５．サイリスタ・TRIACの知識 サイリスタは、ＳＣＲ（Silicon Controlled Rectifier)とも呼ばれ２つのトランジスタを組み合わ せたものと解釈できる。 まず、ゲートＧにトリガー電圧を瞬間加えることによりＱ２のトランジスタがＯＮしそのコレ クタ電流は、Ｑ１のベース電流を流しＱ１がＯＮすることによりトリガー電流がなくなって もＱ１からの保持電流によりＱ２は、ＯＮしつづける。よってＡ（アノード）Ｋ（カソード）間の 電圧が保持電流を流す電圧以下になるまで、ＡーＫ間の電流は、流れすづける。 トリガー電流ＩＧ＝０の状態でアノードーカソード間に順方向電圧を加え大きくしていくと急 に順方向電流が流れはじめる、この電圧を「ブレークオーバー電圧」という。サイリスタは アノードーカソード間がわずかな電圧であっても、トリガゲート電流ＩＧを流すことにより ターンオンし大きな電流を流すことができる。 アノードーカソード間に、加わる交流電圧に、雑音サージのような高い電圧が瞬時でも 加わると勝手にターンオン（導通）してしまうので注意が必要です。一旦ターンオン（導 通）したサイリスタをターンオフ（非導通）にするには、順方向電圧を保持電流以下の電 圧に下げるか、逆方向に電圧をかけます。 ５．１定電圧ダイオード（ツｴナーダイオードZener Diode) シリコンの接合型ダイオードは非常に急激なブレークダウン特性を持っている。逆方向 電圧が低い間は、その逆方向電流は、極めてわずかであるが、ある電圧（ツナー電圧 ＶＺと表す）に達すると、急激に電流が流れ始めブレークダウン現象を起こすこの範囲 内では、電流の広い範囲にわたって電圧が一定値に保たれるので低電圧素子として使 えます。 じゃツナー電圧Ｚｖには、色々の電圧がありシミュレーションで確か めよう！ ５．１．１ ツナーを使った定電圧回路の設計 設計する電源仕様： 出力：ＤＣｏｕｔ ＤＣ５Ｖ５０ｍＡ 入力：ＤＣｉｎ ＤＣ８Ｖ～ＤＣ１４Ｖの非安定電源 設計手順１ まず、このドロッパー型電源（負荷に応じて電圧降下を生じさせ出力電圧を調 整するタイプ）は、入力電圧が低いのが厳しくなるからそれを検討する。使用す るツｴナーダイオードは、５Ｖであるから次の回路を想定する。 入力電圧８Ｖの時に、定電圧ダオオードに流れる電流を１０ｍＡ（この電流がツエ ナーに流れる最低となるこの電流は、もっと小さくはできるが、５～１０ｍＡ程度な がしたほうが安定である今回は１０ｍＡとする）とすると、この入力電圧が最低条 件の場合も負荷には１００％の電流５０ｍＡを流す必要があるので、この条件での 入力電流Ｉｉは１０＋５０＝６０ｍＡであるこのときのＲｚはＲｚ＝８－５／６０ｍＡ＝５０ Ωとなる。 設計手順２ こんどは、入力電圧最大を考慮するＲｚは５０Ωであるから、負荷電流が、０ｍＡ（負荷接 続なし無負荷）の時、ツエナーに流れるＩｚは、Ｉｚmax＝１４Ｖ－５Ｖ／５０Ω＝１８０ｍＡとな るこのうち負荷を最大５０ｍＡとるとツエナーに流れる電流Ｉｚは、Ｉｚ1＝１８０ｍＡ－５０ｍＡ ＝１３０ｍＡとなる。この手順２では、入力最大電圧時の各電流を検討したものである。 設計手順３ 抵抗Ｒｚの選定、Ｒｚはこれまで５０Ωで検討したが市販抵抗のＥ２４ランクでは、近い値 として５１Ωがあるので、Ｒｚ＝５１Ωで決定する。ここで抵抗には、金属皮膜抵抗と炭素 皮膜抵抗があり、ここでは、信頼性と温度係数が有利な金属皮膜抵抗の許容差１％（５ １Ωの１％のばらつきの抵抗）を選定する。次に、Ｗであるが、Ｒｚには、これまでの検討 結果より最大１８０ｍＡでＲｚの両端の最大は９ＶであるのでＷｍａｘ＝０．