サージ電流からの保護について

質問

こんにちは。

私は現在、作製した回路に用いているオペアンプの端子にサージ電流が流れて、オペアンプが壊れてしまって困っています。
オペアンプをサージ電流から保護する方法は、どのようなものがあるのでしょうか。

よろしくお願いいたします。

回答No.3

inara · ベストアンサー

>パルス状のノイズが原因だと考えたため、"入力端子の保護２"の方法を使わせていただきます

ローパスフィルタだけではパルス状ノイズが取れきれない可能性もあるので、念のため、(1)の保護ダイオードと併用して、以下の回路にすると良いと思います。
　　　　　　　　　　　　　　　 　┏━┓
　入力 ─ R1 ┬─┬┬─┨+ ┠─┬─ 出力
　　　　　　 　　C1　 △▽┌┨- ┃　 │
　　　　　　 　　┷　 └┴┤┗━┛　│
　　　　　　　　　　　 　　　├─ Rf ─┘
　　　　　　　　　　　　　　 Rs
　　　　　　　　　　　　　　 ┷
>パルス状のノイズをカットしたい場合、図にあるコンデンサ容量C1の値はだいたいどのくらいの値が妥当なのでしょうか

パルス状ノイズを、振幅 A [V]、パルス幅 t1 [sec] の矩形波と仮定すると、R1 [Ω] と C1 [F] によるローパスフィルタを通った後の波形は以下のようになります。

　入力パルス　　　　　 ￣￣　　　　　↑A
　波形　　　　　　　　＿　　 　＿＿＿ ↓
　　　　　　　　　　　　　　←→
　　　　　　　　　　　　　　 t1
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ＿
　ローパスフィルタ　　　　／＼　　↑B
　の出力波形　　　 ＿／　　　 ＼ ↓
　　　　　　　　　　　　　　 ｜　　｜　￣
　　　　　　　　　　　　　　　←-→ t2

ローパスフィルタを通った後の波形の振幅を B [V] とすれば
　　　B = A*[ 1 - exp{ -t1/( C1*R1 ) } ]
となります。例えば、パルス状ノイズの振幅を 1/10 以下に抑えるには
　　　B/A = 1 - exp{ -t1/( C1*R1 ) } < 1/10
　　　→ C1*R1 > -t1/log( 0.9 ) = 9.5*t1
とすればいいことになります( log は自然対数 ）。OPアンプの動作に影響を与えないように、R1 = 10kΩ とすれば
　　　C1 > 9.5*t1/R1 = 9.5×10^(-5)*t1
となります。パルス幅が t1 = 10μs = 1×10^(-5) s のノイズを 1/10 未満にしたいのであれば
　　　C1 > 9.5×19^(-10) F = 950 pF
とすれば良いことになります。

t1 が非常に小さい場合
　　　1 - exp{ -tw/( C1*R1 ) } ～ t1/( C1*R1 )
と近似できるので
　　　B/A = ～ t1/( C1*R1 )
で表わされます。つまり、パルス幅が 10μs の 1/10 の 1μs のノイズの場合、ローパスフィルタを通った後の振幅は 元の 1/100 になります（パルス幅が短いノイズほど小さくなる）。

補足ですが、ローパスフィルタを通った波形は、矩形波を積分した三角波状になりますが、その三角波のパルス幅（振幅の半分の幅） tw [s] は次式のようになります。
　　　tw = C1*R1*log(2)*[ 2 - exp{ -t1/( C1*R1 ) } ]
上のパルス波形（t1 = 10μs）で、C1 = 950 pF、R1 = 10kΩのローパスフィルタなら
　　　tw = 10.9 μs
となります。つまり、ローパスフィルタでパルス状ノイズの振幅は小さくできますが、パルス幅はあまり変わりません。

お礼

いつも大変お世話になっています。
今回も、とても親切にご回答いただきまして、本当に助かります。

なるほど、知りたかったことがよく理解できました。
ここまで教えて頂いたのだから、あとは自分でやれます！

本当に、どうもありがとうございました。

回答No.4

inara

>いつも大変お世話になっています
「いつも」というのが気になって自分の回答履歴を調べたら、回答欄を懇談会に使ってしまったときの質問者さんでしたね。あのときは大変失礼しました。

