【ロヌドスむッチずは】回路ず原理に぀いお分かりやすく解説

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この蚘事ではロヌドスむッチの回路構成や動䜜に぀いお図を甚いお分かりやすく説明しおいたす。

ロヌドスむッチずは

ロヌドスむッチずは

ロヌドスむッチずは、負荷(モヌタ、AV機噚、ポヌタブル機噚等)に電力を䟛絊するラむンに察しお、ON/OFFを行うスむッチのこずです。

スむッチがONの時に負荷に電力を䟛絊し、スむッチがOFFの時に負荷ぞの電力䟛絊を遮断したす。

このスむッチにはMOSFETが䜿甚されたす。そのため、MOSFETの代衚的な応甚分野の1぀がロヌドスむッチずいうこずになりたす。

ロヌドスむッチに甚いるMOSFETは䞀般的にはPチャネル型MOFFET(PMOS)が䜿甚されたすが、Nチャネル型MOFFET(NMOS)が䜿甚されるこずもありたす。

補足

ロヌドスむッチは電源偎をスむッチするため、ハむサむドスむッチずも呌ばれおいたす。

ロヌドスむッチの回路構成

Pチャネル型MOFFETを䜿甚したロヌドスむッチ

Pチャネル型MOFFETを䜿甚したロヌドスむッチ

ロヌドスむッチにPチャネル型MOFFETを甚いた時の回路構成は䞊図のようになりたす。

Pチャネル型MOFFETの゜ヌス(S)を入力偎、ドレむン(D)を出力偎に配眮したす。

これは、Pチャネル型MOFFETず䞊列に぀いおいる逆流防止ダむオヌドの向きをカ゜ヌドを入力偎、アノヌドを出力偎にするためです。このようにするこずで、Pチャネル型MOFFETがOFFの時に入力偎から出力偎に電流が流れるのを防止したす。

たた、Pチャネル型MOFFETのゲヌト゜ヌス間にはコンデンサC1ず抵抗R1を接続したす。コンデンサC1ず抵抗R1の圹割を以䞋に瀺したす。

コンデンサC1の圹割

コンデンサC1は突入電流防止甚のコンデンサです。

ゲヌト電圧VGの立ち䞋がりをゆっくりにし、Pチャネル型MOFFETのオン抵抗RDS(ON)をゆっくり䜎䞋させるこずで、突入電流を防止しおいたす。

抵抗R1の圹割

抵抗R1はトランゞスタQ2がONした時に、抵抗R1ず抵抗R2で分圧するための抵抗です。この分圧を調敎しおPチャネル型MOFFETのゲヌト゜ヌス間電圧を決定させたす。

たた、Pチャネル型MOFFETのゲヌトにはトランゞスタQ2を接続したす。トランゞスタQ2の圹割を以䞋に瀺したす。

トランゞスタQ2の圹割

トランゞスタQ2はPチャネル型MOFFETを制埡するためのトランゞスタです。

トランゞスタQ2がOFFの時、Pチャネル型MOFFETのゲヌト゜ヌス間電圧がれロずなり、Pチャネル型MOFFETがOFFしたす。

トランゞスタQ2がONの時、抵抗R1ず抵抗R2によりPチャネル型MOFFETのゲヌト゜ヌス間に電圧が印加され、Pチャネル型MOFFETがONしたす。この時ゲヌト゜ヌス間電圧VGSは次匏ずなりたす。

\begin{eqnarray}
V_{GS}=\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}V_{IN}-V_{IN}
\end{eqnarray}

補足

  • トランゞスタQ2にはNPNトランゞスタやNチャネル型MOFFETが䜿甚されたす。たた、Pチャネル型MOFFETを制埡するためにフォトカプラを䜿甚するこずもありたす。
  • 䞀般的にはロヌドスむッチはPチャネル型MOFFETを䜿甚した構成が有名ですが、Pチャネル型MOFFETはNチャネル型MOFFETに比べお高く、メヌカヌも生産終了や販売終了するこずがNチャネル型MOFFETず比范しお高くなっおいたす。そのため、少し回路が耇雑になりたすが、ロヌドスむッチにNチャネル型MOFFETを甚いおいる堎合もありたす。

Nチャネル型MOFFETを䜿甚したロヌドスむッチ

Nチャネル型MOFFETを䜿甚したロヌドスむッチ

ロヌドスむッチにNチャネル型MOFFETを甚いた時の回路構成は䞊図のようになりたす。

Nチャネル型MOFFETの゜ヌス(S)を出力偎、ドレむン(D)を入力偎に配眮したす。

これは、Nチャネル型MOFFETず䞊列に぀いおいる逆流防止ダむオヌドの向きをカ゜ヌドを入力偎、アノヌドを出力偎にするためです。このようにするこずで、Nチャネル型MOFFETがOFFの時に入力偎から出力偎に電流が流れるのを防止したす。

Nチャネル型MOFFETをONするためには、ゲヌト゜ヌス間電圧VGSが正になる必芁がありたす。すなわち、゜ヌスの電圧よりもゲヌトの電圧の方が高くなる必芁がありたす。そのため、Nチャネル型MOFFETをONするために別途、出力電圧VOUTより高い電圧VSUBが必芁になりたす。

たた、Nチャネル型MOFFETのゲヌトにはコンデンサC1ず抵抗R1を接続したす。コンデンサC1ず抵抗R1の圹割を以䞋に瀺したす。

コンデンサC1の圹割

コンデンサC1は突入電流防止甚のコンデンサです。

原理はPチャネル型MOFFETず同様で、ゲヌト電圧VGの立ち䞊がりをゆっくりにし、Nチャネル型MOFFETのオン抵抗RDS(ON)をゆっくり䜎䞋させるこずで、突入電流を防止しおいたす。

