弛張発振回路を使った電子ふりこの原理など豆電球や LED を光らせる回路として使われ、周RikaTan39 号（2021 年 8 月号）連携期が短いものはブザー音として聞くことができます。

ドゥサイエンス 代表 福武 剛

ここではこの回路を利用した電子ふりこの記事

FUKUTAKE Tsuyoshi（RikaTan 通巻 39 号 2021 年 8 月号：P65－67「ゆれ続ける電子ふり子をつくろう」の補足記事とし

弛張発振回路は、一定周期で短時間だけ電気がて、ふり子がゆれ続ける仕組みを解説します。

流れます。周期が長いものは「豆電球がピカッピカッ」

図１ 電子ふりこの構成 ふり子とブレッドボード上に組んだ回路、単 3 電池 2 本で動かします。

1

CA
赤LED

C

回路図・配置図・ブレッドボード

10μ

青LED

赤LED

トランジスターの働き

1

し ち ょ う はっしん か い ろ

図 1 の電子ふり子の回路は、ブレッドボード（以赤LEDBATEB今回作る電子ふり子は、弛張発振回路（図 2青LED

青LED下 BB）上に組みます。BB の碁盤目の穴に部品のⅠ）を利用します。この回路は周期的に短時間だ51

LEDの部品の配置を示したものが配置図（図２Ⅱ）です。豆電球や LED が、一定周期でピカッピカッとす。

光ります。
2XX

回路図は部品同士のつながりを示します（図２くりかえしⅠ）。つながりは電気の通る道であり、部品に電気YXYXYXY

ピカッと光るときにトランジスタ Q2 がオンになります（E から C へコレクター電流が流れる）。そのが流れることにより回路がいろいろな働きをしま

13か？

B

トランジスターの働きを確かめながら弛張発振

Q2
A950

C

R1100k

L
LAMP

E

3V

③豆電球駆動B
Q1
C2120

回路の動作を解析していきましょう。
NPN型トランジスター

2L
L

D
LED

R210①コイル駆動②LED 駆動

DC2120

RAV
BAT

ICB

Ⅱ 配置図

IB

A950

図３ NPN 型トランジスターの動作

10μ

LED

VR 100k

IC

トランジスターには足が 3本あります。それぞれ B
VBATRB ミ ッ タ（ベース）、E（エRAー）、C（コレクター）と呼ばれています。

RB

E

B

①コイル駆動2B

VR
Q1（C2120）はNPN 型トランジスターです。
100k
Q2

3C

3

電池/3V

R1(100k)

4E

C

D
LED

IB

1

D
LED

PNP型トランジスター

E
C
B

C
10μE

VR
100k

C

3

うにして電流のオン・オフが繰り返されるのでしょう

E

1C

C

E

A950

B

す。そしてしばらくするとまたオンになります。どのよⅠ 回路図
2Q2

後、すぐに Q2 はオフになり電流が流れなくなりまAす。

L（コイル）

A950

3V

C

NPN 型トランジスターでは、ＣとＢから入った電流
R1100k

Ⅲ 写真B

EC

け①コイル、②LED、③豆電球などに電気を流しまC

Y

足を差し込んで回路を作ります（図２Ⅲ）。この時515151

E51X

LL

D

Q1C2120はＥから出ていきます。コレクター電流
IC はベース
C10μ
電流 IB に比例し、比例定数を電流増幅率ｈＦＥと呼R210DLEDびます。今回使っている小型のトランジスターの電流増幅率ｈＦＥは 100-200 です。ｈＦＥが 100 のトラ

4

図２ 電子ふり子の回路

ンジスターでは、コレクター電流
IC はベース電流
IB
B
CA2

A

C

Dの 100 倍流れます。このため、トランジスターは電型（A950）の二つのタイプのトランジスターを使流増幅素子と呼ばれています。

います。二つのタイプの働きは同じで、電流の向き

図 3 の回路ではベース電流 IB は、抵抗ＲＢによが異なります。って変えることができます。IB が変わると、コレクタ
NPN型トランジスター

IBー電流 IC が変わり、IC は LED に流れる電流ですから、LED の明るさも変わります。と C から出ていきます。

B

ICCRA2 E から入った電流は B

PNP型トランジスター
E1B IB は E から B へ流れます。

RB

A

CVBATBIBVBATIC

RBRA IC は E から C へ流れまCす。

E

ベース電流 IB はベース電圧ＶＢと一定の関係がBあります。ＶＢ、IB、IC の関係を示した図４のように、
図５ PNP 型トランジスターの電流は NPN トラン

