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トランジスタの出力増強方法
トランジスタの出力を増強する方法をお教え下さい。 オペアンプの出力にプッシュプルのTr回路を付けて、 電圧出力を-110V～+110V/600mAの回路を作りたいです。 +側プッシュプルのTrエミッタを+150Vとします。 出力電圧が110Vなど高い出力電圧の場合は良いのですが、 0Vなど低い出力電圧とした場合、 Trには最大でVce=150V/600mAがかかり、 非常に大きな電力を必要とします。 そのようなTrは無いので、並列に接続すれば・・・ など、単純な考が浮かぶのですが、 そんなこと出来るのでしょうか？ またTr出力をUPするのには、一般的にどのような方法がありますか？ どなたか分かる方がいたらお教え下さい。
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tanceです。 BTLという手があります。別名HドライブとかHブリッジなどと言います。 ±110VをGNDに対して出力するのが普通の考え方ですが、GND側も駆動 することによって素子の耐圧が半分になる回路構成があります。 ±55V出力のアンプを２つ用意します。この2つは逆相の入力信号を 与え、負荷はこれらのアンプの出力同士につなぎます。抵抗とLED であれば、アンプ１の出力に抵抗をつなぎ、抵抗の先にLEDのアノード をつなぎます。LEDのカソードはアンプ２の出力につなぎます。 アンプ１の出力が+55Vでアンプ２の出力が-55Vだと負荷に110V加えた ことになり、それぞれのアンプの出力極性を逆にすると-110Vを 加えたことになります。もちろん両アンプの出力を０にすれば 負荷電圧は０です。 これだとトランジスタにはどんなことがあっても110V以上は加わらない ので石の選択の幅が広がりASOも楽になります。 また、ナショナルセミコンダクタのLME49830というICを使うとドライブ も簡単になります。 回路図がないのであまり参考にはなりませんがこんなアンプがあります。 http://k-nisi.hp.infoseek.co.jp/mx-10000.html
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- walkingdic
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結構厄介なのですね。 負荷に応じて出力レンジを変更という話ですが、 >出力がショートしてしまった場合はどうでしょう？ >電流のリミット回路は付けようと考えているのですが、 >Trのワッテージ保護機能となると案が浮かびません。 そういう電流制限保護回路の場合には、一度電流が制限値を超えた場合には、大きく制限を掛けるようにします。つまり電流は一気にほとんど流れないようにします。制限値のままで流すということはしません。（フの字などと呼ばれます） あとは十分電流が小さなあいたになったらまた復帰する仕組みにするのが通例です。 >何か問題があるのでしょうか？ トランジスタ間のばらつきです。 同じだけ電流を流れるようにするというのは意外と難しいです。 偏りが出たりします。 一度偏りが出始めると、こんどは損失の違いから発熱がことなりＴＲの温度が異なるようになって、回路構成によってはそれにより更に偏りが拡大してという最悪状態を引き起こすこともあります。だからそうならないように回路上の工夫が必要になります。 他の方が紹介しているＢＴＬはいいかもしれませんね。その発想を忘れていました。
- miran_2006
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＞例えば抵抗や直列に複数接続されたLEDなどです。 ＞LED1ヶでは3V/600mAですが30ヶなら90V/600mAといったかたちです。 ＞なので0Vはありませんが3V/600mAなどはあります。 と、書かれていますので、LEDの件に関して少し・・・ LED1ヶでは3V/600mAとは、LEDのVfが3Vの時に600mA流れると言う意味ですが、ご存知の通り、LEDは一定以上のVfが得られないと発光しません。そう言う意味では、リニアアンプのようなアナログ信号に光の強弱は追従せず、ある電圧から光だし、その後少しずつ電圧を上げると明るさは変わっていきますが、見た目に、ああ変わってるって認識できる範囲は割りと少ないですよ。 そう言う意味では、ＰＷＭ制御の方が向いているように感じます。 入力の０～１００まで、リニアに明るさが変化します。 ＰＷＭ制御ならば、スイッチング動作なので熱損失もほとんど無いです。 アナログ信号に対応させたいのなら、アナログ出力部分にPWM変換する回路（IC）を付けて、その後段にＦＥＴか何かを付ければ出来上がりです。
- tance
