光電センサや近接センサの仕様を見ている、と出力方式のところに必ず書かれている「NPN」や「PNP」という記述。
他の書き方として、「NPNオープンコレクタ」や「PNPオープンコレクタ」と表現されているメーカーサイトもあります。
この２種類の出力方式を見て、このように思った方がおられるのではないでしょうか？
新人まつもと「NPN」と「PNP」って何が違うんでしょうか？
新人いしづかこれってどっちを使えばいいんだ？
この記事では、この「NPN」出力と「PNP」出力の違いについて、初心者の方でも分かりやすいよう解説していきますので、是非参考にしてみてください。
なべ一般的な制御の用途で使うのは、圧倒的に「NPN」出力が多いですね
センサが信号を出力している仕組み
センサは物体を検出したときに、制御装置へ信号を出したり切ったりしています。
この信号の入り切りは「トランジスタ」と呼ばれる半導体素子を使って行っています。
小さな電気を使って大きな電気をコントロールする”スイッチ”のような役割を果たしている素子のこと
写真の電子部品がトランジスタです。
光電センサや近接センサの中にはトランジスタの極小サイズのものが入っていて、これが”スイッチ”として機能し電流の流れを入り切りします。
この電流のON／OFFが「信号」として処理されるわけですね。
実はセンサにおける「NPN」と「PNP」の違いは、内蔵されているトランジスタの種類が違うことで生まれるんです。
さらに、トランジスタの種類の違いは次の2種類の半導体の組み合わせによって変わります。
新人まつもとなるほど、NPNとPNPは内蔵されているトランジスタの種類が違うんですね！
センサで使われるトランジスタは２種類の半導体の組合せ
センサで使われるトランジスタは次の2つの半導体を組み合わせて作られています。
ひとつが「n型半導体」、もうひとつが「p型半導体」です。
それぞれどんな半導体なのか、ひとつひとつ確認していきましょう。
n型半導体
引用先：semi journal（p型半導体とn型半導体）
「n型半導体」は、シリコン（Si）の中に不純物のリン（P）をごく微量混ぜることで作られる「不純物半導体」と呼ばれるものの一種です。
シリコンの中にリンが入ると、共有結合出来なかったマイナスの電子が1個余った状態になります。
なべマイナスの電子が１つ仲間外れになるということですね
このn型半導体に電圧を掛けると、余った電子が＋側に引き寄せられて移動していきます。
引用先：新電元工業（n型半導体、p型半導体とは）
すると、電流は電子とは逆の方向である＋側→ー側に流れます。
このような特性を持った半導体がn型半導体です。
なべ電流とマイナス電子が流れる方向は逆になるということを覚えておきましょう！
シリコンだけの半導体と比べてマイナスの電子が多いことから、ネガティブ（negative）の頭文字をとってｎ型と呼ばれています。
ひでくん半導体もマイナスが多いと”ネガティブ”って呼ばれるんだね。。。
p型半導体
引用先：semi journal（n型半導体とp型半導体）
p型半導体は、シリコン（Si）の中に不純物のホウ素（B）をごく微量混ぜることで作られる不純物半導体です。
シリコンの中にホウ素が入ると、今度は共有結合にマイナスの電子が１個足りない状態になります。
このマイナスの電子が結合出来なかった部分を正孔（ホール）と呼びます。
このp型半導体に電圧を掛けると、不安定な正孔は安定を求めて近くの電子と結合しようとします。
引用先：新電元工業（n型半導体、p型半導体とは）
近くの電子が移動して正孔と結合してしまうと、移動した電子の抜けた部分がまた新しい正孔となり、これが繰り返されることで正孔がマイナス側へ向かって生成されていきます。
この正孔が＋側→ー側へ移動することで、電流は正孔と同じ方向に流れていきます。
このような特性をもった半導体がp型半導体です。
シリコンだけの半導体と比べて正孔が多いことからポジティブ（positive）の頭文字をとってp型と呼ばれます。
ひでくん今度はプラスが多いから”ポジティブ”だね！
センサで使われるトランジスタも２種類｜それぞれの違い
センサで使われるトランジスタは、n型半導体とp型半導体を組み合わせて次の２種類が作られています。
- NPN型トランジスタ
- PNP型トランジスタ
このトランジスタの違いこそが、出力方式の「NPN」か「PNP」かを決めているわけですね。
それぞれどのようなトランジスタなのか確認していきましょう。
NPN型トランジスタ
NPN型トランジスタは次のような構造になっています。
NPN型トランジスタは、薄いp型半導体をn型半導体でサンドイッチした構造になっています。
N・P・Nの順番で組み合わせているので「NPN型」と呼んでいるわけですね。
それぞれの半導体には電極が取り付けられていて、「コレクタ」・「ベース」・「エミッタ」という名前が付いています。
