NPNトランジスタを使用した最大DC17V,1Aの切り替え回路の製作

2018/08/13 21:58

このQ&Aのポイント

バイポーラのNPNトランジスタで最大DC17V,1Aを切り替える回路を製作する方法について調べました。
2SC4382はVceo = 200V,Ic = 2Aで使用可能なトランジスタですが、17V x 1A = 17Wを流す際に問題はないのか気になります。
また、この回路では放熱対策が必要なのかも確認したいと思います。

con014057
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電子部品・基板部品
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noname#252332

2018/08/14 17:21 回答No.5

　おまけ。放熱器の計算方法を書いておきます。２SC4381のデータシートから、 Tj=150℃：ジャンクション許容最高温度 Pc=25W(at Tc=25℃)：ケースを25℃に維持した時発熱できる電力。のとき、２SC4381の半導体接合部からケースまでの熱抵抗は、 (Tj-Tc)/Pc = 5℃/W です。上記条件で1W発熱するとジャンクション温度が何度上がるかという数字です。　次にトランジスタケースから、シリコングリス、マイカ絶縁物、シリコングリスを挟んだ熱抵抗は実験から1℃/Wだそうです。安井なんとかという偉いオーディオの先生の本に書いてあったと思います。いま58歳の人が高校の時読んだ本ですが。　次に放熱器から大気までの熱抵抗は放熱器のカタログに書いてあります。 http://akizukidenshi.com/download/ds/globalelec/20pb020.pdf 秋月電子のこれの一番上は46.4℃/Wだそうです。　トランジスタのジャンクションから大気までの熱抵抗は以上の和で、 5+1+46.4=52.4℃/W 　1W発熱すると周囲温度に対してジャンクション温度が52.4℃上がりますよという事です。　今度はこのトランジスタが何℃までの温度上昇に耐えられるかと言うと、Tj=150ですがこれは壊れるという意味ですから10℃低く140℃とします。(半導体は10℃温度が上がると故障率が2倍になります。) 　周辺温度は40℃で計算します。室温が30℃以上になることはあるし、40℃とは室温ではなく筐体の中のトランジスタ周辺の温度です。だいたい機器の環境条件の仕様書を見ると40℃と書いてあります。　つまり発熱によって上昇できる温度は、140-40=100℃。これを熱抵抗で割って、つまりこのトランジスタと放熱器では100/52.4=1.9Wまで発熱できることになります。

ohkawa3
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2018/08/14 06:12 回答No.4

前の回答者さんもご指摘ですが、2SC4382はオーディオ用なので、オン電圧を十分に低くするには、ベース電流を相当に流す必要がありそうです。2SC4382のデータシートを参照すると、Ic=1Aの条件で、Vce=1.0Vを得るには、Ib=20ｍA必要です。Ic=1A、Vce=1.0Vということは、損失が1Wということで、風通しが良い条件で、ぎりぎり放熱器なしで使える限界でしょう。損失を減らして安心して使えるようにするためにもっとVceを下げるには、Ib＝50mA程度まで増やした方がいいと思います。そうはいっても、Ib＝50mAの駆動回路はそれなりに難物です。電源電圧17Vから、50mAの電流を得れば、0.85Wの電力を消費することになりますから、駆動回路の放熱も考慮する必要がありますし、電源回路全体の効率も低い状態になってしまいます。代替法として、バイポーラトランジスタではなく、MOS-FETを使う方法をお勧めしたいと思います。同じメーカーのFKI10531のデータシートを貼っておきます。（最大定格：Vds＝100V、Id=18A）このMOSFETを使えば、Rdson＝50mΩ程度は期待できますから、1Aを流したときの損失は50mW程度であり、TO220のパッケージであれば、放熱器なしで安心して使用できます。駆動は、ゲートに5V程度の電圧を印加するだけで、電流を流す必要はありませんから、駆動回路の損失も低く抑える設計が可能です。 2SC4382のデータシート： http://www.semicon.sanken-ele.co.jp/sk_content/2sc4382_ds_jp.pdf FKI10531のデータシート： http://akizukidenshi.com/download/ds/sanken/fki10531_ds_en.pdf 因みに、どちらの半導体も皆様がよく知っていらっしゃる通販サイトで、1個数10円で入手可能なようです。

noname#252332

2018/08/13 23:10 回答No.3

　切り替える回路とはスイッチング回路という事でしょう。アナログ出力の場合は大きな電力をトランジスタが消費しますが、スイッチング回路はOFFの時は電流がゼロであることによって電力ゼロ、ONの時はトランジスタのCE間の電圧がVce(sat)(おそらく1V以下)であることによってトランジスタの発熱は小さくなります。アナログ電源よりスイッチング電源のほうが効率が良くトランジスタの発熱が小さい所以です。　そこで2SC4382ですが、耐圧が高いトランジスタはhFEが小さいものですがこれも60しかなく、1Aをスイッチングするには16.6mA以上のベース電流が必要です。Vce(sat)も1Vもあり、スイッチングには不利です。用途がオーディオ出力ドライバ用に最適と書いてあるのですから当然ですが。　このままの条件なら、ON時の発熱はVce(sat)×Ic=1Wです。かなり熱くなりますが計算上は放熱器は要らないと思います。でもトランジスタをhFEが大きくVce(sat)が低い物に替えたほうが有利じゃないですか。

kaba__san
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2018/08/13 23:05 回答No.2

ONかOFFのスイッチング用途でしょうか。それなら十分なVbeを与えることによってトランジスタでの損失は0.1W程度に抑えられますから特に放熱器は必要ありません。スイッチング速度が特に高速であれば過渡的な損失を考える必要がありますし、電圧レギュレータの様なアナログ的用途であればVce×電流分の損失を考慮しなければなりません。