エンジニアの電気屋さん

現役エンジニアが電気のトピックについて現物交えてご紹介します。

どうもミソジです。

今回は前回に紹介したトランジスタ電流増幅率の記事についての続きです。
今回は「トランジスタの直流電流増幅率(hFE)をシミュレーションする」を紹介したいと思います

前回テスターで電流増幅率を測定する回路図を調べたので、それを基にLTSPICEでシミュレーションをしました

目次
1.LTSPICEに2SC1815GR(F)を登録する
2.2SC1815GR(F)の基本的な特性の確認をする
3.テスター条件での基本的な特性の確認をする
4.テスター条件での直流電流増幅率(hFE)をシミュレーションする
5.本当にテスター条件での直流電流増幅率(hFE)をシミュレーションする


1. LTSPICEに2SC1815GR(F)を登録する
今回トランジスタをシミュレーションに使ったソフトはLTSPICEです。
(LTSPICEのインストール方法などは先人達による記事が多くあるので省略させてもらいます。必要な方はググって確認をお願いします)

テスターでも測定した下記トランジスタ2SC1815GR(F)のモデルを登録していきます。
stora9.png

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モデルの登録方法も先駆者達がいくらでもいるので概要だけになります。
(2SC1815GRモデル含めて、登録方法の詳細が必要な方はググってください)

①NPNのトランジスタを選択してもデフォルトでは2SC1815GRはありません
②そのためモデルを「standard.bjt」のファイルに追記します
 (フォルダ場所はデフォルトでは「C:\Users\ユーザ名\Documents\LTspiceXVII\lib\cmp」です)

tora.PNG

③モデルをワードパッド等で開いて2SC1815GRのモデルを追記しました
stora12.png

筆者の登録したモデルは下記になります。(ググって拾ってきました)
*************************************
.model 2SC1815-GR NPN(Is=2.04E-15 Xti=3 Eg=1.11 Vaf=6 Bf=300 Ne=1.5 Ise=0
+ Vceo=50 Icrating=150m mfg=TOSHIBA
+ Ikf=20m Xtb=1.5 Br=3.377 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=1 Cjc=1p Mjc=.3333
+ Vjc=.75 Fc=.5 Cje=25p Mje=.3333 Vje=.75 Tr=450n Tf=20n Itf=0 Vtf=0 Xtf=0)
*************************************

④2SC1815GRがNPNのトランジスタで使えるようになります
stora13.png

次章からLTSPICEで作成した2SC1815の基本的な特性を確認していきます



2. 2SC1815GR(F)の基本的な特性の確認をする
まずはせっかくモデル作成したので基本的な特性を確認していきたいと思います。
特性を確認するために下記回路図でシミュレーションを行いました
V1の電圧を0~10Vにスイープさせて特性を確認します
stora14


①VBE-IB特性
 基本的な特性図と言えばこれですね。グラフにして説明していきます
stora14.png


横軸を0~0.9V,縦軸を0~990uAにしたグラフが下記です。
VBEが0.7Vを付近をメドにIC電流が流せるようになるのが分かると思います
stora17.png

もう少しICの上り方を見たいため
横軸を0~0.9V,縦軸を-30~70uA程度にしたグラフが下記です
上グラフの矢印先を拡大したものとなっています

この回路図モデルだとIBに10uA流す場合VBEが0.7V程度となっていることが分かります
stora18.png

こんな感じで簡単にLTSPICEでトランジスタの特性が分かるようになります
次の章では今回のテスター条件での電流増幅率について確認していきます


3. テスター条件での基本的な特性の確認をする
2章とはちがって3章ではテスターの条件にした場合の特性を説明していきます。

まずは2章でも測定したように回路図モデルを作ります
2章からの変更点としては2点です。
①B(ベース)手前の抵抗 ・・・10k⇒220k
②電圧 ・・・0~10V⇒0~3V

stora20.png


2章と同様にまずは①VBE-IB特性を見ていきます
2章の横軸とは同じにしてグラフを描いていきます
横軸を0~0.9V,縦軸を-5~10uA程度にしたグラフが下記です。
stora21.png

前回と比べて縦軸の電流が途中で止まっていますが基本的に同じグラフとなっています
このVBE-IB特性はトランジスタ自身としての特性が出て、ほぼ同じの結果となっています