NPN型トランジスタはベースにプラス（＋）、エミッタにマイナス（ー）の電圧を与えて使用します。
これらの電極に電圧を与えるとどのようになるのか、「NPNトランジスタの動作」という図でNPN型トランジスタに流れる電流の動きを見てみましょう。
引用先：ｺｱｽﾀｯﾌ株式会社（NPNとPNPの違い）
電圧を何もかけていない状態では、ベースとエミッタの間に空乏層と呼ばれる”壁”がある為、電流はどこにも流れません。
ではNPN型トランジスタのベースにプラス（＋）、エミッタにマイナス（ー）の電圧を加えてみると、どうなるのでしょうか？
図のように、エミッタのn型半導体の中にある電子がベースのp型半導体へ向かって流れていきます。
エミッタの電子がベースに流れていくと、ベースの正孔とエミッタの電子が結合してベースからエミッタ方向へ電流が流れます。
このとき、エミッタから流れてきた電子はベースを通り越してコレクタの方へ大量に流れ込んでいきます。
これは、ベースの正孔よりもエミッタの電子の方が数が多いためですね。
なべベースよりもエミッタの方が厚くなっているため、電子の数が多くなります
電子の流れる方向と電流の方向は逆になるため、この場合はコレクタからエミッタへ向かって電流が流れることになります。
これがNPN型トランジスタの動作原理です。
つまりこのベースとエミッタに加える電圧を入り切りすることで、コレクタからエミッタに向かって流れる電流をON／ＯＦＦできるわけです。
ひでくんコレクタが”門”を開いて電流を流すことから、このような出力方式を「オープンコレクタ出力」と呼んでいるよ
PNP型トランジスタ
PNP型トランジスタの構造は次の通りです。
PNP型の場合は、NPN型とは逆に薄いn型半導体をp型半導体でサンドイッチした構造になっています。
P・N・Pの順番で組み合わせているので「PNP型」と呼びます。
PNP型トランジスタにも「コレクタ」・「ベース」・「エミッタ」の電極がそれぞれに取り付けられていて、エミッタにプラス（＋）、ベースにマイナス（ー）の電圧を与えて使用します。
PNP型トランジスタの場合はどのような動きになるのか、「PNPトランジスタの動作」という図で確認してみましょう。
引用先：ｺｱｽﾀｯﾌ株式会社（NPNとPNPの違い）
PNP型トランジスタについても、電圧をかけていない状態では空乏層により電流は流れません。
次に、エミッタにプラス（＋）、ベースにマイナス（ー）の電圧を加えます。
すると、エミッタのp型半導体の中にある正孔がベースのn型半導体の方へ流れ込んでいきます。
ベースの中にはマイナスの電子が入っているので、エミッタの正孔とベースの電子が結合してエミッタからベースへ向かって電流が流れます。
このとき、結合しきれなかったエミッタの正孔がベースを通り超してコレクタの方へ流れ込んでいきます。
なべ今度は、正孔の方が数が多くなるからですね
電流の流れる方向は正孔が流れる方向と同じになるため、今度はエミッタからコレクタへ向かって電流が流れていきます。
これがPNP型トランジスタの動作原理です。
ひでくんNPN型トランジスタとは、まさに逆の動きだね
センサーへの接続方法
NPN型トランジスタとPNP型トランジスタの動作原理が分かったところで、次は各出力方式のセンサをどのように接続するのか解説していきます。
NPN出力の接続方法
NPN出力のセンサはNPN型トランジスタを使って下の図のように回路が組まれています。
引用先：北陽電機株式会社（ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ出力）
上の図から分かるように、センサが動作すると接続している負荷からセンサの出力端子に向かって電流が流れ込みます。
したがって、NPN出力のセンサを配線する際は、センサの電源を正しく繋いだうえで、負荷のマイナス（ー）側をセンサの出力端子に、負荷のもう一方を電源のプラス（＋Ｖ）側にそれぞれ接続します。
NPN型トランジスタは、B：ベースにプラス・E：エミッタにマイナスの電圧をかけるとC：コレクタからE：エミッタへ向かって電流が流れるんでしたね。
センサが動作すると、内部の制御回路によりベースとエミッタに電圧が加えられます。
すると、コレクタからエミッタを通って電源のマイナス（0V）までの回路が出来上がるので、接続した負荷からセンサの出力端子に向かって電流が流れるようになります。
センサを使ってブザーやリレーのコイルを動作させたい時は、このように接続します。
PNP出力の接続方法
PNP出力のセンサーはPNP型トランジスタを使って下の図のように回路が組まれています。
引用先：北陽電機株式会社（ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ出力）
