力電流で、 I〜C〜*は出力電流です。

知ってる

I _ \ {E} \：= \：I _ \ {B} \：+ \：I _ \ {C}

And

I _ \ {C} \：= \：\ alpha I _ \ {E} \：+ \：I _ \ {CBO}

= \：\ alpha（I _ \ {B} \：+ \：I _ \ {C}）\：+ \：I _ \ {CBO}

I _ \ {C}（1 \：-\：\ alpha）\：= \：\ alpha I _ \ {B} \：+ \：I _ \ {CBO}

I _ \ {C} \：= \：\ frac \ {\ alpha} \ {1- \ alpha} I _ \ {B} \：+ \：\ frac \ {1} \ {1- \ alpha} \ ：I _ \ {CBO}

ベース回路が開いている場合、つまり * I〜B〜* = 0の場合、

ベースが開いた状態のコレクタエミッタ電流はI〜CEO〜です

I _ \ {CEO} \：= \：\ frac \ {1} \ {1- \ alpha} \：I _ \ {CBO}

この値を前の方程式に代入すると、次のようになります

I _ \ {C} \：= \：\ frac \ {\ alpha} \ {1- \ alpha} I _ \ {B} \：+ \：I _ \ {CEO}

I _ \ {C} \：= \：\ beta I _ \ {B} \：+ \：I _ \ {CEO}

したがって、コレクタ電流の式が得られます。

膝電圧

CE構成では、ベース電流* I〜B〜を一定に保つことにより、 V〜CE〜が変化すると、 I〜C〜はほぼ1Vの V〜CE〜に増加し、その後一定のままになります。コレクタ電流 I〜C〜が V〜CE〜によって変化する V〜CE〜*のこの値は、*ニー電圧*と呼ばれます。トランジスタはCE構成で動作している間、このニー電圧以上で動作します。

CE構成の特性

この構成は、良好な電流ゲインと電圧ゲインを提供します。
* V〜CE〜を一定に保ち、 V〜BE〜をわずかに増加させますが、ベース電流 I〜B〜*はCB構成よりも急速に増加します。
ニー電圧を超える* V〜CE〜の値の場合、 I〜C〜*はβI〜B〜にほぼ等しくなります。
入力抵抗* r〜i〜は、ベースエミッタ電圧（$ \ Delta \ {V _ \ {BE}} $）の変化とベース電流の変化（$ \ Delta \ {I _ \ {B}}の比です。 $）一定のコレクタエミッタ電圧 V〜CE〜*。 + r _ \ {i} \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {V _ \ {BE}}} \ {\ Delta \ {I _ \ {B}}} \：at \：constant \：V_ \ {CE}
入力抵抗は非常に低い値であるため、ベース電流* I〜B〜の大きな電流を生成するには、 V〜BE〜*の小さな値で十分です。
出力抵抗* r〜o〜は、コレクタエミッタ電圧（$ \ Delta \ {V _ \ {CE}} $）の変化とコレクタ電流（$ \ Delta \ {I _ \ {C}}の変化の比です。 $）定数 I〜B〜*で。 + r _ \ {o} \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {V _ \ {CE}}} \ {\ Delta \ {I _ \ {C}}} \：at \：constant \：I_ \ {B}
CE回路の出力抵抗はCB回路の出力抵抗よりも小さいため。
この構成は通常、バイアス安定化方法とオーディオ周波数アプリケーションに使用されます。

共通コレクター（CC）構成

名前自体は、*コレクタ*端子がトランジスタの入力と出力の両方の共通端子として使用されることを意味します。 NPNトランジスタとPNPトランジスタの両方の共通コレクタ接続は、次の図に示すとおりです。

CC Configuration

CBおよびCE構成と同様に、エミッタ接合は順方向にバイアスされ、コレクタ接合は逆方向にバイアスされます。電子の流れも同様に制御されます。ここで入力電流はベース電流* I〜B〜であり、出力電流はエミッタ電流 I〜E〜*です。

現在の増幅率（γ）

エミッタ電流（$ \ Delta \ {I _ \ {E}} $）の変化とベース電流（$ \ Delta \ {I _ \ {B}} $）の変化の比率は、 Current Amplification factor として知られています。共通コレクター（CC）構成。 *γ*で示されます。

\ gamma \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {I _ \ {E}}} \ {\ Delta \ {I _ \ {B}}}

CC構成の現在のゲインは、CE構成と同じです。
CC構成の電圧ゲインは常に1未満です。

γとαの関係

γとαの間に何らかの関係を描いてみましょう

\ gamma \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {I _ \ {E}}} \ {\ Delta \ {I _ \ {B}}}