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tanceです。 並列の例としてこんなのがありました。 http://park12.wakwak.com/~tenno-motojuku5/pwmosdv.htm 出力がFETなので単純に並列にしていますね。 これは間接的なヒントにしかなりませんが、調べる価値はありそうです。 http://www.geocities.co.jp/Technopolis-Mars/6504/dc_amp/DCFILE.htm
- tance
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tanceです。 負荷ショートに近い状態でも600mA流す必要がある訳ですね。 そうだとするとwalkingdicさんのご指摘にもあるように、かなり大変な アンプです。 立ち上がりもそこそこ高速性が要求されるのでD級アンプはきついでしょう。 OFFも同等に速くないといけないのでしょうか。もしそうならwalkingdic さんのおっしゃるように可変電圧電源にスイッチを組み合わせた構成 が良いと思います。可変電源はスイッチングにすれば任意の電圧にも 対応できます。 どうしてもリニアアンプでやる場合は保護回路を充実させてパワー リミットをかけて直列か並列ドライバ構成にするでしょう。 直列は耐圧オーバーの危険性が伴うのでかなり難しいですが、注意 深く設計すればキチンと動作します。でも相当ハードルは高いですね。
- walkingdic
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>対象負荷はさまざまです。 >例えば抵抗や直列に複数接続されたLEDなどです。 要するに汎用プログラム電源みたいなイメージということですね。 だとすると、何も出力電圧が一度に０Ｖから１１０Ｖまでカバーしつつ出力電流がどこでも６００ｍＡ流せるというものにしなくてもよいのではと思いますけど。 お話の場合、まともにその使用だとオーディオアンプより遙かに大出力なものを容易しなければならなくなります。 つまり、オーディオアンプの１００Ｗとかだと、そもそも１Ｖでも１００Ｖでも６００ｍＡを出し続けるなんてことはあり得ないからです。１Ｖで６００ｍＡ流れる負荷を接続した場合、そのまま電圧を上げたとすると１００Ｖでは６０Ａ流れます。出力にして６ｋＷです。 簡単に言うと、１００Ｖ、６ｋＷ出力の出るアンプであれば対応できるという話なのです。もちろん実際に１００Ｖの時に６０Ａ流すことはないのですけど、まともにプッシュプルで作ろうとすればそれに近い話になるだろうと考えられます。（まあ工夫次第で低減は出来るとは思いますけど、単純な話ではないでしょう。） それよりは、たとえば接続する負荷に応じて電圧レンジを切り替えるとかはだめなのでしょうか。 たとえばｍａｘ２０Ｖ、ｍａｘ４０Ｖ、ｍａｘ１１０Ｖと切り替えて使用するのでよければ、低電圧で６００ｍＡ流したいときには電圧レンジを下げればＶｃｅを下げることが出来るので無駄な熱も避けられるし厳しい安全動作領域もクリアするのは簡単になります。トランジスタは大抵Ｖｃｅ＝１００Ｖを超えると安全動作領域が厳しくなるので、それを簡単にクリアするためにはそういうやり方の方が回路的にも楽になると思います。（既製品のスイッチング電源で２４Ｖ，４８Ｖなどを作ればよい） あと、ＤＣとＯｎ／Ｏｆｆパルス動作だけならなにもプッシュプルにする必要すらなくて、可変電圧電源＋ＭＯＳ ＦＥＴスイッチという単純構成も考えられますけど、まあこれは多分ご質問者もそれは考えて、でもリニア電圧可変動作をさせたいから採用していないのだと思いますが。 なんにしても、まともにご質問者の路線で実現しようとすると、シリーズ形だと相当大がかりな話になりそうだし、あとは低速なＤ級アンプ（１ＫＨｚ程度ならそんなに馬鹿みたいに高速動作は必要ない）を作るとかいう選択肢になってくるのではと思いますから。
補足
結構厄介なのですね。 負荷に応じて出力レンジを変更という話ですが、 出力がショートしてしまった場合はどうでしょう？ 電流のリミット回路は付けようと考えているのですが、 Trのワッテージ保護機能となると案が浮かびません。 前に話しに出たTrを並列にが一番シンプルな気がします。 Trのワッテージが足りない分だけ並列に接続すれば良いのであれば、 悩まなくて済みます。 ３ヶ程度並列にすれば熱もほとんど発生しません。 回路も小さくて済みそうです ただ気になるのは、本やインターネットでTrの出力増強の話は多々 あるのですが、Trを並列にして・・・というのは見当たりません。 シンプルな発想なので、最も推奨されるべき回路な気がするのですが… 何か問題があるのでしょうか？
- tance
