トランジスタのスイッチ回路｜Arduinoでモーターや多くのLEDを動かす、ベース抵抗の決め方

モーターを動かす例とダイオード

なぜダイオードが必要か

モーターやリレーの中にはコイルがあります。コイルは電流の変化を嫌う性質があり、トランジスタで電流を止めた瞬間に、電流を流し続けようとして高い電圧を発生させます。これを逆起電力といいます。この電圧はトランジスタのコレクタにかかるので、耐圧を超えるとトランジスタが壊れることがあります。

そこで、モーターと並列にダイオードをつなぎます。トランジスタがオフになった瞬間、コイルの電流はこのダイオードを通って回り続け、モーターの中で消費されます。これをフライバックダイオードや還流ダイオードと呼びます。

向き

ダイオードは、普段は電流が流れない向きでつなぎます。

• カソード（帯のある側）を、負荷の電源のプラス側に。
• アノード（帯のない側）を、トランジスタのコレクタ側に。

向きを逆にすると、トランジスタがオンになった瞬間にダイオードを通って大きな電流が流れ、ショートに近い状態になります。電源を入れる前に、必ず確かめます。

ダイオードには、モーターの電流以上を流せる物を選びます。小信号用の小さなダイオードではなく、整流用ダイオードやショットキーバリアダイオードがよく使われます。

起動時の電流に注意

モーターが止まった状態から動き出す瞬間には、回っているときの数倍の電流が流れます。軸が止められた状態でも同じです。「定格100mAのモーターだから100mAのトランジスタでよい」とは考えず、止まった状態の電流（データシートの「ストール電流」）か、その見当をもとに、余裕を持って部品を選びます。

小型のDCモーターでは、起動時に1Aを超えることもあります。このような場合、小信号用のトランジスタでは足りないので、MOSFETやモータードライバを使います。

電源を分ける

モーターの電流の変動やノイズは、Arduinoの動作を不安定にすることがあります。Arduinoが勝手にリセットされる場合は、電源の電圧が下がっている可能性があります。

対策は次のとおりです。

• モーターの電源とArduinoの電源を分け、GNDだけを共通にする。
• GNDの配線は、モーターの大きな電流がArduinoのGNDを通らないように引き回す。
• 電源の近くに、電解コンデンサとセラミックコンデンサを入れる。

プログラムの書き方

オンとオフ

回路がスイッチなので、プログラムは LEDの点滅 と同じです。

const int controlPin = 9;  // ベース抵抗につないだピン

void setup() {
  pinMode(controlPin, OUTPUT);
  digitalWrite(controlPin, LOW);  // 最初はオフにする
}

void loop() {
  digitalWrite(controlPin, HIGH);  // オン
  delay(2000);
  digitalWrite(controlPin, LOW);   // オフ
  delay(2000);
}

setup() の中で、最初に LOW を書いておくと、オフから始まることがはっきりします。

PWMで速さを変える

analogWrite() を使うと、オンとオフを高速に切り替えて、平均の電力を変えられます。これがPWMです。Arduino Unoでは、ピン番号の横に「~」の印があるピンで使えます。

const int controlPin = 9;

void setup() {
  pinMode(controlPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // 少しずつ速くする
  for (int duty = 80; duty <= 255; duty += 5) {
    analogWrite(controlPin, duty);
    delay(50);
  }
  delay(1000);
  analogWrite(controlPin, 0);  // 止める
  delay(2000);
}

モーターは、値が小さいと動き出せずに、うなるだけになることがあります。止まった状態で電流だけが流れるので、低い値を長く続けないようにします。上の例で80から始めているのはそのためですが、適切な値はモーターによって違います。

PWMでも、トランジスタはオンかオフのどちらかなので、基本的に発熱は増えません。ただし切り替えの瞬間に少し熱が出ます。高速な切り替えが必要なときは、専用のドライバを使います。

逆転はできない

この回路で変えられるのは、回す・止める・速さまでです。逆転させるには、電流の向きを変えるHブリッジという回路が必要です。手作りするより、モータードライバICを使うのが確実です。

MOSFET・リレーとの使い分け

同じ「スイッチ」の役割を持つ部品には、ほかにMOSFETとリレーがあります。

MOSFETを選ぶとき

MOSFETはゲートの電圧で動くので、定常の電流がほとんど流れず、ピンの負担がありません。数百mAから数Aを扱うなら、こちらが有力です。

注意点は、ゲートの電圧です。データシートに書かれた「ゲートしきい値電圧」は、電流が流れ始める電圧で、十分にオンになる電圧ではありません。ドレイン・ソース間のオン抵抗（RDS(on)）が、どのゲート電圧で規定されているかを確かめます。5Vや3.3Vで規定された「ロジックレベル」の品を選びます。

リレーを選ぶとき

リレーは電磁石で接点を動かす部品で、制御側と負荷側が電気的に分かれます。ただしコイルの電流が大きいので、Arduinoのピンで直接は動かせず、やはりトランジスタとダイオードが必要です。音がするうえ接点に寿命があるので、速い切り替えには向きません。

よくある失敗と確かめ方

動かないとき

テスターで確かめる手順

1. Arduinoのピンを HIGH のままにして止める。
2. ベースとエミッタの間の電圧を測る。0.7〜0.9Vほどが正常の目安。
3. コレクタとエミッタの間の電圧を測る。0.1〜0.3Vなら飽和している。
4. 1V以上残っているときは、ベース抵抗を小さくするか、ベース電流の大きい部品に替える。

熱いトランジスタには触れず、電源を切ってから、冷めるのを待ちます。指で確かめる方法はやけどの原因になります。部品が焦げたにおいや、変色があれば、その部品は使わずに交換します。

回路が固まったら、ユニバーサル基板への組み替えでしっかりした形にできます。振動するモーターの回路では、ブレッドボードのままだと接触不良が起こりやすいためです。

まとめ

トランジスタは、ピンの小さな電流で、別の電源の大きな電流を制御する部品です。スイッチとして使うときは、負荷とGNDの間に入れ、ベース抵抗を入れて飽和させます。抵抗値は、負荷の電流の10〜20分の1をベース電流の目標にして、(ピン電圧 − 0.7V) ÷ ベース電流で求めます。

モーターにはフライバックダイオードを忘れず、起動時の大きな電流を見込みます。数百mAを超えるなら、MOSFETやモータードライバに切り替えます。

最初の一歩としては、手持ちの汎用NPNトランジスタと5Vの電源で、LEDを3本並列に点ける回路を組んでみてください。テスターでコレクタとエミッタの間の電圧を測り、0.2V前後になっていれば成功です。飽和した状態を数字で確かめられると、モーターの回路に進むときも自信を持って計算できるようになります。