あの質問はスイッチング電源に関するものでしたが、もしかして、その出力をOPアンプに入れているのではないですか？スイッチング電源はスパイク状のノイズが多いので低速（高精度）のOPアンプを使うとそういうことがあるかもしれません。OPアンプの電源にスパイク状ノイズが乗っていても、壊れることはまずないでしょうが、出力信号にそのノイズが出てきやすい（電源変動の除去能力は高周波ほど弱くなる）ので、電源電圧を３端子レギュレータなどで安定化するか、以下のような簡単なノイズフィルタを入れた良いと思います。
　　　+Vcc
　　　│
　　　 R
　　　├ C1 ┨GND
　　　├ C2 ┨
　 ┏┷━┓
　 ┨-　 　┠
　 ┨+　 　┃
　 ┗┯━┛
　　　├ C2 ┨
　　　├ C1 ┨
　　　 R
　　　│
　　　-Vcc

R = 100Ω、C1 = 10μF～100μF、C2 = 0.1μF（積層セラミック）

お礼

>あのときは大変失礼しました.
いえいえ、失礼だなんてとんでもありません。お気になさらないでください。お気遣いありがとうございます。

今回も、とても良いアドバイスをいただきました。本当に詳しくて、かつ分かりやすく教えていただき、大助かりです。さっそくこのノイズフィルタを採用させていただきます。
どうもありがとうございます！

回答No.2

inara

この種の質問は科学か物理でされるほうが良いと思います。

OPアンプの端子は電源端子（２個）と入力端子（２個）と出力端子がありますが、そのうちどこが壊れるのでしょうか。たぶん入力端子だと思いますのでその対策を紹介します。ただしOPアンプの使い方（測定方法）によっては保護回路を入れることで性能が悪化するので、どういう測定に使っているか教えて頂ければ適切な対処法を紹介できます。以下は一般的な方法です。

（入力端子の保護１）
OPアンプの入力端子の電圧が電源電圧を超えると壊れることがあります。また、入力端子電圧が電源電圧を超えていなくても、反転入力（-）と非反転入力（+）の間のに過渡的に大きな電圧がかかると壊れるものもあります。そのような場合、以下のように抵抗 R とダイオード D からなる保護回路を入れます。R = 100Ω～1kΩです。

　　　　　　 　　┌─────┬─ +電源
　　　　　　 　　△ D　　　　 ┏┷┓
　入力　─ R ┼─┬┬─┨+ ┠──┬─ 出力
　　　　　　　　 │　 △▽┌┨- ┃　　　│
　　　　　　 　　│　 └┴┤┗┯┛　　 │
　　　　　　 　 △　　　　　├─(-─ Rf ┘
　　　　　　 　 │　　　　　Rs　│
　　　　　　 　 │　　　　　┷　│
　　　　　　 　 └─────┴─ -電源

（入力端子の保護２）
OPアンプが正常に動作していれば、反転入力（-）と非反転入力（+）の間には電圧がほとんど発生しませんが、OPアンプが増幅できないような高い周波数の信号やパルス状のノイズが入力されると、入力間に電圧が発生して壊れることがあります。そのような場合、高い周波数成分を入力しないように、下図のように、入力部分に高周波をカットするローパスフィルターを入れます。フィルター遮断周波数 fc [Hz] は、抵抗の単位を[Ω]、コンデンサの単位を [F] としたとき
　　　fc = 1/( 2*π*C1*R1 )
で表わされます。
　　　　　　 　　　　　　 ┏━┓
　入力 ─ R1 ┬──┨+ ┠─┬─ 出力
　　　　　　 　　C1　 ┌┨- ┃　　│
　　　　　　 　　┷　 │┗━┛　　│
　　　　　　　　 　　 ├─── Rf ┘
　　　　　　　　 　　 Rs
　　　　　　　　 　　 ┷

お礼

お返事ありがとうございます。
お礼が遅くなってしまいまして、申し訳ありません。

教えていただいた２種類のパターンのうち、私はパルス状のノイズが原因だと考えたため、"入力端子の保護２"の方法を使わせていただきます。とても親切に対応していただき、本当にありがとうございます。いい勉強になります。

もしよろしければ教えていただきたいのですが、パルス状のノイズをカットしたい場合、図にあるコンデンサ容量C1の値はだいたいどのくらいの値が妥当なのでしょうか。

回答No.1

xcode_15

電源系、信号系にサージアブソーバを入れる方法があります。

http://www.koaproducts.com/index_09.htm
↑　こんなのとか、各社いろいろ出しております。

お礼

お返事ありがとうございます。
参考にさせていただき、一度自分でよく調べてみます。