以下の動画で紹介したLED点滅回路{弛張(しちょう)発振回路}の動作原理についての記事です．

弛張発振回路とは？？

弛張(しちょう)発振回路とは，図1のようなLEDを点滅させる回路です．

弛張…ゆるんだり張り切ったりするの意

発振…振動を発生させるの意

発振回路…電気的な繰り返し振動を発生する電子回路

動作原理は？？

動画で見たい人は下記YouTube動画をご覧ください↓

シミュレーションで電気の流れをわかりやすく理解できます．

文字で読みたい人はこのまま下へスクロールしてください↓

1. 電源を投入した瞬間

LEDの順方向電圧Vf > NPNトランジスタのベース・エミッタ間電圧Vbeなので，より電流が流れやすいNPNトランジスタのベースに電流が流れます．

なぜ電圧が低い方に電流が流れるのか気になる人は，このリンクをクリックorこのページの下の方へスクロールしてください．

LEDの順方向電圧Vf…LEDを光らせるのに必要な電圧(赤色LEDで約2.1 V)

NPNトランジスタのベース・エミッタ間電圧Vbe…トランジスタをスイッチング素子として使う場合，トランジスタをONするのに必要な電圧(約0.7 V)

2. トランジスタがON

NPNとPNPの両トランジスタ がONになります．

これによってLEDが点灯し，コンデンサが一気に充電されます．

3. コンデンサが十分に充電

コンデンサが十分に充電されると，コンデンサの端子間電圧が大きくなります．

これによってNPNのベースの電位が下がります．

なぜコンデンサが充電されるとコンデンサの両端に電位差が発生するのかを知りたい人は，このリンクをクリックor下へスクロール

4. トランジスタがOFF

NPNのベースの電位が下がると，トランジスタがOFFします．

トランジスタ がOFFすると，コンデンサが充電されないので，コンデンサはLEDを介してゆっくり放電します．

ただし，コンデンサの+側の電位がLEDの順方向電圧より低いので，LEDは光りません(LEDは発光しませんが，ダイオードとしての役割は果たします)．

LEDの順方向電圧Vf…LEDを光らせるのに必要な電圧(赤色LEDで約2.1 V)

5. くり返し

コンデンサが放電して再びNPNのベースの電位が上がると，1に戻ってトランジスタがONします．

オシロスコープで波形を見てみよう！(より詳しい説明)

オシロスコープのチャンネル1をNPNトランジスタのベース，チャンネル2をコンデンサの正極側に接続します．

すると，次のような波形が取得できます．

黄色い線がNPNトランジスタのベースの電位，緑の線がコンデンサの正極側の電位です．1グリッドは500 mV(0.5 V)です．

周期的な動作をしていることがわかりますね！

拡大してみましょう．

コンデンサが放電されて電位が上がっていき，0.6 V付近でトランジスタがONして急激に電位が上がっています↓

先ほどトランジスタは約0.7 VでONすると言いましたが，これは温度によってかなり左右されるので，この環境では0.6 VでONするようです．

これは2SC1815(NPNトランジスタ)のデータシートの図IB-VBEから読み取ることができます．

http://www.op316.com/tubes/tips/image/2sc1815.pdf

NPNトランジスタがONするとPNPトランジスタもONするのでLEDが光り，コンデンサの正極側(LEDのアノード)の電位が3.0 Vになっています．これは電源電圧ですね(電源とLEDを直で並列につないでいるので)↓

両トランジスタがONすることにより，コンデンサの正極側の電位が約1.5 V(黄緑の線)から3.0 Vに跳ね上がっています↓

トランジスタ0FFのとき…

(コンデンサ負極側の電位)=(LEDがダイオード としての役割を果たす最小の電圧1.5V)-(コンデンサの端子間電圧)

トランジスタONのとき…

(コンデンサ負極側の電位)=(LEDにかかる電圧3.0 V)-(コンデンサの端子間電圧)

※コメントでご指摘いただきましたが、正しくはコンデンサの負極側のところ、正極側と記載しておりました。混乱された方がいらっしゃいましたら、お詫び申し上げます。

ちなみにLEDが光っていない時にもLEDには1.5 Vほどの電圧がかかっています．これはLEDがダイオード としての機能を持つ最小の電圧です．順方向電圧(2.1 V)に満たないので発光はしませんが，ダイオード としての機能は果たします(図の両端の緑の線)．