VB を０ V から増やしていくと、IB したがって IC は、1ジスターの逆向きに流れる
B

VR
100k

3超えると VB の増加に応じて IB そして IC が増加しま

E

ジスターQ1、Q2 を使っています。LED を光らせるQ1C2120

たとえば、VB が 0.1V 増えるごとに IB が 3 倍にな

Q2 のコレクター電流 IC2 は Q2 のベース電流 IB2C10μる、といった増え方をします。

R2102

弛張発振回路は図６に示すように、二つのトランCす（オン）。VB の増加に対して IB の変化は大きく、B

し ち ょ う は っ しん か い ろ

弛張発振回路の電気の流れ方

Q2A9503V

R1100k
CDにより決まります。I
B2 は Q1 のコレクター電流 IC１LED

RAC

V
V
すので、I
C2 は IB1 により決まることになります。Q1B
BAT
BAT

VB⇔IB
B

Cと Q2 の電流増幅率ｈFE がそれぞれ 100 とすると、IC2 は IB1 の 10,000 倍になります。

VBが限界値以下のときIBは0
限界値≒0.55V

I B22B

C

VR
100k3

ICはIBのhfe倍（比例）hFE：直流電流増幅率E1IC

Q2A9503V
R1100kC3RBD

E

VBが決まればI
Bが決まる
A
IBが決まればVBが決まる

IB

L
L

RB

任意軸

4Bに等しく、IC1 は Q１のベース電流 IB1 により決まりまVB

B

I B１

図 4 トランジスターの IB-ＶＢ、IB-IC、IC-ＶＢのグ
ラフ（軸の目盛りは任意だが、IC 軸の一目盛りはE

3E

1ＶＢが約 0.55 V までは０ A です（オフ）。これを
2I C1

I C2

Q1C2120C10μIB 軸の一目盛りのｈＦＥ倍）R210弛張発振回路では NPN 型（C2120）と PNP

DLED

図 6 IC2 は Q1 のベース電流 IB1 により決まる

43A

B

C

E
B

C

RA
しちょう はっしんRB弛張発振回路の動作

V

CVす。

B
BAT
LED のオンオフを決めているのは
Q1 のオンオ BAT

RBオンERAオフ

フですから Q1 のベース電圧の変化を考えればいいことになります。

VB１03V
I B2
I B2 ＝ I C1 B

VR100k

C32E1ΔV0放電

Q2X

A950

VB１B

I B１E

R1100kC3V

I C1Q1C2120

VC20

I C2

時間S

VC2

充電 Y

A1B1

A2B2

図8 弛張発振回路の各部の電圧、電位差の変化

0V

ΔV

C10μ（簡略化した表示）
R2
10回路に電源をつないだ時（時間 S）にはコンデD
LED

ンサーは充電されていないのでΔV は０ V、Q2 は図 7 LED に流れる電流（IC2 の一部）は Q1 のオフのため VC2 も０ V、VB1 も０ V です。

ベース電流 IB1 により決まる
図 7 では、3 つの場所の電圧に注目します。Q1時間 S から時間 A1 の間は抵抗 R1 および VR

B B1、Q2 のコレクター電圧 VC2、およのベース電圧 V

Cを通じてコンデンサーに電流 I0 が流れ込み（充Dでるた電）、ΔV が徐々に増加します。

びコンデンサーの電位差 Δ V です。ΔV は VC2 側を基準とします。

ΔV と VB1 は同じように増加し、VB1 が、ベース電

VB1 ＝ ΔV ＋ VC2 ・・・・・・・・・・・・・（１）

流が流れる限界電圧に達すると IC2 が流れ、LEDコンデンサーの電位差は蓄電量ｑに比例しますが点灯するとともに VC2 が電源電圧までほぼ瞬時ので
ΔV ＝ ｑ/Ｃに上昇し、コンデンサーの放電が始まります（時間・・・・・・・・・・・・・（2）A1）。となります。ここでＣはコンデンサー容量です。ｑ

時間 A1 から B1 までは、コンデンサーが放電しはコンデンサーに流れ込む電気の方向によって、ΔV が＋0.55 V から 0、さらにーに下がっていきま

図で右向きのときは＋（充電）、左向きのときはーす。コンデンサーの放電電流は VR および R1 を通（放電）になります。って流れる電流 I0 と合わさって Q1 のベース電流

