MOSFETによるスイッチング回路

質問

現在MOSFETを使用しLEDを点滅させる事の出来る回路を製作し、MOSFETのターンオン時間やターンオフ時間を測定しレポートを製作しようと考えております。

しかし、回路設計をした事がなく回路の計算方法などが全くわからず
どこに抵抗を入れたらいいかなど、分からないながらも回路製作しようと進めています。
そこで、回路設計をする為のいろんな計算方法やコツなどを教えていただければと思います。

ちなみに、無知ながらもそれなりに考えてみた内容を載せてみたいと思います。
今回使おうと考えているMOSFETなのですが
SANYOの2SK1429という部品を使用したいと思っています。
LEDは赤色が多く用いられている事が多い？から赤色がいいかなと。
回路の方は、トランジスタによるスイッチング回路のような構成で、MOSFETによるスイッチング回路を製作できるのかな？と思い以下のような回路図を考えて抵抗値を求めようと思っているところです。
電源は安定化電源やファンクションジェネレータを使用する予定です。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　Vcc
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　▼ LED
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　R3
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
　　　　　　　 　　　　　　　　 　　　D
　　　Vin ─ R1 ─┬─── G
　　　　　　　　　　　　 R2　　　　　 S
　　GND ────┴────┘

データシートを見ながら最悪部品が壊れないようにと思いながら進めているのですが。定格などが分かってもそれに収める方法などが分からず困っているところです。

MOSFETによるスイッチング回路のよい回路例や計算方法を教えていただけると大変嬉しいです。

ご回答どうぞよろしくお願いします。

タイトルとは関係ない内容となってしまいますが
トランジスタの方のスイッチング回路にある抵抗でR3はLED保護用？とまで理解しているつもりなのですが、R1,R2の役割がわらなく困っています。余裕があれば教えていただければと思います。
長文となってしまいましたが、どうぞよろしくお願いします。

回答No.1

walkingdic · ベストアンサー

まずＲ３がないとＬＥＤには大電流が流れるので壊れますからその制限抵抗ですね。
ＦＥＴは低抵抗なので無視すれば、

Ｒ３＝（Ｖｃｃ－Ｖｌｅｄ）／Ｉｌｅｄ

Ｉｌｅｄ：ＬＥＤに流す電流値
Ｖｌｅｄ：ＬＥＤの順降下電圧

で求まります。

次にＲ１，Ｒ２です。
まずゲートに加える電圧を決めねばなりません。
そこで、最大定格から、
Ｖｇｓｓ　２０Ｖ

ですからこの電圧の１／２以下程度（安全を見る）の電圧で、かつ、

Ｉｄ－Ｖｇｓグラフでは４．５Ｖ程度で５０Ａ

Ｒｄｓ（ｏｎ）－Ｖｇｓグラフでは４．５Ｖ付近で抵抗値が下がり、５Ｖで０．０５Ω、８Ｖで飽和

なので、最低でも５Ｖ程度以上は欲しい、可能であれば８Ｖ以上あれば一番抵抗が少なくなることがわかります。

よってゲート電圧Ｖｇは５～８Ｖ程度加えたいわけです。
そうなると、入力信号の電圧Ｖｉｎを決めてあげれば、

Ｖｇ＝Ｖｉｎ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）

の関係からＲ１とＲ２の関係式までは算出できます。
つまりＲ１かＲ２のどちらかを決めれば他方は求まります。

問題はここからがいろんなことを考えねばならなくなるので難しいです。

さて、入力信号はどの程度電流が流せるかという問題があります。
この最大電流値Ｉｍａｘ以下になるようにＲ１，Ｒ２を決めるとすると、

Ｒ１＋Ｒ２＞＝Ｖｉｎ／Ｉｍａｘ

の関係が成立していなければなりません。ぎりぎりを選択すればＲ１＋Ｒ２＝Ｖｉｎ／Ｉｍａｘとなり、先のＲ１，Ｒ２の関係式と合わせると抵抗値が決まってしまいます。

ただ、ここで注意しなければならないことがあります。
ＦＥＴのゲートには静電容量があります。
データシートでは２４００ｐＦと書かれています。

この場合、Ｖｉｎが加わった場合にゲート電圧が所望の電圧になるには、Ｒ１とゲートの静電容量で決まる時定数による遅れがあります。

つまり、Ｒ１×２４００ｐＦ　という時間でゲートが充電されて電圧が加わります。

なのでＲ１を大きくすると応答速度は遅くなり、Ｒ１を小さくすると応答速度は速くなります。

ただ入力信号の電流値には限りがあるのであまり電流は流せません。入力信号に流れる最大電流は、ピークではＶｉｎ／Ｒ１になるので、出来るだけ高速性を出そうとしてもこのピーク電流値が入力信号源のピーク許容電流値を超えないようにする必要があります。

あと気をつけて欲しいのはＲ１が小さいと応答速度は速くなりますが、発振しやすくなります。もし発振してしまう場合にはこの抵抗値を大きくすることで発振を抑制します。

最後にＲ２なのですが、たとえばＶｉｎが５～８Ｖと、ちょうど加えたいＶｇと同じならば、Ｒ２はいらないように思われますが、しかし、その場合にはもし入力信号が切り離されたときには、ゲートがグラウンドに接続されずに宙にういてしまうため、静電気などによる誤動作やＦＥＴの破壊を招きます。なのでＲ２は計算上は不要でも、なくすと回路の不具合やＦＥＴの破壊につながるので、抵抗値が大きくてもよいけど必ず入れておくほうがよいです。

まあそんなところでしょうか。

お礼

また、ご回答をいただけた事に感謝します。

今回の回答のおかげで
各抵抗の役割やその求め方。
さらには、今まで分からなかったデータシートの見方など
大変勉強になりました。
この後実際に計算し回路製作、波形の観測などしてみたいと思います。

今後もこのような学習を続けて行きます。
出来る限りトラ技や手元にある資料で学習したいと思っているのですが
理解しきれない場合がありましたらその時はまた質問させていただく事があるかと思います。
少しでも早く一人前のエンジニアになれるよう頑張りたいと思いますので
また回答をいただけるようであれば幸いです。

本当にご回答ありがとうございました。

補足

現在計算などしてまして
疑問になったのですが。。。

Imaxという値はどこ見ればわかるのでしょうか？

本当なら知ってて当然の事なのかもしれませんが。。。
もしお答えいただけるようでしたらよろしくお願いします。

回答No.2

walkingdic

>Imaxという値はどこ見ればわかるのでしょうか？
それは接続する信号源の仕様なので、ご質問には情報がないからわかりません。
ファンクションジェネレータであれば、その取扱説明書の仕様を見ることになりますし、ＯＰアンプの出力を接続するのであれば、そのＯＰアンプの仕様になります。

お礼

何度もご回答いただきありがとうございます。

現在使用してるファンクションジェネレータの仕様を確認し計算してみたいと思います。
ちなみに、現在使っているのはAgilentの33120Aというファンクションジェネレータでした。

本当に何度もありがとうございます。今後ともどうぞよろしくお願いします。