１８×９＝１．６ ２Ｗの抵抗がいる。そこで５０％のロードで使用すると（これをデｲレーテイングという）約 ２倍で３Ｗとなる。次に、ツエナーの選定であるが、ツエナーに一番負担がかかるのはＩ ｚｍａｘ＝１８０ｍＡである。よってツエナーの最大消費電力はＷｚ＝０．１８×５＝０．９Ｗ である。よって５Ｖ１Ｗのツエナーで行けることになる。（ほんとうは２Ｗを使用したほう がいいが？） ５．１．２シミュレーションしてみよう！ 入力電圧 無負荷出 力電圧 全負荷出 力電圧 ８Ｖ 5.122v 5.020v １４Ｖ 5.241ｖ 5.188ｖ 負荷変動 率 負荷変動に対する電源の 電圧変動率 無負荷出力電圧 全負荷出力電圧 １００ 全負荷出力電圧 では、入力変動にたいする電圧変動率は？自分で考えよう ５．２ 単結合トランジスタ（ユニジャンクショントランジスタ） この動作は、５０ｋと０．１uFからなつ回路でＣが充電が進むと ある電圧になるとＢ２－Ｂ１がオンし４７Ωの抵抗にパルス電流 が流れＣ の蓄えられら電荷も放電し発振を繰り返す。 ５．３ ＳＣＲの動作をシュミレーションして理解しよう！ 負荷 この抵抗を 変えると位 相角が変わ る 電圧波形 電流波形 ５.4 トライアック ＴＲＩＡＣ（トライアック）は、３端 子双方向サイリスタのことで ３つの電極をもつ交流スイッ チです。サイリスタと同様に ゲート端子にトリガーを与え るとターンオンするがこれが 双方向でできる。 ５．５ DIAC（ダイアック） ＤＩＡＣは、トライアックのゲートトリガー用に作られたもので、トリガーダイオードとかＰＮＰＮ ダイオードとも呼ばれている。特性は、双方対象であり極性は無く、Ｔ２ーＴ１間に電圧を加 えていくと、約３０Ｖで負性抵抗特性をあらわし両端電圧は、数ボルトになるこのときゲート に電流が流れる。 ５．６ TRAIACによる交流電圧の位相制御 この回路でＶＲ１を調整すると負荷への供給電流をＯから１００％まで連続的に可変するこ とができ調光装置やヒータによる温度制御に幅広く使われる。またモータなどの誘導負荷 を接続した場合電圧と電流との間に位相差を生じトライアックのターンオフ時の高電圧発生 でゲート電流が流れていなくても勝手にターンオンしてしまう場合があり、Ｃ２とＲ２の回路 で高電圧のサージ電圧を吸収する働きをする。これをスナバ回路という。Ｃ２に蓄えられた 電荷は、ターンオンしたときに放電する。 ６．デｲスクリート部品を使用した回路体験その１ ６．１ 直流電源回路 仕様：入力１００Ｖ±１０％ 出力 ＤＣ５Ｖ１Ａ 手順１ 定電圧にする前の直流の変動を定める。 出力電圧が５Ｖであるので、それを、常に５Ｖに調整するためのトランジスタのド ロップ分は、完全ＯＮ状態では、通常１Ｖ前後であるが、この状態では、制御範 囲をはずれるので、最低のドロップ電圧を２Ｖ以上で考える。そうすると、トラン ジスタＱ１への入力電圧は、最低でも７Ｖ以上必要となる。では、次の回路の全 波清流回路をシュミレーションしてみよう！ まず、トランスＴ１は、とりあえず、１０：１の比（１００Ｖ：１０Ｖ）を使用する。次にＣ １は、最初は１０ｕＦで負荷は、直流出力ｍａｘが１Ａなので７～１０Ω程度とし、今 回は、８Ωとする。Ｃ１を１０ｕＦ、４７０ｕＦ、１０００ｕＦ、２０００ｕＦと変化させて次 表を完成しましょう。 整流回路のＣ１変化のシュミレーション結果表 Ｖ１ １０ｕＦ ４７０ｕＦ １０００ｕＦ ２０００ｕＦ Ｖ２ Ｉ１ Ｉ２ 表を完成させて、気が付いたことは？ Ｃ１のコンデンサ容量を上げると、Ｉ１の電流が以上に大きくなることです。これは、容量 が大きくなると、Ｃ１を電荷が空の状態からの充電から始まり突入電流が流れます。 Transient Analysisの設定が、下のように０時間スタートに、なっているとその時点から 終了時間までの、平均をマルチメータに表示するので、大きい値となる。しかし、これ は、整流ダイオードブリッジの選定の際重要で、突入電流の最大値が、整流ブリッジの 絶対最大定格を超えてはならないので、これを、考慮して選ぶと、使用する定格より大 きい整流ブリッジを使用することになる。インバータの場合は数万ｕＦのコンデンサを使 うので、突入防止用抵抗をコンデンサの前に直列にいれます。 大きな容量のコンデンサを使う場合は、突入電流に 周辺半導体が耐えられるか検討しましょう。 では、コンデンサーＣ１に流れる突入電流波形を見て みましょう。コンデンサーＣ１にプローブをあて[Ｉ]にな るところ、最大負荷８Ωと無負荷１００ｋで見ましょう 突入電流のピークは、約１０Ａですから１ ０Ａ流れてる時間に耐えられるブリッジダ イオードを選定します。また、突入電流を 減らすためには、コンデンサ容量を小さく し、トランス２次側の電圧を上げる方法も ありますが、とりあえずトランスの２次は １０Ｖで進みましょう。 では、先ほどの表を左の設定（突入時間を除いた）に換えも う一度、表を完成させましょう。 整流回路のＣ１変化のシュミレーション結果表（定常状態） Ｖ１ １０ｕＦ ４７０ｕＦ １０００ｕＦ ２０００ｕＦ Ｖ２ Ｉ１ Ｉ２ 整流回路出力の電圧波形 ２０００ｕＦの時の入力電圧変動の調査 ＋１０％ １５５Ｖ（１１０Ｖ） 無負荷 1.406mA (10k) 整流出力電圧 14.06V トランス２次電流 8.639mA ＋１０％ １５５Ｖ（１１０Ｖ） 全負荷 1.074A （１１Ω） 整流出力電圧 １１．８２Ｖ トランス２次電流 2.139A －１０％ １２７Ｖ（９０Ｖ） 無負荷 1.128mA (10k) 整流出力電圧 11.28V トランス２次電流 7.578mA －１０％ １２７Ｖ（９０Ｖ） 全負荷 1.010A (9.1Ω) 整流出力電圧 9.194V トランス２次電流 1.949A このシュミレーション結果からＣ１は、変化分の最小が、５Ｖ＋３Ｖ程度の２０００ｕＦが妥 当であり２０００ｕＦを採用する。 この時の、トランス２次側電流（Ｉ１）と負荷電流（Ｉ２）の比は、約２倍弱であり、ダイオード ブリッジの定格は、2Ａ以上を選択しトランス容量は、Ｗ＝１０Ｖ×２Ａ＝２０Ｗとする。 トランス発注の際は、一次１００Ｖ2次１０Ｖ ２Ａとすればよく、トランスは、2次に２Ａ流し て１０Ｖのものがくる。（これは内部インピーダンスのドロップ分を勘定にいれたものであ るシュミレータでは、１００ｍΩになっている）ついでに、ブリッジダイオードの電圧ドロップ も見ておこう。 次にトランジスタＱ１であるが、トランジスタの許容損失が何ワット必要かである。ドロッ パ型であるため、出力５Ｖにするため入力電圧（最大値）ー出力電圧×１Ａ（最大負荷）と なり、交流入力電圧の最大値１００Ｖ×1.1の時の整流回路出力である。シュミレーション 波形から１３Ｖ程度と仮定する（１３－５）×１Ａ＝８Ｗである。よって許容損失１０Ｗ以上 のトランジスタを選定する。次にｈＦＥであるが、これは、本シュミレータの中から選ぶとす ると２Ｎ３０５５になるでは、これを使用して次のステップを検討する ２Ｎ３０５５の静特性を次に示す。 