電圧が小さく、抵抗が大きいものとなっているので流す電流が異なっているだけです
計算式で言いますと下記のようになっています。電流値が約100分の1です。
2章・・・IB(MAX)=10V-0.7V/10kΩ=930uA
3章・・・IB(MAX)=3V-0.7V/220kΩ≒10uA


では次章では電流増幅率がどうなっているか見ていきましょう

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4. テスター条件での直流電流増幅率(hFE)をシミュレーションする
まずはICの電流がしっかり増幅されているか確認してみます
測定する箇所で縦軸にIC(コレクタ電流)を追加します
stora14.png

グラフにすると緑色の箇所が追加されました。
VBE≒0.7Vの際にIB≒10uAに対してIC≒3mAとなっており、トランジスタによって増幅されていることが分かります
stora22.png

それでは第2縦軸に電流増幅度β=IC/IBを追加します
赤線が追加される形になります。実際グラフを見ると・・・

stora24.png

電流増幅率が一定ではないグラフとなっています
理由としては今回の回路モデルでは電圧を0V~3Vにスイープしているためですね。
①VBE-IB特性のままの回路図モデルにしていました

これはこれでいいのですが、今回はテスターと同条件にするために電圧を3Vの定電圧にします。



5. 本当にテスター条件での直流電流増幅率(hFE)をシミュレーションする
本当にテスターと同様に電圧を3Vの定電圧にしたモデルが下記です
stora27.png

この時のグラフを確認すると・・・はい!綺麗な電流増幅率が出ていますね。
IBもICも流れる電流は一定のため、電流増幅率も一定となっています
stora28.png

数値を確認すると
今回の2SC1815GRの電流増幅率は360となりました

stora29.png


テスタ-の測定が347でしたので。大体近い値になっています

sP_20170922_151414_HDR



何とかシミュレーションと現実を合わせれこめました。結果が合ってよかったです
久々にLTSPICEを使いましたがやはり便利です。

今回はここまでにしたいと思います。
どうもありがとうございました

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※筆者使用のM832と同形状モデル。(詳細は不明)


どうもミソジです。

今回は結構前に紹介したトランジスタ電流増幅率の記事についての続きです。
今回は「テスターでトランジスタの直流電流増幅率(hFE)を測定できる仕組み・カラクリ」を紹介したいと思います

テスターで電流増幅率を測定できましたが、ただ数値を見て正しいかだけの確認では面白くないのでどのように測定されているのか調べてみました

目次
1.電流増幅率を測定している際の電圧を測定してみる
2.テスターの電流増幅率箇所を調査する
3.テスターの電流増幅率箇所のイメージ回路図
4.実際どのように電流増幅率を計算しているか
5.まとめ・感想


1. 電流増幅率を測定している際の電圧を測定してみる
まずは前回同様にトランジスタ2SC1815GR(F)電流増幅率hFEをテスターが測定している際に実際にVBE,VCEの電圧を確認してみました。
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別のテスターを用意して測定していきます
①VBE(ベース-エミッタ間電圧)=0.68V
sP_20180120_030619.jpg
①のVBEはデータシートにも書かれているトランジスタ自体の特性となります。
(データシートはこちらを参照してください。)
VBEのMAX電圧としては1.0Vですが、VBE-IB特性図より今回ベース流れる電流を想定すると0.7V付近ですので間違ってはいなさそうです。

②VCE(コレクタ-エミッタ間電圧)=2.933V
sP_20180120_030823.jpg

②のVCE電圧はテスターの内部回路にも影響していきます。おそらく直接内部の3V電源をトランジスタのVCEにつなげているため出ている値ですね。

次の章から①②の結果になった理由をテスターの直流増幅率を分解しつつ調査していきます


2. テスターの電流増幅率箇所を調査する
まずはテスターを分解して直流増幅率測定箇所の回路を見ていきます。
(分解しないでも「M832」と画像でググっていただければ相当品の回路が見つけれますので有識者の方は見ていただければ大体イメージが付くと思います)

