トランジスタ動作がわからず困ってます。

質問

▽DC28V　　　Q2　　　　　　　　
|___________C B E____　　　　　 R=100kΩ
|　　Q１　　　|　　　|　　　　　D=ツェナー6.2B
|____C B E＿|　　　|　　　　　負荷　50mAor1A以下
R　　　|　　　　　　負荷　　　
|________|　　　　　　　|
　　　　D　　　　　　|
　　　　|　　　　　　　|
　　　GND　　　　　GND

上記接続回路で機器内部電圧5Vを作成してます。
（見づらくて申し訳ありません。）
負荷はCPUで動作時に約50mA、スリープモード時には
1mA以下となります。低温環境下（-10℃）で負荷が50mA→1mA以下となった後に
当回路の出力電圧5Vが徐々に上昇し15V程度出力されます。
その際の波形観測をするとツェナーダイオードのカソード電圧に大きな変化は無く、
Q1のエミッタ出力電圧が徐々に上昇しています。
Q2のエミッタはQ1のコレクタ出力電圧同様に徐々に上昇します。
この現象は常温環境では発生していません。

この回路動作に関して異常電圧に至る原理がわかりません。
教えていただけると幸いです。

回答No.9

tance · ベストアンサー

tanceです。

結露かどうかは別として、Q1のベース電圧とエミッタ電圧については
漏れ電流が存在するという前提なら下記のように理解できます。

トランジスタは通常はベース電流がhFE倍されてエミッタ（コレクタ）に
流れるものですが、漏れ電流はこれとは別に、本来流れない部分を漏れて
流れます。したがって、ベース電流が０でもコレクタ～エミッタに
流れます。特に、トランジスタの外側を結露などにより流れる場合は
ベースがどうなっているかに全く無関係に流れます。

従って Vbe = 6.2 - 15 = -8.8 V でもコレクタからエミッタに流れる
ことはあり得ます。Q1にとって負荷が軽いならば、わずかな漏れ電流
で電圧が上がって電源電圧近くになることもあり得ます。

Q1のコレクタ～エミッタに外付けで抵抗をつけたとのと同じことです。

実際はベース～エミッタの逆方向のブレークダウン電圧は7～9Vくらい
のものが多いので、逆電圧が8.8Vでも平気というのは不思議ではありま
せん。

低温では漏れ電流は劇的に少なくなりますのでやはりパッケージの外部
を通る漏れではないでしょうか。（発振ではないとすると）
温度が8～10度下がると漏れは半分になります。25℃から-10℃では1/7
～1/20くらいになります。

コーティングが効いたりするということは、ほぼ間違いなく結露では
ないでしょうか。Q1のコレクタ～エミッタのコーティングを剥ぐと
一番効くと思います。原因に納得がいったら、対策はQ1の負荷を少し
重くすることです。結露の抵抗値がどのくらいかはわかりませんが、
消費電流として許される範囲内で、Q1エミッタ～GNDに負荷抵抗を設ける
のが良いと思います。

お礼

ありがとうございます。

Q1エミッタ-コレクタのコーティング剥ぎに関しては実験してみます。
皆様に御教授いただき、モヤモヤしていたものがスッキリしました。

対策はQ1エミッタ-GND間に抵抗を入れようと思います。

後は自分で確認しながら検討できると思います。

皆様、本当にありがとうございました。

回答No.8

vq100mg

Q2のベースとGND間にブリーダ抵抗を入れる対策がうまく行くとの事ですが、それなら原因は、Q1のリークでは無く、Q2のリーク、Q2のICBOです。　Q2のコレクタからベースに流入した電流は、軽負荷の場合Q2エミッタ方向に流出できません。　かといってQ1のエミッタにも流入できませんからQ2のベース電位が上昇します。　どこまで上昇するかというとQ1のBEブレークダウン電圧(7V)とツェナーダイオードの合計電圧までです。　
しかし、高温でなく低温でのみ現象が起こるということなので、これでは、納得がいきません。　ひょっとして問題の切り分けがうまく出来ていないのではありませんか。　例えば「温度を変えているのは電源部分だけでは無く、負荷も含めてであって、その消費電流の温度依存性が極めて大きく、低温ほど軽負荷」などという事はありませんか。　半導体だけでなく電解コンデンサなどもそのような傾向はありますよ。　単純な抵抗負荷（一定負荷）に関して低温でのみ電圧が上昇というのはリーク説では説明しにくいように私も思いますが。

お礼

御連絡ありがとうございます。
切り分けに関しましては懸念しておりましたので、
負荷をかける際はは電子負荷を使用するようにしております。
低温環境へは電源回路のみとしておりました。

先ほどtanceさんへの返信にて記載させて頂きましたが、
低温という要因より、結露にて発生しているようです。
結露させない場合、高温/低温　いづれにおきましても
異常電圧発生には至りませんでした。