\ alpha \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {I _ \ {C}}} \ {\ Delta \ {I _ \ {E}}}

I _ \ {E} \：= \：I _ \ {B} \：+ \：I _ \ {C}

\ Delta I _ \ {E} \：= \：\ Delta I _ \ {B} \：+ \：\ Delta I _ \ {C}

\ Delta I _ \ {B} \：= \：\ Delta I _ \ {E} \：-\：\ Delta I _ \ {C}

I〜B〜の値を代入すると、次のようになります

$$ \ gamma \：= \：\ frac \ {\ Delta \ {I _ \ {E}}} \ {\ Delta \ {I _ \ {E}} \：-\：\ Delta I _ \ {C}} $ $

$ \ Delta I _ \ {E} $で割る

\ gamma \：= \：\ frac \ {\ frac \ {\ Delta I _ \ {E}} \ {\ Delta I _ \ {E}}} \ {\ frac \ {\ Delta I _ \ {E}} \ {\ Delta I _ \ {E}} \：-\：\ frac \ {\ Delta I _ \ {C}} \ {\ Delta I _ \ {E}}}

\ frac \ {1} \ {1 \：-\：\ alpha}

\ gamma \：= \：\ frac \ {1} \ {1 \：-\：\ alpha}

コレクタ電流の式

知ってる

I _ \ {C} \：= \：\ alpha I _ \ {E} \：+ \：I _ \ {CBO}

I _ \ {E} \：= \：I _ \ {B} \：+ \：I _ \ {C} \：= \：I _ \ {B} \：+ \：（\ alpha I _ \ {E} \：+ \：I _ \ {CBO}）

I _ \ {E}（1 \：-\：\ alpha）\：= \：I _ \ {B} \：+ \：I _ \ {CBO}

I _ \ {E} \：= \：\ frac \ {I _ \ {B}} \ {1 \：-\：\ alpha} \：+ \：\ frac \ {I _ \ {CBO}} \ { 1 \：-\：\ alpha}

I _ \ {C} \：\ cong \：I _ \ {E} \：= \：（\ beta \：+ \：1）I _ \ {B} \：+ \：（\ beta \：+ \ ：1）I _ \ {CBO}

上記はコレクタ電流の式です。

CC設定の特性

この構成は、電流ゲインを提供しますが、電圧ゲインは提供しません。
CC構成では、入力抵抗が高く、出力抵抗が低くなります。
この回路によって提供される電圧ゲインは1未満です。
コレクタ電流とベース電流の合計はエミッタ電流に等しくなります。
入力信号と出力信号は同相です。
この構成は、非反転アンプ出力として機能します。
この回路は主にインピーダンス整合に使用されます。つまり、高インピーダンスのソースから低インピーダンスの負荷を駆動します。

トランジスタ動作領域

トランジスタの動作用にDC電源が用意されています。このDC電源はトランジスタの2つのPN接合に与えられ、これらのエミッタおよびコレクタ接合の多数キャリアの動作に影響を与えます。

ジャンクションは、要件に基づいて順方向および逆方向にバイアスされます。 *順方向バイアス*は、正の電圧がp型に印加され、負の電圧がn型材料に印加される状態です。 *逆バイアス*は、正の電圧がn型に印加され、負の電圧がp型材料に印加される状態です。

トランジスタバイアス

適切な外部DC電圧の供給は「バイアス」と呼ばれます。順方向または逆方向のバイアスは、トランジスタのエミッタおよびコレクタ接合に対して行われます。これらのバイアス方法により、トランジスタ回路は、アクティブ領域、飽和領域、カットオフ領域、逆アクティブ領域（ほとんど使用されません）などの4種類の領域で動作します。これは、次の表を見ると理解できます。

EMITTER JUNCTION	COLLECTOR JUNCTION	REGION OF OPERATION
Forward biased	Forward biased	Saturation region
Forward biased	Reverse biased	Active region
Reverse biased	Forward biased	Inverse active region
Reverse biased	Reverse biased	Cutoff region

これらの領域の中で、アクティブ領域のちょうど逆である逆アクティブ領域は、どのアプリケーションにも適していないため、使用されません。

アクティブ領域

これは、トランジスタが多くの用途を持つ領域です。これは「線形領域」とも呼ばれます。この領域にあるトランジスタは、*アンプ*としてより良く機能します。

アクティブ領域

この領域は、飽和とカットオフの間にあります。エミッタ接合が順方向にバイアスされ、コレクタ接合が逆方向にバイアスされると、トランジスタはアクティブ領域で動作します。アクティブ状態では、コレクタ電流はベース電流のβ倍、つまり