PNP出力の場合はNPN出力とは逆で、センサが動作すると接続している負荷に向かって出力端子から電流が流れていきます。
したがって、PNP出力のセンサを接続する場合は、センサの電源を正しく繋ぎ、負荷のプラス（＋）側をセンサの出力端子に、負荷のもう一方を電源のマイナス（０V）にそれぞれ接続します。
PNPトランジスタの場合は、E：エミッタにプラス・B：ベースにマイナスの電圧をかけることで、E：エミッタからC：コレクタへ向かって電流が流れるんでしたね。
センサが動作すると内部の制御回路によりエミッタとベースに電圧が加えられ、エミッタからコレクタへの回路が形成されます。
これにより、センサの出力端子から負荷のプラス側、そして負荷のマイナス側から0V向かって電流が流れるようになります。
なべ出力端子に負荷のプラス側を繋ぐのかマイナス側を繋ぐのか、ということですね
- NPN出力のセンサ：負荷のマイナス側を信号出力に接続する
- PNP出力のセンサ：負荷のプラス側を信号出力に接続する
NPN出力とPNP出力の特徴について
センサの出力方式の違い及び接続方法について理解できたところで、それぞれの出力方式の特徴について確認していきましょう。
NPN出力の特徴
日本ではNPN出力が一般的
日本の設備において、制御に使用するセンサの大部分がNPN出力です。
PLCやインバータなど、設備を制御する機器においても、NPN出力に対応しているものが主流となっています。
そのため、日本国内で使用するセンサは、特別な理由がない限りはNPN出力のセンサを選択するようにしましょう。
ひでくんどっちか迷ったらNPN出力のセンサだね
センサの品種が豊富
日本ではNPN出力のセンサが一般的に使われるというところから、やはりセンサの種類は圧倒的にNPN出力のものが多いです。
光電センサはもちろん、近接センサや超音波センサなど、国内メーカが取り扱うセンサのほとんどがNPN出力に対応しています。
機種によってはNPN出力とPNP出力を選んで購入することが出来ますが、特に指定せず標準品を購入すると基本的にはNPN出力のセンサになります。
出力が地絡すると負荷が誤動作する可能性がある
NPN出力の出力線が地絡してしまった場合、負荷に電圧がかかる（負荷のプラスから地面の0Vへ向かって電流が流れる）回路が出来上がってしまう為、負荷が誤動作してしまう可能性があります。
リレーならONする、ブザーなら音が鳴る、表示灯なら点灯するといった具合ですね。
場合によっては機械が勝手に動いてしまうことも有り得なくはありません。
この点はNPN出力のデメリットと言える部分です。
なべ回路で対策することが大事ですね
PNP出力の特徴
ヨーロッパでよく使われる
ヨーロッパの産業界においては、日本とは違いPNP出力のセンサが一般的によく使われます。
そのため、PLCの入力についてもPNPに対応したものが主流となっています。
そのため、例えばシーメンスなどの海外メーカーのPLCを選定する場合などは注意が必要です。
逆に日本で設計・製作した制御装置をヨーロッパなどの海外に納入する場合も、事前の確認や打ち合わせで仕様をしっかりと決めておくことが肝要です。
ひでくん海外と取り引きがある方は要注意だね
安全関連のセンサはPNP出力
ライトカーテンなど、人の安全を守るために使われる「セーフティセンサ」については、日本の製品であってもPNP出力のものが一般的です。
人の安全を守るために使うことを許されたセンサのこと、自らの故障や断線を自身で検知することができる機能をもつ
なぜ安全用途のセンサがPNP出力なのかというと、センサの出力線が万が一地絡したとしても負荷に電圧がかからない（出力の線が地絡＝0V、負荷が繋がっている線も0Vなので電流が流れない）ためで、これによって負荷の誤動作が起きにくくなるというメリットがあります。
安全専用PLC（セーフティコントローラー）についても、入力はPNP出力のセーフティセンサに対応しています。
なべこれがPNP出力の大きなメリットですね
NPN入力の機器でも使えなくはない
PNP出力のセンサーを一般的なPLCで使う場合、リレー受け（センサーにリレーを繋いで間接的に信号を入力する）すれば使うことは可能です。
どうしてもPNP出力のセンサーしかないという場合でも、リレーを使って工夫すれば何とかはなるので、1つの打ち手として覚えておくといいでしょう。
ひでくん電気の知識があれば対応ができるね
まとめ
以上、センサーのNPN出力とPNP出力について解説しました。
使われている半導体やトランジスタの違いなど、原理や構造で考えると小難しい話ですが、以下のように覚えていただければ良いかと思います。
- ＮＰＮ出力：出力に電流が入っていく
- ＰＮＰ出力：出力から電流が出てくる
これを機に是非覚えて頂いて今後の仕事に活かして下さい。
皆さんの仕事の一助になれば幸いです。