テスターの裏を開けると下記のようになっており直流増幅率箇所は赤枠となっています
sP_20170922_172445.jpg

赤枠箇所をアップした写真が下記になります
sP_20180120_031540_HDR.jpg

表のテスター箇所と対比させると下記のような形になります
sP_20170922_151414_HDR_2.jpg

次の章からもう少し回路を追って、今回のテスターの測定回路モデルをイメージしたいと思います


3. テスターの電流増幅率箇所のイメージ回路図
テスターの直流増幅率測定箇所をアップして調査していきます
各測定端子のポイントを見ると下記のようになります
sP_20180120_031540_HDR.jpg

そして今回測定箇所のNPN箇所に注目すると「C(コレクタ)に直接3V接続」「B(ベース)に220kΩを通して3V接続」となっていました
sP_20180120_032310_HDR.jpg

これで大体の回路図が見えてきました。
イメージすると下記のような形です。非常に単純な回路構成となっています
stora11.png
(上記はPNP箇所・電流測定箇所などかなり省略しています、NPNの箇所のみ概略でイメージしていますので参考までにお願いします)

では次章でどのように効率を計算しているかを説明していきます

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4. 実際どのように電流増幅率を計算しているか
ここまで来たらベースに流れる電流を簡単に計算できます
①VBEを≒0.7Vとすると
②R1にかかる電圧が3V-VBE=2.3V
③ベースに流れる電流がIB=2.3V/220kΩ≒10uA


stora11.png


ということでIBベース電流は常に10uAが流れるとすればテスター内部でIC電流を測定すれば終了です。

「IC=?A」がテスター内部で測定した値とすると電流増幅率β=IC/IB=「?A」/「約10μA」といった流れでテスターは表示していると考えています

stora11.png


5. まとめ・感想
1章で測定した電圧を改めて振り返ってみると4章で説明した電圧値となっているので考え方としては大体合っていると思います。「まぁこんなもんか」とイメージしてただければ幸いです

「実務で電流増幅率を測定するケースがあるか?」と言われれば、おそらくそんなに無さそうですね。トランジスタの初歩的な勉強にはちょうどいいネタかとは筆者は考えています

今回はここまでにしたいと思います。
どうもありがとうございました

次回は今回のトランジスタを回路モデルでシミュレーションを行いました。リンク先はこちらです。

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どうもミソジです。

今回は前回紹介した24V電源の使用例記事についての続きです。
今回は「昇圧型DC電源が壊れたので故障原因を解析してみた」を紹介したいと思います

目次
1.昇圧型DC電源壊れたときの状況
2.原因を探ってみる
3.せっかくなので個別に部品を取り外して調査してみる
4.R1:可変抵抗を取り外してみる
5.U1:昇圧DCDC_ICを取り外してみる
6.C2:出力コンデンサを取り外してみる
7.壊れた考察・対策


1. 昇圧型DC電源壊れたときの状況
前回OMRON製のタイマー動作を確認した後に何回かONOFFしていた最中
急に電源が入らなくなりました。壊れました。

下記のようにスマホ充電器の大元コンセントのAC100VをONしても「USB5V」も「DC24V」出力されていない状態でした
sP_20180104_095208.jpg

今回は「スマホ充電器(USB5V)」⇒「昇圧型DC電源(DC24V)」という構成でしたのでどちらが悪いかを切り分けしたいと思います。(十中八九、後者だと思いますが…)

まずはスマホ充電器(USB5V)だけで動作を確認したところ問題なし
sDVC00013.jpg

ということはやはり昇圧型DC電源(DC24V)ですね。
下記モジュールの何処かの部品が壊れたことになります
sP_20171202_110145_2


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次の章から調査していきます


2. 原因を探ってみる
まずはスマホ充電器(USB5V)が単体では動くにも関わらず、昇圧型DC電源(DC24V)を繋げると動かないことから①昇圧型DC電源(DC24V)内で短絡⇒②スマホ充電器の過電流保護が動作⇒③スマホ受電器(USB5V)が出力されない」という流れと予想しました

ということで昇圧型DC電源(DC24V)で抵抗値を見ていきます。
すると出力の「OUT+」「OUT-」で抵抗値≒0Ωということで短絡していることが確認できました
(入力側の「VIN+」「VIN-」では短絡していないことも確認済)
sP_20180105_092941.jpg


そのため怪しい部品はDCDC_ICから出力ピンに繋がっている下記3部品となります。
これらの何処かで短絡しているはず。次の章から部品を取っていきます
「U1」 ・・・昇圧用のDCDC_IC(型番:B6287D)
「R1+R2」 ・・・FB用抵抗(R2が2.2kΩ,R1が可変抵抗100kΩ)
「C2」 ・・・出力コンデンサ(容量分からず)
DCDC_16