図８に VB1、ΔV、VC2 の時間的な推移を示しまIB1 となります。
4コンデンサーの放電が進むにつれてΔV が低るためには LED と並列に R2（10 Ω）を追加しな下するため VB1 が下がって、時間 B1 で限界電圧ければなりません。R2 が無いか、R2 の抵抗値がに達すると、トランジスタがオフになり IC2 が０、VC2高い（例えば 100Ω）とオフにならないのです。

が０になります。すなわち、VC2 が瞬時に３ V から０

なぜ抵抗値が高いとオフにならないのでしょう

V に下がるのです。

か？これを理解するには、トランジスター回路につトランジスターがオフになるとコンデンサーの充いてもう少し詳しく知る必要があります。

電が始まります。時間 S ではΔＶは 0 でしたが、時図３で、コレクター電流 IC はベース電流 IB に比間 Bｎ（ｎ＝1，2，・・・）では-2.45（0.55―3.0）

例すると説明しました（トランジスターの言いＶから始まります。

分）。少し考えると IC がいくらでも増えるのはおかトランジスターがオフの間はコンデンサーに充電しいと気付きます。IC の最大値は電源を直接負荷し、コンデンサーの電圧が上昇して、トランジスター（豆電球、LED、抵抗など）につないだ場合です。

をオンにするとコンデンサーが放電して、またトランIB を増やしてもこれ以上 IC は増えません（抵抗のジスターがオフになります。

言い分）。IB を増やしていくと最初は IB に比例してコンデンサーは抵抗 R1 および VR を通じて流IC が増えます（トランジスターの言い分）が、あるとれる電流でゆっくり充電されますが、放電は電流をころから IC は一定になります（抵抗の言い分）。

制限するのが 10 Ωという低い抵抗なので短時図７の回路で、R2 の抵抗値が低い場合（10間で完了します。オンになる時間が短いので LEDΩ）と高い場合（100 Ω）の IB1 による IC2 の変化はピカッピカッと光ります。光る周期は主として充は図９のようになります。

抵抗の言い分

電時間の長さによって決まります。
しちょう はっしん

抵抗値＝低A

弛張発振回路の秘密（どのようにしてオフになる？）

I C2

B
抵抗値＝高

弛張発振回路で LED の代わりに、豆電球を点B’滅させるには R2 と LED を取り去り、LED の足をA’差していたところに豆電球の導線を差し込めば

I B1OK です（図２Ⅰ③）。

I０：抵抗R1およびVRを通じて流れ込む電流

図9 弛張発振回路で抵抗R2が低い場合と高い

このあと豆電球を抜いて LED を差し込むと場合の IB1 による IC2 の変化の比較（トランジスタLED は点灯したままになります。LED を点滅させーの言い分と抵抗の言い分）
5抵抗値が低い場合、高いベース電流（IB1）まで同期ということトランジスタの言い分が通るのに対し、抵抗値が足底に磁石を付けた人形をふり子にして、人形高い場合は低い IB1 で抵抗の言い分に移ります。

がコイルの上に来た時電流を流して反発させれば弛張発振回路（図７）でトランジスタがオンにな揺れ続くふり子ができます。弛張発振回路の LEDるとコンデンサーの放電が始まります。トランジスタの代わりにコイルを接続するとコイルは一定の間ーQ1 の B（ベース）にはコンデンサーから放電さ隔でオンになります。周期を調整してふり子のふれれる電流と、抵抗 R1 および VR を通じて流れ込むに合わせると揺れ続けるふり子ができるように思

電流 I０を足し合わせた電流が流れ込みます。

えますが、周期を合わせただけではダメで、コイルコンデンサーの電流は放電するにつれて小さくの上に磁石が来た時にオンにならないとふれ続けなるので抵抗が低い場合は図９の A から B のようることになりません。に変化し、「トランジスターの言い分」の線に乗ると人形の動きとコイルに流れる電流のオンオフがIC2 が下がり始めます。

ちょうど合うようになることを同期といいます。弛張

IC2 が下がると VC2 が下がり、コンデンサーの放発振回路を使った電子ふり子で、ふり子の動きと電電流がさらに減り、IC2 の低下を加速します。コン

オンオフのサイクルを同期させる仕組みはどうなっデンサーが放電し（ΔV がーになる）、VC2 が下がているのでしょうか？って VB１（＝VC2＋ΔV）が限界値（0.55 V）を下回同期するためには電気を流す合図になる引き金

