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» 2015年12月21日 11時30分 公開

マイコン周辺部品の選び方――トランジスタ/MOSFET編Q&Aで学ぶマイコン講座(21)(2/3 ページ)

[菅井賢(STマイクロエレクトロニクス),EDN Japan]

トランジスタの種類と使い方

 最初にトランジスタの基本を説明をします。トランジスタにはNPN型とPNP型があります(図1参照)。

図1 トランジスタの種類と使い方 (クリックで拡大)

 スイッチング素子として使う場合、NPN型は負荷よりも接地側に付け、PNP型は負荷よりも電源側に付けます。NPN型の場合、ベースに電源電圧(以下、Highレベル)を印加するとONします。PNP型の場合ベースに接地電圧(以下、Lowレベル)を印加するとONします。トランジスタのベースにはベース電流が流れますので、マイコンの汎用IOを出力端子としてベースに接続する場合には、ベース電流の値に注意する必要があります。NPN型の場合は、ベース電流はマイコンからトランジスタへ流れ、逆にPNP型の場合はトランジスタからマイコンへ流れます。

汎用IOを出力としてトランジスタ入力に接続する場合

 マイコンの汎用IOを出力として使用する場合、電流が流れると電圧降下が発生し、Highレベルでも100%の電源電圧値は出ません。また、Lowレベルでも完全に接地レベルまで下がりません。どのくらいの電流が流れると、どのくらいの電圧降下が発生するかは、マイコンのデータシートに記載されています。

図2 汎用IOの特性に関するデータシートの記載例(STマイクロエレクトロニクスのSTM32F103シリーズデータシートより抜粋) (クリックで拡大)

 図2はSTマイクロエレクトロニクスのSTM32F103シリーズのデータから抜粋した汎用IOの特性です。最上段に書かれているのは出力Lowレベルのスペックです。Conditionsの中にIIO=8mAと記載されていますが、このときVOLのmaxは0.4Vと記載されています。すなわち、汎用IOをLow出力にして、8mA流すと、出力電圧は最大0.4Vまで上がるという意味です。一方、表の2段目にVOHのスペックが記載されています。ここも8mAの電流を流した場合です。この時Highレベルは電源電圧VDDレベルまで上がらずに、そこから0.4V下がった電圧が出力されるということになります。接続するトランジスタの入力特性が、これらの電圧と合っていないと、正常にHighレベル/Lowレベルを判別できなくなり、誤動作の原因となります。

トランジスタを出力として汎用IO入力に接続する場合

 トランジスタの出力をマイコンの汎用IOに接続する場合、汎用IOは入力として使います(図3参照)。汎用IOの入力レベルにはCMOSレベルとTTLレベルがあります。TTLとはTransistor-transistor logicの規格ですので、トランジスタと汎用IOを接続する場合は、TTLレベルを基準に設計します。

図3 TTLレベル(グラフはSTM32F103シリーズの汎用IOのTTL入力レベルのスペック) (クリックで拡大)

 図3中のグラフはSTM32F103シリーズの汎用IOのTTL入力レベルのスペックです。TTLレベルのHighレベルの閾(しきい)値は2.0V固定、Lowレベルの閾値は0.8V固定です。STM32F103シリーズの汎用IOは、これらのレベルに対応しているので、トランジスタと直接つなげても動作します。汎用IOの入力特性は、マイコンごとに異なります。また、対応していない場合もありますので、必ず各製品のデータシートを確認してください。

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