試しに常温下でベース-エミッタ間に水をたらして確認しましたところ
異常電圧が再現しました。

当初より低温という話で連絡させていただいておりましたが、
間違いであることがわかりました。
申し訳ありません。

ベース電圧の上昇に関しまして御教授ありがとうございます。
大変参考になりました。

回答No.7

tance

tanceです。

回答No.6　Vq100mg さんに一票。

現象としては確かに高温で起こる漏れ電流に似ていますが、高温で起き
ないのに低温で起こることはまずないので、漏れ電流はシロではないで
しょうか。負荷が軽いと言ってもCPUならそれなりに漏れ電流よりは
たくさん流れると思われるので、やはり発振が疑われます。特に、Q1の
ベースが6.2Vなのにエミッタが15V近くになるということは普通はあり得
ません。ベースにテスターを当てたときに発振が止まったということも
考えられます。

ベースの線が長いということはないでしょうか。ベースにインダクタンス
が直列に入るとエミッタフォロワは発振しやすくなります。（それだけ
では発振しませんが）ベースに直列に抵抗を入れるのが、発振を止める
常套手段ですが、あまり大きな抵抗を入れると出力電圧の精度がさらに
悪くなるので、むしろ余計なインダクタンスを排除する方向が良いかも
しれません。ベース～エミッタの容量も効きます。抵抗を並列にして
Qを下げればそれも効果的です。

お礼

御連絡ありがとうございます。
発振に関してですが、先ほどVq100mgに返信させて頂いたとおり
ベース抵抗1kΩでは改善出来ませんでした。
※配線に関しましてはQ1エミッターQ2ベース間で3mm程度の長さとなっています。
　その他部品に関しましても周辺に配置していますので極端に長くは内科と思います。

波形観測方法ですが、回路へリード線を半田付けしてオシロスコープを付けた状態にて観測しています。

高温に関しましては再度確認しましたが、やはり異常電圧出力には致しませんでした。

皆様よりアドバイス頂いた内容を試しておりますが、Q1の漏れ電流の対策としてアドバイス頂いている項目に効果があります。

しかしながら原因を理解していない状況にあります。
（Q1ベース電圧6.2Vでエミッタ電圧が15V弱になる部分）

補足

結露に関して疑念が残っていましたので
結露を除外するために対象回路にコーティング材を塗布して
症状の確認を行いました。
結果としましては症状発生に至りませんでした。
当コーティング材をベース/エミッタ間のみ取り除き、
ベース/エミッタのみは結露するようにした場合
（その他　端子は結露しないようにコーティング塗布のまま）
異常電圧が発生しました。

これまで確認してきた中で目視にて結露の確認は出来ませんでしたが、
微量の結露があったという事かと思われます。
。

※Q1ベース電圧6.2Vに対してQ1エミッタが15V出力する原理が
　未だ理解できておりません。。。。。。
　結露によりQ1エミッタからベースへ電流が流れるために
　・・・・・となりエミッタに15V出力される。

　しつこくて申し訳ありません。何かお分かりでしたら御教授願えませんか。

回答No.6

vq100mg

エミッタフォロアの不可解なトラブルの典型は発振でしょう。　低温で顕著となれば、なおさらです。　Q1が発振の元凶で、軽負荷の時は、B-E間の整流特性により直流バイアスとして観測されているのでしょう。　
もし、Q1のベース配線の途中に、１kΩ程度の抵抗を挿入して異常が無くなるならば、まさしくそれです。　fTの低いものに交換するのも良いでしょう。　発振周波数は100MHzオーダーであることが多く、オシロやスペアナのプローブを近づけると観測されます。
私の思っている発振モードと異なる場合もあります。　抵抗値は大きめに、またQ2のベースにも入れてみるのも良いかと。　まずは原因究明、レギュレーションを犠牲にしない恒久対策は、その後・・・

お礼

御連絡ありがとうございます。
発振に関しましては全く確認をしておりませんでした。
貴重な御指摘ありがとうございます。

早速　試してみましたので結果連絡させて頂きます。
Q1ベース配線の途中に1kΩをいれて症状の確認を行いましたが
症状の改善は見られませんでした。
また、Q2のベースもというアドバイスも頂きましたので
試しましたが改善は見られませんでした。

またオシロプローブを近つけてみましたが、100MHｚオーダーの
波形観測は得られませんでした。

回答No.5

ruto

矢張り、Q1のリーク電流のようでしたね。
負荷電流が小さいので、何もTr２段にする必要はないのでは。
1段でツェナーに３ｍA程度流して、負荷が５０～１ｍAなら、
ツェナー電流は２．５～２．９１ｍA程度に収まり、低温時のドロップも０．２V程度に収まるとおもいます。

補足

御連絡ありがとうございます。
御指摘頂いてます2段の件ですが
最大時で200mA強　消費するモードがありますので
2段で組んでおります。
（質問させて頂きました異常電圧時は50-1mmAでの動作のみです。）

ツェナー電流に関しましては見直しが必要であることを皆様より御指摘いただき、見直しするように致します。
また、当回路での消費電力を極力抑えたく
今回の回路構成としました。