I _ \ {C} \：= \：\ beta I _ \ {B}

どこで、

$ I _ \ {C} $ =コレクタ電流

$ \ beta $ =現在の増幅率

$ I _ \ {B} $ =ベース電流

飽和領域

これは、トランジスタが閉じたスイッチとして動作する傾向がある領域です。トランジスタには、コレクタとエミッタが短絡するという影響があります。この動作モードでは、コレクタ電流とエミッタ電流が最大になります。

下の図は、飽和領域で動作するトランジスタを示しています。

飽和領域

エミッタとコレクタの両方の接合部が順方向にバイアスされると、トランジスタは飽和領域で動作します。飽和領域では、トランジスタは閉じたスイッチとして動作する傾向があることが理解されているため、

I _ \ {C} \：= \：I _ \ {E}

ここで、$ I _ \ {C} $ =コレクタ電流および$ I _ \ {E} $ =エミッタ電流。

カットオフ領域

これは、トランジスタが開いたスイッチとして動作する傾向がある領域です。トランジスタには、コレクタとベースが開くという効果があります。この動作モードでは、コレクタ、エミッタ、ベースの電流はすべてゼロです。

次の図は、カットオフ領域で動作するトランジスタを示しています。

カットオフ領域

エミッタとコレクタの両方の接合部に逆バイアスがかかっている場合、トランジスタはカットオフ領域で動作します。カットオフ領域のように、コレクタ電流、エミッタ電流、ベース電流はゼロです。

I _ \ {C} \：= \：I _ \ {E} \：= \：I _ \ {B} \：= \：0

ここで、$ I _ \ {C} $ =コレクタ電流、$ I _ \ {E} $ =エミッタ電流、および$ I _ \ {B} $ =ベース電流。

トランジスタ負荷線解析

ここまで、トランジスタのさまざまな動作領域について説明してきました。しかし、これらすべての領域の中で、トランジスタはアクティブ領域で良好に動作するため、*線形領域*とも呼ばれています。トランジスタの出力は、コレクタ電流とコレクタ電圧です。

出力特性

トランジスタの出力特性を考慮すると、曲線は異なる入力値に対して以下のようになります。

出力特性

上記の図では、ベース電流* I〜B〜の異なる値について、コレクタ電流 I〜C〜とコレクタ電圧 V〜CE〜*の間に出力特性が描かれています。ここでは、異なる入力値に対してこれらを考慮して、異なる出力曲線を取得します。

動作点

最大可能コレクタ電流の値が考慮されると、そのポイントはY軸上に存在します。これは*飽和ポイント*にすぎません。同様に、最大可能コレクターエミッター電圧の値を考慮すると、そのポイントはX軸上に存在します。これは*カットオフポイント*です。

これらの2つの点を結ぶ線が描かれている場合、そのような線は Load line と呼ばれます。これは、ロード時の出力を表すために呼び出されます。この線は、出力特性曲線上に描かれると、*動作点*と呼ばれる点で接触します。

この動作点は、静止点*または単に Q点*とも呼ばれます。このような交差点は多数存在する可能性がありますが、AC信号の振幅に関係なく、トランジスタがアクティブ領域に留まるようにQポイントが選択されます。これは、次の図からよりよく理解できます。

動作点

Qポイントを取得するには、負荷線を引く必要があります。トランジスタは、アクティブ領域にあり、Qポイントで動作するように作られている場合、優れたアンプとして機能し、忠実な増幅が達成されます。

忠実な増幅*は、信号強度を上げることにより入力信号の完全な部分を取得するプロセスです。これは、AC信号が入力に加えられたときに行われます。これについては、AMPLIFIERSチュートリアルで説明しています。

DC負荷線

トランジスタにバイアスが与えられ、入力に信号が印加されていない場合、そのような状態で描かれた負荷線は、 DC 状態として理解できます。ここでは、信号が存在しないため、増幅はありません。回路は次のようになります。

DC負荷線

任意の時点でのコレクタエミッタ電圧の値は

V _ \ {CE} \：= \：V _ \ {CC} \：-\：I _ \ {C} R _ \ {C}

V〜CC〜とR〜C〜は固定値であるため、上記は1次方程式であり、したがって出力特性上の直線になります。この行は* D.Cと呼ばれます。ロードライン*。下の図は、DC負荷ラインを示しています。

