スイッチとしてトランジスタを使用すると、なぜコレクターに常に負荷がかかるのですか？

BJTを飽和モードで使用する場合にスイッチとして使用すると、負荷が常にコレクターにあることが参照回路でわかります。NPNの場合、エミッタはグランドに接続され、PNPの場合、エミッタは次のように電源に接続されます。

1. なぜ負荷は常にコレクターにあり、その逆ではないのですか？
2. トランジスタはスイッチとしてのみ機能しているので、BJTの代わりにFETを使用することもできますか？
3. 複数の7セグメントディスプレイを多重化するためにBJTを使用している場合、7つのセグメントすべての電流がトランジスタを通過します。では、飽和モードで7セグメントユニットごとに個別のトランジスタを使用する場合、異なるトランジスタの電流ゲイン値が異なると、7セグメントディスプレイの輝度が異なるのでしょうか？

接地エミッターを使用する必要はありませんが、代替案を検討してください

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

（飽和状態の）スイッチとして使用されるトランジスタは、通常、約0.2ボルトのコレクタエミッタ電圧を持っています。ベースエミッタ電圧は約0.7ボルトになるため、VsはVccよりも少なくとも0.5ボルト高く、ベース電流を必要なレベルまで上げるためにR2に必要な電圧に加えなければなりません。そして、そのベース電流は重要になります。「通常の」ゲインに関係なく、飽和状態のNPNトランジスタははるかに低いゲインを表示します。一般的な経験則では、低いVceを確保するためのゲインは10です。したがって、図に示す回路は、2番目のより高い電源がないと使用できません。これは、便利ではありません。

これは、次に、3番目の質問に答えます。トランジスタは（通常の線形標準によって）著しくオーバードライブされるため、トランジスタ間のゲインのばらつきは通常、明らかな影響を及ぼしません。示されている回路では、50％の電圧増加により、トランジスタ電圧が0.2ボルトから0.3ボルトに増加し、負荷電圧が4.8ボルトから4.7ボルトに低下します。また、ディスプレイやLEDなどでは、これは目立ちません。

質問2に関しては、答えは間違いなくイエスです。FETとMOSFETは、ゲート電流が非常に少ないため（遷移中を除く）、多くの点で駆動が容易です。そして実際、CMOSはマイクロプロセッサとグラフィックチップの主要なテクノロジーであり、チップあたり数百万のトランジスタが存在する可能性があります。まあ、実際には、ハイエンドのCPUとグラフィックスICは現在、10億から20億のトランジスタで動作しています。現在の要件により、BJTを使用してこれを実行することは不可能です。

コレクタに負荷をかける簡単な理由は、ベース電流を負荷とは無関係に保つためです。これにより、トランジスタを確実に飽和状態に保つことがはるかに容易になります。

負荷がエミッタにある場合、ベース電流は負荷に依存します。負荷がLEDの場合、必要な電流に到達するためにトランジスタベースに印加する必要がある電圧は、LEDの順方向電圧によって上昇します。

負荷がモーターであり、それがエミッターに接続されている場合、ベース電流はモーターに依存し、モーターが回転するにつれて場所によって変化します。

1. 常にではない。「エミッタフォロア」と呼ばれる回路があります。それらは電圧を増幅しませんが、入力電流を増幅します。

2. はい、スイッチングの目的でFETも使用されます。ローサイドスイッチにはnチャネル、ハイサイドスイッチにはpチャネルが使用されます。

3. BJTを飽和モードにした場合、メーカーが指定した最低のゲインでトランジスタを飽和状態に保つのに十分なベース電流を供給する限り、異なる電流ゲインは問題になりません。

7セグメントLEDディスプレイを駆動する場合、トランジスタを制御して電流を制御することはできません。計算された電流制限抵抗と飽和スイッチのパルス幅変調を使用して、電流/輝度を制御します。このアプローチにより、トランジスタのばらつきがなくなります。

負荷がエミッタに配置される方が良い場合が多くあります。例えば：

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

ここで、多重化されたLEDのセットは、ハイサイドドライバーのエミッターフォロワーによって駆動されます。（8桁の7セグメント+ DPディスプレイでは、8個のハイサイド、8個のローサイド、および8個の抵抗が後者と直列になります）ベース抵抗が必要ないため、スペースと部品を節約できます。

またはここ：

^{この回路をシミュレート}

ここで、ロジックゲートは4.5VDCリレーコイルを直接駆動し、追加のコンポーネントは必要ありません。

エミッタフォロアでは電圧ゲインは得られませんが、反転なしで電流ゲインが得られます。これがまさに必要な場合もあります。

エミッターフォロワーは通常、トランジスターを飽和させません（コレクターよりも高い電圧でベースを駆動し、ベース抵抗を追加することで可能ですが、ベースが同じ電圧またはそれより低い電圧で駆動されている場合は起こりません）コレクタ。

これは、トランジスタ全体で少なくとも0.6Vの低下を意味します。これは必ずしも悪いことではありません。また、トランジスタは飽和しないため、スイッチングが速くなります。共通エミッタスイッチ回路は、Vceの1/10でトランジスタを飽和状態に押し込むことができ、発熱を最小限に抑えます。