トランジスタのベースの電位はコンデンサの正極の電位に引っ張られて，0.5 Vから1.6 Vまで跳ね上がっています↓

その後，コンデンサはPNPトランジスタを介して一気に充電されるので，トランジスタのベースの電位が下がり，再びトランジスタがOFFします↓

電圧が低い方に電流が流れる理由は？？

ダイオードの特性から考える！！

「1. 電源を投入した瞬間」では，

LEDの順方向電圧Vf > NPNトランジスタのベース・エミッタ間電圧Vbeなので，より電流が流れやすいNPNトランジスタのベースに電流が流れる

と書きました．

この理由を見ていきましょう．

感覚的に言えば，「LEDを光らせる方が労力が必要で，トランジスタをONさせる方がエネルギーが少なくて済むから」ですが，より詳しく理解したい人は読み進めてください．

ここでポイントとなるのは，LEDもトランジスタも，ダイオードでできているということです．

トランジスタは，2つのダイオードを組み合わせたような形をしていますね！

ということで，ダイオードの特性を理解すれば図1の点滅回路において

LEDの順方向電圧Vf > NPNトランジスタのベース・エミッタ間電圧Vbeなので，より電流が流れやすいNPNトランジスタのベースに電流が流れる

この理由がわかりそうですよね！

ポイントとなるダイオードの特性はズバリ，

ダイオードにかける電圧が，ある一定の値(順方向電圧Vf)を超えると，急激にダイオードに流れる電流Ifが増加する

です．

図にすると図7のようになります．

このような図は，使用する部品のデータシートから見ることができます．

ここで，図1の回路をわかりやすく書き換えると，このようになります．

図8から，LEDとトランジスタのベース・エミッタ間 が並列に接続されていることが分かりますね！

厳密にはコンデンサがありますが，電荷が溜まっていない状態ではただの導線とみなすことができます．

LEDとトランジスタのベース・エミッタ間が並列に接続されているということは，この2つにかかる電圧は等しくなります．

(トランジスタのベース・エミッタ間 Vbe) = (LEDにかかる電圧Vf)

このとき，ある一定の電圧をトランジスタとLEDにかけたときのIf-Vf図は図9のようになります．

図9から，

LEDの順方向電圧Vf (2.1 V)> NPNトランジスタのベース・エミッタ間電圧Vbe(0.7 V)なので，より電流が流れやすいNPNトランジスタのベースに電流が流れる

ということが分かりますね！！

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順方向電圧が低い方が電流が流れやすい現象をLEDを使って簡単に再現

順方向電圧Vfが低い方に電流が流れるという現象は，同じLEDを使っても確認することができます．

赤色LEDの順方向電圧…約2.1 V

青色LEDの順方向電圧…約3.5 V

赤色LEDの順方向電圧<青色LEDの順方向電圧

なので，赤色LEDと青色LEDを並列に接続した場合，順方向電圧の低い赤色LEDの方が明るく光るはずです．

まずは青色LEDのみ….

赤色LEDを加えると…

図12から，赤色LEDを加えると，青色LEDが消灯していることが分かります．

これで，順方向電圧が低い方がより電流が流れやすい現象を確かめる簡単な実験ができました！

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なぜコンデンサが充電されると両端に電位差が発生するのか？？

この理由は，電池に置き換えると分かりやすくなります．

単三の乾電池の電圧は，使用前には1.6 V程度あります．

しかしすぐに1.2 V程度まで落ち，最後には1.0 V以下にまで落ちてしまいます．

コンデンサもこれと同じで，放電するにつれて電圧が下がり，

逆に充電されると電圧が上がっていきます．

試しに，下のような回路でコンデンサを充電してみます．

すると，コンデンサの端子間電圧V_Cは下の図のようになります．

3秒間コンデンサを充電すると，コンデンサの端子間電圧は3 Vになっていることがわかります．

ですので，図4のとき，コンデンサの両端には電位差が発生します．

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