特徴

荷重線を取得するには、直線の2つの終点を決定します。これらの2つのポイントをAとBとします。

Aを取得するには

コレクタエミッタ電圧V〜CE〜= 0の場合、コレクタ電流は最大で、V〜CC〜/R〜C〜に等しくなります。これにより、V〜CE〜の最大値が得られます。これは

V _ \ {CE} \：= \：V _ \ {CC} \：-\：I _ \ {C} R _ \ {C}

0 \：= \：V _ \ {CC} \：-\：I _ \ {C} R _ \ {C}

I _ \ {C} \：= \：\ frac \ {V _ \ {CC}} \ {R _ \ {C}}

これにより、上図に示すコレクター電流軸上のポイントA（OA = V〜CC〜/R〜C〜）が得られます。

Bを取得するには

コレクタ電流IC = 0の場合、コレクタエミッタ電圧は最大になり、VCCに等しくなります。これにより、ICの最大値が得られます。これは

V _ \ {CE} \：= \：V _ \ {CC} \：-\：I _ \ {C} R _ \ {C}

= \：V _ \ {CC}

（I〜C〜= 0として）

これによりポイントBが得られます。これは、上の図に示されているコレクターエミッター電圧軸上の（OB = V〜CC〜）を意味します。

したがって、飽和点とカットオフ点の両方を決定し、負荷線が直線であることを学びました。したがって、DC負荷線を引くことができます。

この動作点の重要性は、AC信号が入力に与えられたときにさらに理解されます。これについては、AMPLIFIERSチュートリアルで説明します。

基本的な電子機器-トランジスタの種類

使用中のトランジスタには多くの種類があります。各トランジスタは、その用途に特化しています。主な分類は次のとおりです。

トランジスタタイプ

一次トランジスタはBJTであり、FETはトランジスタの最新バージョンです。 BJTを見てみましょう。

バイポーラ接合トランジスタ

バイポーラ接合トランジスタは、その機能のために2つのPN接合を持っているため、 BJT と略されます。このBJTは通常のトランジスタに他なりません。 2種類の構成 NPN および PNP があります。通常、NPNトランジスタが便宜上使用されます。次の図は、実用的なBJTがどのように見えるかを示しています。

BJT

BJTのタイプはNPNおよびPNPトランジスターです。 NPNトランジスタは、2つのn型材料の間にp型材料を配置することによって作成されます。 PNPトランジスタは、2つのp型材料の間にn型材料を配置することによって作成されます。

BJTは電流制御デバイスです。前の章で説明した通常のトランジスタは、このカテゴリに分類されます。機能、構成、およびアプリケーションはすべて同じです。

電界効果トランジスタ

FETは、3端子ユニポーラ半導体デバイスです。バイポーラ接合トランジスタとは異なり、*電圧制御デバイス*です。 FETの主な利点は、非常に高い入力インピーダンスを持っていることです。これはメガオームのオーダーです。低消費電力、低放熱、FETは非常に効率的なデバイスであるなど、多くの利点があります。次の画像は、実用的なFETがどのように見えるかを示しています。

FET

FETは*ユニポーラデバイス*です。つまり、メイン基板としてp型またはn型の材料を使用して製造されます。したがって、FETの電流伝導は、電子または正孔によって行われます。

FETの特徴

以下は、電界効果トランジスタのさまざまな機能です。

単極-正孔または電子のいずれかが伝導に関与するため、単極です。
高入力インピーダンス-FETの入力電流は逆バイアスのために流れます。したがって、入力インピーダンスが高くなります。
電圧制御デバイス-FETの出力電圧はゲート入力電圧によって制御されるため、FETは電圧制御デバイスと呼ばれます。
ノイズが低い-伝導経路に接合部はありません。したがって、ノイズはBJTよりも低くなります。
*ゲインは相互コンダクタンスとして特徴付けられます。*相互コンダクタンスは、入力電圧の変化に対する出力電流の変化の比率です。
* FETの出力インピーダンスは低いです。*

FETの利点

BJTよりもFETを優先するには、BJTではなくFETを使用する利点がほとんどありません。 FETのBJTに対する利点を要約してみましょう。

JFET	BJT
It is an unipolar device	It is a bipolar device
Voltage driven device	Current driven device
High input impedance	Low input impedance
Low noise level	High noise level
Better thermal stability	Less thermal stability
Gain is characterized by transconductance	Gain is characterized by voltage gain

FETの用途

FETは、負荷効果を減らすために回路で使用されます。
FETは、バッファアンプ、位相シフト発振器、電圧計などの多くの回路で使用されています。

FET端子

FETは3端子デバイスですが、BJT端子とは異なります。 FETの3つの端子は、ゲート、ソース、ドレインです。 FETの Source 端子はBJTのエミッタに類似していますが、 Gate はベースに、*ドレイン*はコレクタに類似しています。