DCDC_17


3. せっかくなので個別に部品を取り外して調査してみる
個別に部品を外していきます。本来ならば可能性が高く簡単に取り外せるものから調査していくのですが、筆者が部品をとって基板のパターンを見たかったので大物からの「R1+R2」「U1」「C2」の順番で外していきます。

※本気で修理する場合は、壊れやすさ・リワークしやすい「C2」から外していきます。

はんだごて等を用意して外していきます。
(※今回に関しては修復は考えず調査終了後はDCDCモジュールを捨てるぐらいの感覚でバラしていきます)
sP_20180105_093514.jpg


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4. R1:可変抵抗を取り外してみる
一番大きい部品のR1の可変抵抗から外していきます。
DIP部品で可変抵抗の3ピンでしっかり実装されていますので裏から「はんだ」を入れて外していきます
sP_20180105_093641.jpg

sP_20180105_093600.jpg

綺麗に外せればよかったのですが、3ピンのどこかで最後に引っかかってしまいました。
そのため可変抵抗をある程度浮かせれたらニッパで切ってしまいました。

sP_20180105_094103.jpg

sP_20180105_094341.jpg

そして外せたのが下記写真です.
やはり大きい可変抵抗を外すと大体のパターンが見えてきます
sP_20180105_094619

sP_20180105_094547.jpg
上記写真を見てもらっても分かるのですが、昇圧後のパターンがしっかり太くなっています。
(今回ここまで取り外したのは可変抵抗で隠れているパターンを確認したためです)
今回のDCDC_ICは最大で2A出力できる(?)ということでしたのでそれなりのパターンが引かれていました。

最後にパターン幅を確認すると昇圧後C2出力コンデンサ前が3mm幅で,そのあと7mm四方のベタとなっていました(1mm=1Aの考え方だと十分にパターン幅が引けています)
sP_20180106_130317.jpg

ちなみにこのR1を外しても出力の短絡状態は変わらずでした。
sP_20180105_095818.jpg

次の章でU1を外していきます

5.U1:昇圧DCDC_ICを取り外してみる
今回のモジュールの大元となっているDCDC_ICを外していきます。はんだを盛って外します。6ピンのSOT-23パッケージ型なので外すのもまだ簡単な部類です。
sP_20180105_100036.jpg

sP_20180105_100452.jpg

またこのU1を外しても出力の短絡状態は変わらずでした。
sP_20180105_100956.jpg

次の章では故障の可能性が一番高いC2:出力コンデンサを外していきます


6. C2:出力コンデンサを取り外してみる
最後にC2:出力コンデンサを外していきます。
正直なところ今回の3216サイズとなると2本はんだごてがあれば取り外しが楽なのですが、筆者の手元には一本しかないのでガッツリはんだを盛って外していきます。無事取り外せれました

sP_20180105_101743.jpg

そしてモジュールの出力の短絡状態を確認すると・・・
短絡状態から解消されました。(抵抗値「OUT+」「OUT-」が数十MΩ有り)
sP_20180105_102131.jpg

そして取り外した部品の抵抗値を確認すると・・・ほぼ0Ω。
C2:出力コンデンサがショートモード(短絡状態)で壊れていました
sP_20180105_102304.jpg

今回の故障の原因はC2:出力コンデンサの故障でした。


7. 壊れた考察・対策
今回の故障(C2:出力コンデンサの故障)が起きた理由は
24V駆動のリレー・タイマーのONOFF時の逆起電力に起きるサージ(過電圧)で起きたと考察しています

理由としては下記らへんが考えられるかと
①ONOFFを繰り返していたときに故障した
②出力コンデンサの耐圧が不明(25V品?50V品?)
③昇圧型DC電源の出力に保護素子が何もない

今後の対策としては過電圧が起きやすいコイル駆動する場合には
サージ電圧吸収のためのツェナーダイオードを付けるべきだと考えています

今回はここまでにしたいと思います。
どうもありがとうございました。

次回は今回の昇圧DC電源でも重要な部品の可変抵抗をピックアップして記事にしました。リンク先はこちらから。

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