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tanceです。 失礼しました。確かに耐圧オーバーですね。 ここから先は、設計作業になってしまうので、簡単に「こうすれば良い」 とは言えませんが、他の条件などが解ればアドバイスはできるかも しれません。他の条件とは、 ○負荷は抵抗性か容量性か誘導性か、それとも混合か ○動作速度はどのくらいか。帯域、スルーレート ○直流出力が必要か ○どんな特性が重要か（ノイズ、歪み、周波数特性、立ち上がりetc.） ○サイズ、コストなどの制限はあるか ○その他特殊な条件はないか 条件によってはトランス出力なんていう手もあります。 0.2℃/W というのはどのようにして求めましたか？ そんなに放熱が 大変ということはないはずです。TO3Pのトランジスタは大体熱抵抗が 0.8℃/Wくらいです。（ジャンクション～ケース） 一方、周囲温度30℃としてジャンクション温度を100℃とすると、必要な 放熱器の熱抵抗は 70℃/24W - 0.8 = 2.1℃/W Trと放熱器との接続でのロスを考えても1.5℃/Wあれば、相当な余裕で 動作できる計算です。（ギリギリを考えればジャンクション温度は150 ℃まで使えます） 普通は出力パワーを上げるのに並列接続をしますが、今回のケースでは 電圧が高いので、直列接続という手もあります。 どの方法が有利かは、上記のその他の条件が効いてきますので、 差し支えない範囲で条件を開示していただければ、アドバイスいたします。 オーディオアンプなどは100Wオーバーのものが普通にありますので、 電力だけで言うと、特別なケースではありません。電圧が高いという ことは確かに特殊かと思いますので、少々苦労することになるかも しれません。
補足
負荷は複数直列に接続されたLEDや抵抗を想定しています。 また、動作速度は、数十usで立上りたいです。 出力はDCです。 放熱機=0.2℃/W は下記のように求めました。 素人なので間違っているかもしれません。 Pd=90W(Vce=149V,Ic=0.6A) Tjmaxを余裕をもって80%ととし、Ta=50℃として計算します。 θja=(Tjmax*80%-Ta)/Pd =150℃*0.8-50℃/90W =0.778 放熱機=θja-θjc=0.778-約0.6=0.2 としました。 実際には、ヒートシンクの接合部の熱抵抗などを加味すると もっと大きなヒートシンクが必要な気がします。 Pd=90Wとしたのは、出力を1V/600mAとした時を最大と想定しました。 確かに100W程度では、 そんなに特殊では無いような気がします。 アドバイスをお願い致します。
- tance
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tanceです。 IGBTなどはPcを表示するより熱抵抗を明記した方が設計には有り難い です。MBN1200E17Dには熱抵抗が明記されていたので許容Pcが計算 できました。 この負荷は、出力０のときでも600mA流れるのですか？ それともプッシュプル段はA級アンプでお考えでしょうか。普通はB級 で考えますので、出力０のときは負荷に電流が流れない限りTrにも 電流は流れないと考えられます。なので、出力０のときは Pc = 150V× 0A = 0W となります。（実際にはアイドリング電流分 だけ発熱します） FETのドライブはバイポーラトランジスタとは別物ですので、回路は 設計し直しになります。どうしてもMOS-FETでなければならない訳では ないので、今の回路を活かすのであれば 2SC5949と2SA2121などで いけると思います。（詳細は計算してみてください） 電源電圧は余裕を見るとそれだけロスが増えますから、115Vくらいで 動作するようにすると無駄な熱が減らせます。電源電圧変動を考えて 最高電圧があまり高くならないようにすることも重要です。 Trを並列につなぐときに注意しなくてはいけないのは、電流バランス です。電流が偏ると並列にした意味が薄れてしまいます。具体的な 回路は設計しないと示せませんが、OPアンプが2つのプッシュプルを 同時に駆動するように構成するだけのことです。OPアンプの出力 電流が不足するようならもう一段エミッタフォロワなどを入れれば 良いと思います。 もし、信号がACだけなら平均として半分の時間はTrはお休みなので、 熱計算では発熱を半分と見積もることもできます。
補足
2SC5949を検討してみました。 出力は-110V～+110Vで考えています。 なのでVCEmax=200Vですのでだめでした。 また、放熱を計算してみました。 VCEにかかる電圧を150V、出力電流=600mAとすると 必要なヒートシンクは0.2℃/Wとなり非常に大きくなってしまいます。 Trを並列にするorIGBTで検討するのが良いのでしょうか？ OPアンプで2つのTrをプッシュプルしている参考回路図が 掲載されているホームページなどありますか？ また、IGBTでドライブする場合、Trの接続方法と同じでしょうか？ IGBTの本を読むとスイッチのような感じで使用しているものばかりで 使い方がよく分からないのです。 なんどもすみません。回答お願い致します。