NPNとPNPの両方のタイプのFETの記号は次のとおりです。

FETターミナル

ソース

電界効果トランジスタのソース端子は、キャリアがチャネルに入るための端子です。
これは、バイポーラ接合トランジスタのエミッタ端子に類似しています。
ソース端末は S として指定できます。
ソース端子でチャネルに入る電流はISとして示されます。

Gate

電界効果トランジスタのゲート端子は、チャネルを流れる電流を制御することにより、FETの機能において重要な役割を果たします。
ゲート端子に外部電圧を印加することにより、そこを流れる電流を制御できます。
ゲートは、内部で接続され、高濃度にドープされた2つの端子の組み合わせです。
チャネルの導電率は、ゲート端子によって変調されると言われています。
これは、バイポーラ接合トランジスタのベース端子に類似しています。
ゲート端子は G として指定できます。
ゲート端子からチャネルに入る電流はIGとして示されます。

ドレイン

電界効果トランジスタのドレイン端子は、キャリアがチャネルから出る端子です。
これは、バイポーラ接合トランジスタのコレクタ端子に似ています。
Drain to Source電圧はVDSとして指定されます。
ドレイン端子は D として指定できます。
ドレインターミナルでチャネルを出る電流は、I〜D〜として示されます。

FETの種類

FETには主に2つのタイプがあります。それらはJFETとMOSFETです。次の図は、FETの詳細な分類を示しています。

FETタイプ

以降の章では、JFETとMOSFETについて詳しく説明します。

ベーシックエレクトロニクス-JFET

JFETは Junction Field Effect Transistor と略されます。 JFETは通常のFETとまったく同じです。 JFETのタイプは、nチャネルFETとPチャネルFETです。ｐ型材料は、ｎチャネルＦＥＴのｎ型基板に追加され、一方、ｎ型材料は、ｐチャネルＦＥＴのｐ型基板に追加される。したがって、両方を理解するには、1つのタイプのFETについて説明するだけで十分です。

NチャンネルFET

NチャネルFETは、主に使用される電界効果トランジスタです。 NチャネルFETの製造では、N型半導体の狭いバーが使用され、その上にP型材料が拡散によって形成されます。これらの2つの側面は、ゲート端子の単一の接続を描くために結合されます。これは次の図から理解できます。

FET

これらの2つのゲート堆積（p型材料）は、2つのPNダイオードを形成します。ゲート間の領域は*チャンネル*と呼ばれます。多数キャリアはこのチャネルを通過します。したがって、FETの断面形状は次の図のように理解されます。

NチャネルFET

ソースとドレインを形成するn型半導体バーの両端にオーミックコンタクトが作成されます。ソース端子とドレイン端子は交換可能です。

NチャネルFETの動作

FETの動作に入る前に、空乏層がどのように形成されるかを理解する必要があります。このため、ゲート端子の電圧* V〜GG〜が逆バイアスされ、ドレイン端子の電圧 V〜DD〜*が印加されていないと仮定します。これをケース1とします。

ケース1 *では、 V〜GG〜が逆バイアスされ、 V〜DD〜*が適用されない場合、P層とN層の間の空乏領域が拡大する傾向があります。これは、負の電圧が印加されると発生し、p型層からゲート端子に向かって正孔を引き付けます。
ケース2 *では、 V〜DD〜が適用され（プラス端子がドレインに、マイナス端子がソースに）、 V〜GG〜が適用されない場合、電子はドレイン電流を構成するソースからドレインに流れます I〜D〜*。

次の図を検討して、両方の電源が供給されたときに何が起こるかを理解しましょう。

NチャネルFET操作

ゲート端子での供給により、空乏層が成長し、ドレイン端子での電圧により、ソースからドレイン端子へのドレイン電流が可能になります。ソース端子の点がBで、ドレイン端子の点がAであると仮定すると、チャネルの抵抗は、端子Aでの電圧降下が端子Bでの電圧降下よりも大きくなるようになります。つまり、

*_V〜A〜> V〜B〜_*

したがって、電圧降下は、チャネルの長さにわたって進行しています。したがって、逆バイアス効果は、ソース端子よりもドレイン端子で強くなります。これが、* V〜GG〜と V〜DD〜*の両方が適用された場合、空乏層がポイントBよりもポイントAでよりチャネルに浸透する傾向がある理由です。次の図はこれを説明しています。

