理系的な戯れ

理工学系とくにロボットやドローンに関する計算・プログラミング等の話題を扱って、そのようなことに興味がある人たちのお役に立てればと思っております。

トランジスタのスイッチング高速化

f:id:kouhei_ito:20200318192655p:plain

はじめに

こんにちは、こうへいです.

昨日の記事でトランジスタインバータ回路の応答が遅れる事に触れたんですが,それ以上追求しませんでした.

blog.rikei-tawamure.com

Twitterでもつぶやきましたが,今日はそれについて,少し考察できたので,話したいと思います.

遅いスイッチング

f:id:kouhei_ito:20200318192849p:plain
何も考えずに作った回路
上図はきっかけとなった,遅い応答です.

黄色が入力信号,水色が出力信号です.

これがどうしてこうなるのか考えていきたいと思います.

スピードアップコンデンサ

当初のインバータ回路

f:id:kouhei_ito:20200317081332p:plain
当初の回路

上図は遅れが発生した回路です

この回路が悪かったわけですが,結論から先に言いますと, ベースの入力前の抵抗にコンデンサを並列に接続すると,遅れが改善できます.このコンデンサスピードアップコンデンサと言います. コンデンサのほかに,プルダウンの抵抗を一つ追加します.

回路図は以下のようになります.

f:id:kouhei_ito:20200318194451p:plain
インバータ回路高速版

後で紹介する参考文献の「定本 続 トランジスタ回路の設計」の8章P192によると

トランジスタはONしていときはベース領域に電子が存在し,OFFにするとすぐには電子が無くならず,無くなるまでOFFにならず,ベースの電流制限抵抗があるために電子はすぐには流れて行かない.」

と言うことだそうです.

そこで,R1の抵抗に並列にコンデンサを付けると,入力信号の立ち上がりと立下りで,抵抗を通らず電流がコンデンサをバイパスして通るので,電子が瞬時に流れていくということです.

色々実験してみた

実験に用いたトランジスタは古の定番2SC1815です.

f:id:kouhei_ito:20200318205110p:plain
2SC1815仕様の一部

手元に抵抗は種々の抵抗値のものがあったのですが,コンデンサはあまり種類がなく,100pFのもの一つで実験しました.

実験1

まずはR1,R2(R1とR2常に同じです.)が6.2KΩでRLが3.3KΩです.

f:id:kouhei_ito:20200318200117p:plain
R1=R2=6.2K,RL=3.3K,C1=100

実験2

R1,R2(R1とR2常に同じです.)が8.2KΩでRLが3.3KΩです.

f:id:kouhei_ito:20200318200537p:plain
R1=R2=8.2K,RL=3.3K,C1=100

少し早くなったのが,わかりますか?

実験3

R1,R2(R1とR2常に同じです.)が9.1KΩでRLが3.3KΩです.

f:id:kouhei_ito:20200318200946p:plain
R1=R2=9.2K,RL=3.3K,C1=100

実験4

R1,R2(R1とR2常に同じです.)が10KΩでRLが3.3KΩです.

f:id:kouhei_ito:20200318201151p:plain
R1=R2=10K,RL=3.3K,C1=100

R1,R2が10kΩの時が最も早く立ち上がっています.

結果の比較

時間軸を,昨日のものと同じにして比較してみます.

f:id:kouhei_ito:20200318201804p:plain
結果の比較

スピードアップコンデンサの劇的な効果が確認できました.

プルダウン抵抗を付けない場合

ちなみにプルダウン抵抗を付けなかった場合は

f:id:kouhei_ito:20200318202410p:plain
プルダウン抵抗の効果

プルダウン抵抗を付けないと,スピードアップコンデンサの効果が減少します.

負荷抵抗による変化

負荷抵抗を10K,4.7k,1kと変えてみました.

f:id:kouhei_ito:20200318203222p:plain
負荷抵抗RL=10k
f:id:kouhei_ito:20200318203305p:plain
負荷抵抗RL=4.7k
f:id:kouhei_ito:20200318203348p:plain
負荷抵抗RL=1k

実験で最もよかった組み合わせ

R1=10kΩ,R2=10kΩ,RL=1kΩ,C1=100pFが最も良い結果が得られました.

f:id:kouhei_ito:20200318203908p:plain
終結果(改善前との比較)

参考文献

トランジスタ回路の参考書の将に定番です. 続のこちらは,モータ制御やスイッチング回路を考えるためにはFETについても述べられているこちらの教科書がおすすめです. DCDCコンバータやモータドライブ回路のことも触れられています. もちろん,「定本 トランジスタ回路の設計」もおすすめです.

おわりに

スイッチングの遅れをどうにか取り除く方策が判りました.

抵抗やコンデンサの値の決定などの設計についても触れたかったのですが, まだ勉強不足なため,まずは実験の結果を残し,後日これを見ながら解析してみたいと思います.

では,また!