ると IC2 が０（トランジスタがオフ）になります。と、引き金によって電流を流す仕組みが必要です。

このようにコンデンサーの放電電流が IC2 に影

ふり子の磁石がコイルの上に来た時に引き金を引響するとき（トランジスターの言い分が通っている

くのがコイルに発生する誘導起電力、引き金に応とき）、一旦 IC2 が下がり始めるとトランジスターはじてトランジスターをオンにするのが弛張発振回路急速にオフになります。

です。



一方、抵抗値が高い場合は、コンデンサーの放コイルに発生する誘導起電力

電電流が A‘→B’のように減っても、IC2、したがっコイルの上を磁石が通るとき、コイルが受ける磁て VC2、が変わりません。コンデンサーの放電電流場は最初増加し、最大値に達した後減少します。コが 0 になっても VB1 は限界値に達しないため、IB1

イルに発生する起電力は、磁場の強さの変化率に（＝I0）が流れ続け、トランジスターはオフにならず、比例しますので、最初増加し、その後減少に転じ、オンのままになります。

磁場の強さが最大になったところで０に、その後逆6

向きの起電力が増加し最小値に達した後増加しだけ上げ、そのために VB2 が上がり（（1）式）、トラて０にもどります（図 10）。

ンジスターQ1 のベース電流が流れ始めます。少しでも電流が流れ始めると VC2 がさらに上昇してコ1.5

磁石が動く方向

磁場の強さ

磁場・起電力（相対値）

ンデンサーからの放電を加速するため、トランジス誘導起電力

1ターは一気にオンになりコイルに電流が流れ、磁0.500-0.5-10.2
Ⅰ0.40.6

Ⅱ0.8Ⅲ

石を押します。

1オンの時間は一瞬で、トランジスターはオフに転Ⅳ

磁石の位置じますが、コイルに流れる電流が切断されたときにコイル-1.5磁石（ブランコ）の位置（相対値）発生する逆起電力を LED に流すことにより、トラン

図10 ブランコの移動によるコイルが受ける磁場ジスタが確実にオフになります。の変化及び誘導起電力の変化（概念的に表示）

一旦同期が取れると、コイルに電流を流すタイミ

誘導起電力は磁場の変化を妨げる方向に発生ングがふり子の磁石の位置によって決まるため、そします。コイルに流れる電流は磁石を反発する方のまま同期状態が継続します。

向の磁場を作りますので、磁石が近づいてくるとき磁石とコイルが同期していないときは、コイルに発生する起電力は電池から流れる電流と同じ方向流れる電流がふり子の動きを妨げるように働くのになります。すなわち、図 10 の誘導起電力が＋のでふり子の動きが変わり、しばらくするうちに同期とき図７の VC2 は増加し、－のときは減少することにがとれるようになります。

なります。



同期したときの回路の動作調整
回路に電源をつながないでふり子をゆらし、10

図2 のコイル駆動弛張発振回路では、LED はコ回ゆれる時間を測ります。ふり子をコイルから遠ざイルに流れる電流が切れるとき（トランジスターがけて、電源をつなぎ、同じ時間で LED が 9 回点灯オフになるとき）ピカッと光ります。ふり子の無いとするぐらいに VR を調整します。

きの点灯周期をふり子の周期よりやや長めにしてふり子がコイルの上にあるように調整して、電源おきます。

を入れ、手でふり子をゆらします。しばらく様子をふり子の磁石がコイルに近づいたとき、コンデン見てください。同期したときはふり子のふれが大きサーはトランジスターをオンにするにはやや少ない

く、力強くふれます。

ところまで充電されています。近づく磁石によりコ振れが小さくなっていくようでしたら、同期してイルに発生する誘導起電力は VC2 を０ V から少し7いないので、可変抵抗器 VR のつまみを少しまわして試す、また少しまわして試す、を繰り返してみてください。



他のふり子などへの応用
周期が一定なものであればブランコやヤジロベエなどにも応用できます。周期は抵抗とコンデンサーの容量の積に比例します。周期を遅くするためには R1 と VR の抵抗値を増やします。
周期が短い場合は 2 回に 1 回の同期を狙うな
どの方法も使えます。
ドゥサイエンス代表福武 剛（ふくたけ つよし）
URL：http://www13.plala.or.jp/S3J/

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