FETの動作

FETの動作を理解したので、FETの実際の動作を見てみましょう。

操作の枯渇モード

空乏層の幅はFETの動作に重要な役割を果たしているため、動作の名前の空乏モードが暗示しています。拡張動作モードと呼ばれる別のモードがあります。これについては、MOSFETの動作で説明します。ただし、* JFETには、空乏モード*の動作しかありません。

ゲート端子とソース端子の間に電位が印加されておらず、ドレインとソースの間に電位* V〜DD〜が印加されていると考えてみましょう。現在、電流 I〜D〜はドレインからソース端子に流れ、チャネル幅が大きくなるにつれて最大になります。ゲートとソース端子 V〜GG〜の間に印加される電圧に逆バイアスをかけます。前述のように、これにより空乏幅が増加します。層が成長するにつれて、チャネルの断面積が減少し、したがってドレイン電流 I〜D〜*も減少します。

このドレイン電流がさらに増加すると、両方の空乏層が互いに接触する段階が発生し、電流* I〜D〜*が流れなくなります。これは、次の図に明確に示されています。

枯渇モード

これら両方の空乏層が文字通り「タッチ」する電圧は、「ピンチオフ電圧」と呼ばれます。 VPとして示されます。この時点では、ドレイン電流は文字通りゼロです。したがって、ドレイン電流はゲートの逆バイアス電圧の関数です。

ゲート電圧はドレイン電流を制御するため、FETは「電圧制御デバイス」と呼ばれます。これは、ドレイン特性曲線からより明確に理解されます。

JFETのドレイン特性

FETのドレインの特性曲線を得ることができるFETの機能を要約してみましょう。これらの特性を得るためのFETの回路を以下に示します。

ドレイン特性JFET

ゲートとソース間の電圧* V〜GS〜がゼロの場合、またはそれらが短絡している場合、 V〜DS〜が適用されないため、ソースからドレインへの電流 I〜D〜もゼロになります。ドレインとソース間の電圧 V〜DS〜が増加すると、ソースからドレインへの電流 I〜D〜が増加します。この電流の増加は、特定のポイント *A （ニー電圧）まで直線的です。

ゲート端子は逆バイアス状態になり、* I〜D〜が増加すると、空乏領域が収縮する傾向があります。このくびれの長さは等しくないため、これらの領域はドレインでより近くになり、ドレインでより遠くになり、*ピンチオフ*電圧につながります。ピンチオフ電圧は、ドレイン電流が一定値（飽和値）に近づくドレインからソースへの最小電圧として定義されます。このピンチオフ電圧が発生するポイントは、*ピンチオフポイント*と呼ばれ、 *B と表されます。

V〜DS〜がさらに増加すると、 I〜D〜が実質的に一定のままになるようにチャネル抵抗も増加します。領域 *BC は、*飽和領域*または増幅器領域として知られています。これらはすべて、ポイントA、B、Cとともに以下のグラフにプロットされています。

NチャネルFET構造

ドレイン特性は、さまざまなゲートソース電圧VGSのドレインソース電圧* V〜DS〜に対するドレイン電流 I〜D〜*に対してプロットされています。このようなさまざまな入力電圧の全体的なドレイン特性は、以下のとおりです。

プロットされたドレイン特性

負のゲート電圧がドレイン電流を制御するため、FETは電圧制御デバイスと呼ばれます。ドレイン特性は、FETの性能を示します。上記のプロットされたドレイン特性は、ドレイン抵抗、相互コンダクタンス、および増幅係数の値を取得するために使用されます。

ベーシックエレクトロニクス-MOSFET

FETには、高いドレイン抵抗、中程度の入力インピーダンス、遅い動作など、いくつかの欠点があります。これらの欠点を克服するために、高度なFETであるMOSFETが発明されました。

MOSFETは、金属酸化物シリコン電界効果トランジスタまたは金属酸化物半導体電界効果トランジスタの略です。これは、絶縁ゲート電界効果トランジスタを意味するIGFETとも呼ばれます。 FETは、デプレッションモードとエンハンスメントモードの両方で動作します。次の図は、実用的なMOSFETがどのように見えるかを示しています。

MOSFET

MOSFETの構築

MOSFETの構造は、FETに少し似ています。ゲート端子が接続されている基板上に酸化物層が堆積されます。この酸化物層は絶縁体として機能し（sio〜2〜は基板から絶縁します）、したがって、MOSFETにはIGFETという別名があります。 MOSFETの構造では、低濃度ドープ基板が高濃度ドープ領域で拡散されます。使用される基板に応じて、それらは* Pタイプ*および* Nタイプ* MOSFETと呼ばれます。