- walkingdic
- ベストアンサー率47% (4589/9644)
まず、そもそもＶｃｅ＝１５０Ｖで６００ｍＡを連続的に流す状況になるのでしょうか？ 普通、たとえば抵抗負荷で考えれば、１００Ｖで６００ｍＡであれば抵抗値は１６７Ωです。で、０Ｖの時には電流は流れません。かりに７５Ｖの電圧出力のときを考えれば、流れる電流は３００ｍＡ、このときＶｃｅ＝７５Ｖとなり、要するに通常出力する電圧が低いとき－＞流れる電流も少なくなるという関係になるからＶｃｅが高いときには流れる電流は少なくなるのか普通です。 コンデンサの充電を考えれば電圧をかけた当初は電流はかなり流れますけど、これはパルス的になりＤＣというわけではないから、安全領域も広くなるので深刻な問題にはなりません。 なので、ご質問の条件設定が本当にそれでいいの？という疑問があります。
補足
対象負荷はさまざまです。 例えば抵抗や直列に複数接続されたLEDなどです。 LED1ヶでは3V/600mAですが30ヶなら90V/600mAといったかたちです。 なので0Vはありませんが3V/600mAなどはあります。 またDCでの連続出力や1ms程度のパルス出力の両方を考えています。 なので、反応速度が良好でワッテージの高いTrが必要なのです。
- tance
- ベストアンサー率57% (402/704)
#2のtanceです。 もう少し具体的に考えてみました。 負荷がどんなものかに拠りますが、抵抗負荷とすると、トランジスタの 最大電力は、(150V - 110V) × 600mA = 24W です。これはいろいろな 出力のときのトランジスタに掛かる電圧と電流を求めてかけ算して みればわかります。 本当は電源電圧をもう少し低く設定すれば、最高電力を22.5Wまで 下げられます。 お勧めとしては、先の例と似たパワーの 2SK1530 何かどうでしょう。 放熱器として1℃/Wくらいのを使えば上記のパワーは楽勝です。 FETの内部温度は周囲温度 + 50℃以下に抑えられます。 MOS-FETですからドライブ回路はがらっと変わりますが、壊れにくい ですよ。 もし、負荷が特殊な場合は考え方が全く異なります。 それと、負荷ショート保護なども考えておいた方が良いかと思います。
- tance
- ベストアンサー率57% (402/704)
負荷に最大66Wの電力を供給するアンプですからそれなりに自己発熱も 覚悟しなくてはなりません。方法はいろいろありますが、一番単純 なのは、とにかく大きなトランジスタを使うことです。たとえば MBN1200E17D なんかは常温雰囲気なら放熱次第で5500Wまで耐えます。 次にシンプルなのが水冷です。電圧と電流に関して問題ないトランジスタ ならたくさんあるので、熱抵抗の低いものを使い、水冷放熱器を つければTc=25℃条件でのPcまで使えます。 もう少し気の利いた方法は並列接続です。出力トランジスタを何個か 並列にして、電流と熱を分担する方法です。 さらに凝った方法としては、スイッチングアンプにすることです。今 はやりのD級アンプです。これは動作速度やノイズに注意が必要です。 電圧が高い場合は、安全動作領域を考えるとパワーMOS-FETを使うことを お勧めします。 バカデカイトランジスタの例や水冷など、少々過激になってしまいました が、要は考え方です。実用的な方法を選んでください。
補足
IGBTですよね。 私も大電流のTrで検索に入ったらIGBTに行き着きました。 しかし、MBN1200E17Dデータシートを見るとPcの記述が無かったです。 別なMBN1200GR12AではPcの記述があるのに、 なぜMBN1200E17Dには無いのでしょう？ また、IGBTはTrと同じ扱いでいけるのですか？ オペアンプの出力増強とするとネットや本での紹介は、 必ず2SCと2SAのTrになっています。 その回路をそのままFETに置き換えることが出来るのですか？ IGBTはTrとFETをくっつけたようなもの・・・と理解しているので、 自然にIGBTは候補から抜けていました。 また負荷には最大110V×0.6=66Wですが、 出力0VとしたときはTrには最大で150V×0.6A=90Wがかかります。 トランジスタを並列で使用するにはどうしたらよいのでしょうか？ 150Vとしたのはプッシュプルで110V出力するにはTrのエミッタに 150Vくらいかけなければならないのかな？程度の発想ですが・・・ トランジスタの並列接続も候補にあがっていましたが、 具体的に、どのようにしたら良いのでしょうか？ お手数ですが回答お願いします。
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お礼
BTL・・・ この方式で考えてみたら全ての問題が解決しました。 ありがとうございました。