この静特性から直流電流増幅率ｈＦＥは、約５０である。 手順２ トランジスタＱ１とツエナーダイオードＤ２の検討 ツエナーダイオードの電圧（Ｖｚ）を 決める出力電圧は、５Ｖであるの で、５Ｖ＝ＶBE＋ＶｚであるからＶＢＥ は０．６Ｖと考え極性が反対である のでＶzは５．６Ｖとなる。したがって ツエナーは、1W5.6VのIN4734を 選ぶ、次に、トランジスタＱ１が最 大１Ａ流すためには、ＩＢ＝1A／ｈＦＥ ＝１０００／５０＝２０ｍＡとなる これがＩＢの最大電流である。入力 電圧の最小値は、７．８Ｖである。 この電圧に対してもツエナー電流は１０ｍＡ以上残る必要があるから７．８Ｖ－５．６＝２． ２Ｖに対してＩＢの２０ｍＡ＋２０ｍＡ（ツエナー電流）＝４０ｍＡ流そうとするとＲ１は、５５Ω であるのでＲ１＝５１Ωとする。 次に最大入力電圧の場合は、１４．０６ＶであるのでＶＺの５．６Ｖを引くと８．４６Ｖとなる そうすると、上限入力電圧で無負荷の場合が、ツエナーの最大電流となる。これは８．４ ６Ｖ／５１Ωで１６８ｍＡとなる。この時の消費電力は0.168×5.6=0.94Wで１Ｗのツエナー でいけることになる デザインした回路（１ページ）の電源性能を（シミュレーションで）見てみよう！ 入力電圧変動試験 入力電圧 出力電圧 変動率 １１０Ｖ ４．９５３Ｖ ＋０．６３％ １００Ｖ ４．９２２Ｖ ０ ９０Ｖ ４．８８８Ｖ ー０．６９％ 負荷変動（入力電圧１００Ｖ） 負荷変動（％）＝ ＝ 無負荷電圧ー全負荷電圧 100 全負荷電圧 5,225 4.922 100 6.1% 4.922 リップル電圧（入力電圧１００Ｖ全負荷時） ２３．８６ｍＶ ７．デスクリート部品を使用した回路体験その２ ７．１ 波形成形（シュミットトリガ）回路 入力波形 出力波形 ＵＴＰ＝ R3 ( V 1 Q2 V CEset ) Q1V BEon R3 R5 ＬＴＰ＝ R3 ( V 1 Q1V CEset ) Q1V BEon R3 R1 ７．２ マルチバイブレータ T (周期) 0.69( R1 C1 R3 C 2) マルチバイブレータの発振波形 ７．３ フリップフロップ（双安定マルチバイブレータ） １ｂｉｔの２進カウンターの回路 ２進カウンタの入出力波形 ７．４ フリップフロップ・１ｂｉｔの記憶回路 ７．５ 演算増幅器（オペアンプ） 理想値 実際の増幅器 差動利得（Ａｄ） ∞ １００ｄＢ（１０の５乗）以上 同相利得（Ａｅ） ０ ０ｄｂ（１倍以上） 入力インピーダンス（Ｚｉ） ∞ ３００ｋΩ以上 出力インピーダンス（Ｚo) ０ ７５Ω 周波数帯域幅 ∞ １０ＫＨｚ 入力換算オフセット電圧 ０ １ｍＶ 反転増幅器 Ｖｏ＝（Ｒ２／Ｒ１）Ｖｉ 非反転増幅器 Ｖｏ＝（１＋Ｒ４／Ｒ３）Ｖｉ ７．５．１ トランジスタで実現したＯＰアンプ（単電源用） 単電源でのＯＰアンプ入出力波形 ７．５．２ 両電源用ＯＰアンプ回路１ 両電源であるので反転増幅として働く ７．５．２ 両電源用ＯＰアンプ回路２ 両電源ＯＰアンプ回路２のシュミレーション・入出力波形 補足７・インダクタンス負荷の開閉について Lに流れる電流を切るのは難しい！ 普通のリレー駆動回路でみてみよう まずは、ダイオードなしで シミュレーションしてみよう！ シミュレーションでのきずいた点！ １．ベース信号がｏｆｆしてもコレクター電流は、すぐ反 応していない、少し遅れがある。(キャリヤ蓄積効 果） ２．電流が０になるまでに時間がかかっている。Ｌの 電流は、切るのが難しい！ ３．ＶCEの電圧が２００Ｖもでているトランジスタが破 壊するほど高い電圧。