次の図は、MOSFETの構造を示しています。

MOSFETの構築

ゲートの電圧はMOSFETの動作を制御します。この場合、ゲートはチャネルから絶縁されているため、正と負の両方の電圧をゲートに印加できます。負のゲートバイアス電圧では depletion MOSFET として機能し、正のゲートバイアス電圧では Enhancement MOSFET として機能します。

MOSFETの分類

構造に使用される材料の種類と動作の種類に応じて、MOSFETは次の図のように分類されます。

MOSFETの分類

分類後、MOSFETのシンボルを見ていきましょう。

*NチャネルMOSFET* は、単に *NMOS* と呼ばれます。 NチャネルMOSFETの記号は次のとおりです。

NチャンネルMOSFET

*PチャネルMOSFET* は、単に *PMOS* と呼ばれます。 PチャネルMOSFETの記号は次のとおりです。

PチャネルMOSFET

次に、NチャネルMOSFETの構造の詳細を見ていきましょう。通常、これは主に使用されるため、NChannel MOSFETが説明のために考慮されます。また、あるタイプの研究が他のタイプを説明することを述べる必要はありません。

NチャネルMOSFETの構築

NチャネルMOSFETを検討して、その動作を理解しましょう。ソースとドレインとして機能する、2つの高濃度ドープN型領域が拡散する低濃度ドープP型基板が使用されます。これらの2つのN +領域の間には、Nチャネルを形成する拡散が発生し、ドレインとソースを接続します。

NチャネルMOSFETの構成

二酸化シリコン（SiO〜2〜）*の薄い層が表面全体に成長し、ドレイン端子とソース端子のオーム接点を描くための穴が作られます。ゲートを構成するソースからドレインまでのこの SiO〜2〜*層の上に、*アルミニウム*の導電層がチャネル全体に配置されます。 * SiO〜2〜基板*は、共通端子または接地端子に接続されています。

MOSFETの構造により、MOSFETのチップ面積はBJTよりも非常に小さく、バイポーラ接合トランジスタと比較して占有率の5％です。このデバイスはモードで操作できます。それらは、枯渇モードと強化モードです。詳細を確認してみましょう。

N-チャネル（空乏モード）MOSFETの動作

今のところ、FETとは異なり、ゲートとチャネルの間にPN接合が存在しないという考えがあります。また、拡散チャネルN（2つのN +領域の間）、絶縁誘電体SiO〜2〜、およびゲートのアルミニウム金属層が一緒になって*平行平板コンデンサ*を形成することも観察できます。

NMOSを空乏モードで動作させる必要がある場合は、次の図に示すように、ドレインが正電位である間にゲート端子を負電位にする必要があります。

NチャネルMOSFETの動作

ゲートとソースの間に電圧が印加されていない場合、ドレインとソースの間の電圧のために電流が流れます。 * V〜GG〜に負の電圧を印加します。その後、少数キャリア、すなわち穴、引き寄せられ、 SiO〜2〜*層の近くに落ち着きます。しかし、多数キャリア、つまり電子は反発されます。

V〜GG〜にある程度の負電位があると、一定量のドレイン電流 I〜D〜がソースを介してドレインに流れます。この負の電位がさらに増加すると、電子が枯渇し、電流 I〜D〜が減少します。したがって、適用される V〜GG〜が負になるほど、ドレイン電流 I〜D〜*の値は小さくなります。

ドレインに近いチャネルは、ソースよりも空乏状態になり（FETなど）、この効果により電流が減少します。したがって、デプレッションモードMOSFETと呼ばれます。

NチャネルMOSFETの動作（拡張モード）

電圧* V〜GG〜の極性を変更できる場合、同じMOSFETを拡張モードで使用できます。したがって、次の図に示すように、ゲートソース電圧 V〜GG〜*が正のMOSFETを考えてみましょう。

NチャネルMOSFET拡張

ゲートとソースの間に電圧が印加されていない場合、ドレインとソースの間の電圧のために電流が流れます。 * V〜GG〜に正の電圧を印加します。その後、少数キャリア、すなわち穴、はじかれ、多数キャリア、すなわち電子は SiO〜2〜*層に引き寄せられます。

V〜GG〜にある程度の正電位があると、一定量のドレイン電流 I〜D〜がソースを介してドレインに流れます。この正の電位がさらに増加すると、ソースからの電子の流れにより電流 I〜D〜が増加し、 V〜GG〜に印加される電圧によりこれらがさらに押されます。したがって、適用される V〜GG〜が正であればあるほど、ドレイン電流 I〜D〜の値は大きくなります。電流モードは、空乏モードよりも電子フローの増加により改善されます。したがって、このモードは *Enhanced Mode MOSFET と呼ばれます。