皆様に助言頂き　トランジスタの漏れ電流に絞れてきましたが、
漏れ電流によりQ1のエミッタ電圧が上昇する原理が理解できておりません。。。。。

回答No.4

ruto

この回路の疑問点としてツェナーに流す電流が少なすぎますね。
定電圧領域は数ミリアンペア以上流さないと、定電圧にはなりません。せめて４ｋΩ程度にする必要がありますね。
　現象はよく分かりませんが、Q1のコレクター遮断電流が関係していると思います。この電流がQ2のhfe倍されて流れ、スリープ時負荷が容量性になり、電圧が上がるのでは。
　これを補正するにはQ2のベースGND間に600ｋMΩ程度の抵抗を入れたらいいのではないでしょうか。
　低温ではVbeは0.6Vでは無く、0.8V程度に上がります。だから低温では５０ｍA時５Vでは無く４．６V程度に下がります。
　同様にQ2の遮断電流でも徐々に上がるかもしれませんが、これも
キャンセルするにはリーク電流1μA程度なら負荷に5MΩ程度並列に繋げばいいと思います。（これは必要ないと思いますが）

お礼

御回答ありがとうございます。

ツェナーに流す電流は皆様に御指摘頂いており、再検討致します。
Q2のベースーGND間の抵抗を試しました。
抵抗追加にて症状が発生せず、抵抗を取ると症状が発生します。
Q1の漏れ電流による現象ということでしょうか。。。

使用した抵抗は100kΩ、47kΩ。いづれの場合でも
症状改善しました。
低温時の電圧降下の御指摘もありがとうございます。
こちらも再検討致します。

回答No.3

xs200

出力電流がゼロに近づくと正しく動作しない回路です。
必ず負荷電流が流れるようにQ2のエミッターとGNDに抵抗を入れてください。#2さんがおっしゃっているように10kΩ程度でいいです。
それからツェナーに流す電流が小さすぎます。特性が不明ですが1mA流すとしても(28V-6V)/1mA=22kΩになります。

お礼

御回答ありがとうございます。
Q2エミッターとGND間の抵抗に関しまして確認してみます。
ツェナーへ流す電流に関しましても再検討します。

回答No.2

tance

単純に考えるとこの現象は高温で起こりやすい現象です。Q2のB～E間に
抵抗がないので、Q1の漏れ電流がすべてQ2のベース電流となり、hFE倍
されて出力電圧を上げてしまう、というものです。

Q2のB～Eに680Ωを入れてみてください。

ただ、低温で起こるというのがひっかかります。結露などしていないで
しょうか。結露すると当然漏れ電流が発生するので同様の現象が出ても
おかしくありません。

低温と言っても-10℃では結露したって凍ってしまいますね。漏れ電流が
大きいのではなく、負荷が軽すぎるのかもしれません。（-10℃では
負荷電流がほとんど０になるなんていうことはないでしょうか）

Q1やQ2は必要以上に大きなトランジスタを使ってはいないでしょうか。
大電流用の石は漏れ電流も大きいです。石の耐圧も念のためチェック
してみてください。

抵抗負荷をつけるとどうなるでしょう。5V～GNDのところでに10kΩとか。

お礼

御回答ありがとうございます。
高温環境下にて確認しましたが、当現象は発生しませんでした。
Q2のB-E間の680Ωは試してみます。

結露に関しましての疑いは無いとは言い切れません。
検討の為、手を入れられる恒温槽の窓付近で確認してましたので
可能性はあります。こちらも再確認します。

Q1、Q2ですがいづれもROHM製で
Q1:2SC4081
Q2:2SD1760
を使用しております。

当異常電圧発生時に負荷電流を数mA流す（電子負荷使用）と
異常電圧→定常電圧（約5V）となります。
負荷が軽すぎる事が要因のようです。

漏れ電流の部分がよくわかっておりません。
漏れ電流自体はわかります。
漏れ電流がQ2ベース電流となることも理解できます。
Q2エミッタ電圧が異常電圧（約14V）となる時、Q1のエミッタ電圧も上昇しています。
理解できていないのが
Q1の漏れ電流がQ2のベース電流となる事とQ1のエミッタ電圧が上昇する
関係です。
また、低温時特有の症状ということです。

ツェナー電圧は6.2V出ておりますのでQ1のエミッタ電流がQ2のベース電流として流れるとQ1としては負荷がある状態となるので電圧上昇はしないのかと思いますが、実際はしております。
ここの理解が出来ておりません。

補足

アドバイスいただきました件に関して確認しましたので
報告させて頂きます。

(1)Q2のB～Eに680Ω
　異常電圧発生はありませんでした。
(2)出力に10kΩ
　異常電圧が発生しました。
　電子負荷にて1mAの負荷をかけると異常電圧は発生しません。
　（発生中に1mAの負荷をかけると異常電圧→定常電圧となります）

回答No.1

bufa

識者の方から明確な回答があると思いますが…．

R=100kohm
大きすぎて，Dが定電圧動作していないような気がしますが…．
どうなんでしょうかねぇ．

お礼

御回答ありがとうございます。
ご指摘の通り、抵抗値が大きいのは確かです。
当回路自体の消費電力を極力抑えたく100kΩを選定しておりました。
常温及び高低温環境下におきましてもツェナーは定電圧動作しておりましたので今回の現象との因果関係はないかと判断しておりましたが、
再度見直すようにします。