これが、Ｌによる逆起電力 di Ｌによる逆起電力ｅ＝ L dt ４．トランジスタの電力損失が最大２Ｗになっている これはＶＣＥ×ＩＣである さあ！こんどは、高速化用コンデンサーを入れて シミュレーションしてみよう！ そして最後に、ダイオードをいれるとどうなるか？ 確かめよう！ ダイオードを入れた場合、Ｌに蓄えられたエネル ギが抵抗を通してダイオードを流れこのエネル ギーを抵抗で消費する。このダイオードに流れ る電流を回生電流という。 Lに蓄えられるエネルギ ーは、 W 1 2 L i ( j) 2 ８ デイスクリート部品を使用した回路体験その３ ８．１ 単安定（ワンショット）マルチバイブレータ シミュレーション前に、下記の波形を考えよう！ 入力トリガー信号が次のようにきた場合の波形を書こう！ 信号名称 記号 入力トリガー １ 信号 Ｑ１のコレクター ２ Ｑ２のコレクター （出力） ３ Ｑ２のベース ４ Ｑ１のベース ５ 波 形 では、シミュレーションで考えた波形の検証をしよう！ ８．２ ツエナーダイオードによる波形成形（リミッター回路） ５．１Ｖのツエナー両極性５．１Ｖクリップさ れている ５．１Ｖのツエナー片側のみクリップ ８．３ ダイオードによるクランプ回路 正逆のうちどちらかのみ使いたい時に、片方をクランプする。 ８．４ Ｎｏｔ回路 論理記号 ８．５ ２入力ＮＡＮＤ回路 真理値表 ＮＡＮＤ 出力 入力Ａ 入力Ｂ 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 AND 出力 ８．６ ２入力ＮＯＲ回路 ＯＲ回路 ＮＯＲ回路 入力Ａ 入力Ｂ ＯＲ 出力 ＮＯＲ 出力 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 ＳＡＮＷＡ テスタの組み立て写真 ＫＩＴ－８Ｄ このように部品を台紙に乗せてＲ１から順番に半田付けする 完成基板の部品面 完成基板の半田面 接点金具の取り付け 完成品 ９ テスターの回路から学ぶ ９．１ 倍率器（マルチプライヤ） E r E0 I (R r) I E (R r) r 上式を変形すると E 0 R r ( E 0 1) ここで E R r (n 1) E E 0 n（拡大率）とすると ９．２ 分流器（シャント） E I r E 1 1 I 0 1 E (r R) 1 1 r R 1 1 r I r ( ) I ( 1 ) I0 r R R r R ここで I 0 n とすれば I ( I 0) 1 I r R n 1 ９．３ 交流電流、電圧計測のための整流回路 ２ 全波の場合の平均値は、 E であるが、半波の場合 sin d E cos E 1 E av 2 0 E m となり、全波の半分と m m は m 2 なる。 0 実効値はEは、１周波に対する平 均２乗の平方根で E よって E E 2.22 E av E 2 av E av 2 E 0.45E E m 2 である ９．４ 抵抗計の原理 スイッチＳＷをＯＮに 流れる電流を I0 した場合回路に I とすると 0 E R T スイッチＳＷをＯＦＦ にしたとき R X が 直列に入るのでその時 の電流Iは I E この電流の減少の割合 から RT R X R X を求めるのが抵抗計で す。I 0に対する比Ｐは E RX I R T P E I0 R R T RT R X T R X RT ( 1 1) となる P よって R X は
© Copyright 2024 ExpyDoc