P-チャネルMOSFET

PMOSの構造と動作はNMOSと同じです。 2つの高濃度にドープされた* P +領域*が拡散された、低濃度にドープされた* n基板*が取り込まれます。これらの2つのP +領域は、ソースおよびドレインとして機能します。 * SiO〜2〜*の薄い層が表面上に成長します。次の図に示すように、P +領域とのコンタクトを作成するために、このレイヤーに穴が開けられています。

P-Channel

PMOSの働き

ゲート端子にドレインソース電圧* V〜DD〜よりも V〜GG〜で負の電位が与えられると、P +領域が存在するため、拡散Pチャネルを介して正孔電流が増加し、PMOSが動作します*拡張モード。

ゲート端子にドレインソース電圧* V〜DD〜よりも V〜GG〜で正の電位が与えられると、反発により、空乏が発生し、電流が減少します。したがって、PMOSは *Depletion Mode で動作します。構造は異なりますが、動作は両方のタイプのMOSFETで類似しています。したがって、電圧極性の変化により、両方のモードで両方のタイプを使用できます。

これは、排水特性曲線についてのアイデアを持っていることにより、よりよく理解できます。

ドレイン特性

MOSFETのドレイン特性は、ドレイン電流* I〜D〜とドレインソース電圧 V〜DS〜*の間にあります。入力の異なる値に対する特性曲線は以下のとおりです。

ドレイン特性

実際に* V〜DS〜が増加すると、ドレイン電流 I〜D〜は増加するはずですが、 V〜GS〜*が適用されるため、ドレイン電流は特定のレベルに制御されます。したがって、ゲート電流が出力ドレイン電流を制御します。

伝達特性

伝達特性は、* V〜DS〜の値の変化を、枯渇モードと強化モードの両方で I〜D〜および V〜GS〜*の変化とともに定義します。以下の伝達特性曲線は、ドレイン電流対ゲート対ソース電圧に対して描かれています。

伝達特性

BJT、FET、MOSFETの比較

上記3つすべてについて説明したので、それらのプロパティのいくつかを比較してみましょう。

TERMS	BJT	FET	MOSFET
Device type	Current controlled	Voltage controlled	Voltage Controlled
Current flow	Bipolar	Unipolar	Unipolar
Terminals	Not interchangeable	Interchangeable	Interchangeable
Operational modes	No modes	Depletion mode only	Both Enhancement and Depletion modes
Input impedance	Low	High	Very high
Output resistance	Moderate	Moderate	Low
Operational speed	Low	Moderate	High
Noise	High	Low	Low
Thermal stability	Low	Better	High

これまで、さまざまな電子部品とその種類、およびその構造と動作について説明してきました。これらのコンポーネントはすべて、エレクトロニクス分野でさまざまな用途があります。これらのコンポーネントが実際の回路でどのように使用されるかについて実際的な知識を得るには、電子回路のチュートリアルを参照してください。

Basic-electronics-quick-guide

ベーシックエレクトロニクス-材料

量子数

主量子数

角運動量量子数

磁気量子数

スピン量子数

パウリ除外原則

電子シェル

ベーシックエレクトロニクス-エネルギーバンド

バランスバンド

伝導帯

禁断のギャップ

がいし

特徴

半導体

特徴

指揮者

特徴

重要な用語

現在

電圧

抵抗

オームの法則

ベーシックエレクトロニクス-半導体

半導体の伝導

穴の作成

ホール電流

真性半導体

ドーピング

外因性半導体

N型外因性半導体

P型外因性半導体

半導体でシリコンが好まれる理由

ベーシックエレクトロニクス-ホール効果

説明

Uses

電流の種類

拡散電流

ドリフト電流

ベーシックエレクトロニクス-抵抗器

記号と単位

カラーコーディング

重要な用語

抵抗

リアクタンス

インピーダンス

コンダクタンス

抵抗器の回路接続

直列抵抗

抵抗

電圧

現在

並列の抵抗器

抵抗

電圧

現在

ベーシックエレクトロニクス-非線形抵抗器

サーミスタ

フォトレジスタ

バリスタ

表面実装

ベーシックエレクトロニクス-線形抵抗器

可変抵抗器

ポテンショメータ

レオスタット

トリマー

ベーシックエレクトロニクス-固定抵抗器

炭素組成

ワイヤー傷

厚膜

可溶抵抗器

サーメット膜抵抗器

金属酸化物皮膜抵抗器

薄膜

炭素皮膜抵抗器

金属皮膜抵抗器

ワット数

ベーシックエレクトロニクス-コンデンサ

記号と単位