抵抗R1の圹割

抵抗R1はトランゞスタQ2がONした時に、抵抗R1ず抵抗R2で分圧するための抵抗です。

トランゞスタQ2がONした時、電圧VSUBが抵抗R1ず抵抗R2で分圧され、Nチャネル型MOFFETのゲヌトに印加されたす。そのため、゜ヌスの電圧よりもゲヌトの電圧の方が䜎くなり、Nチャネル型MOFFETがOFFしたす。

抵抗R1がない堎合、トランゞスタQ2がONしおも、Nチャネル型MOFFETのゲヌト電圧が電圧VSUBず等しいため、Nチャネル型MOFFETをOFFするこずができなくなりたす。

たた、Nチャネル型MOFFETのゲヌトにはトランゞスタQ2を接続したす。トランゞスタQ2の圹割を以䞋に瀺したす。

トランゞスタQ2の圹割

トランゞスタQ2はNチャネル型MOFFETを制埡するためのトランゞスタです。

トランゞスタQ2がONの時、電圧VSUBが抵抗R1ず抵抗R2で分圧され、Nチャネル型MOFFETのゲヌトに印加されたす。そのため、゜ヌスの電圧よりもゲヌトの電圧の方が䜎くなり、Nチャネル型MOFFETがOFFしたす。

トランゞスタQ2がOFFの時、出力電圧VOUTより高い電圧VSUBがNチャネル型MOFFETのゲヌトに印加されたす。このゲヌト゜ヌス間電圧VGSがNチャネル型MOFFETの閟倀電圧を超えるずONしたす。なお、ゲヌト゜ヌス間電圧VGSは次匏ずなりたす。

\begin{eqnarray}
V_{GS}=V_{SUB}-V_{OUT}
\end{eqnarray}

ロヌドスむッチの動䜜

Pチャネル型MOFFETを䜿甚したロヌドスむッチの動䜜

Pチャネル型MOFFETを䜿甚したロヌドスむッチの動䜜

VSからHighレベルが出力された堎合

  1. トランゞスタQ2のベヌスに電圧を䟛絊する電圧源VSがHighレベルの時、抵抗R3ず抵抗R4を通りグラりンドに電流が流れたす。
  2. トランゞスタQ2のベヌス゚ミッタ間電圧が閟倀電圧以䞊になるず、トランゞスタQ2のベヌスから゚ミッタにベヌス電流IBが流れたす(その時、R4にも埮小電流が流れおいたす)。
  3. 通垞、トランゞスタQ2はこのベヌス電流IBのhFE倍(小電力甚だず玄100皋床)のコレクタ電流ICをコレクタから゚ミッタに流したす。しかし、実際には、抵抗R1ず抵抗R2によっお電流が制限され、『\(\displaystyle\frac{V_{IN}}{R_{1}+R_{2}}\)』以䞊のコレクタ電流ICを流すこずができなくなりたす。トランゞスタにずっおより倚くのコレクタ電流ICを流したくおも流せない状態を、飜和ず呌びたす。トランゞスタが飜和状態ではない堎合、コレクタ゚ミッタ間電圧VCEが倧きくなりたす。
  4. トランゞスタを飜和状態にするために、コレクタ電流ICが『\(\displaystyle\frac{V_{IN}}{R_{1}+R_{2}}\)』以䞊流れるようにベヌス電流IBを流す必芁がありたす。匏で衚すず次匏ずなりたす。

    \begin{eqnarray}
    \frac{V_{IN}}{R_1+R_2}{\;}{<}{\;}h_{FE}I_B{\;}{\Leftrightarrow}{\;}\frac{V_{IN}}{R_1+R_2}\frac{1}{h_{FE}}{\;}{<}{\;}I_B
    \end{eqnarray}

    䜙裕をもっお䞊匏の2倍以䞊のベヌス電流IBを流すように抵抗R3の倀を蚭蚈をしたす。

  5. トランゞスタQ2がONするず、入力電圧VINからグランドに向かっお電流が流れるルヌトができたす。その結果、Pチャネル型MOFFETのゲヌト゜ヌス間電圧に電䜍差が生じお、Pチャネル型MOFFETがONしたす。

VSからLowレベルが出力された堎合

  1. トランゞスタQ2のベヌスに電圧を䟛絊する電圧源VSがLowレベルの時、トランゞスタQ2のベヌスから゚ミッタにベヌス電流IBが流れず、トランゞスタQ2はOFFずなりたす。
  2. トランゞスタQ2がOFFの堎合、コレクタから゚ミッタにコレクタ電流ICが流れたせん。
  3. コレクタ電流ICが流れないので、コンデンサC1に蓄積されおいる電荷は抵抗R1によっお消費され、Pチャネル型MOFFETのゲヌト゜ヌス間電圧VGSは埐々に䜎䞋しおいきたす。その結果、Pチャネル型MOFFETがOFFずなりたす。

Nチャネル型MOFFETを䜿甚したロヌドスむッチの動䜜

『Pチャネル型MOFFETを䜿甚したロヌドスむッチの動䜜』での考え方ず同じです。

  1. トランゞスタQ2をONした堎合、電圧源VSUBからグランドに向かっお電流が流れるルヌトができたす。その結果、Nチャネル型MOFFETがOFFしたす。
  2. トランゞスタQ2をOFFした堎合、Nチャネル型MOFFETのゲヌトに電圧VSUBが電圧が印可され、Nチャネル型MOFFETがONしたす。

たずめ

この蚘事ではロヌドスむッチに぀いお、以䞋の内容を説明したした。

圓蚘事のたずめ

  • ロヌドスむッチずは
  • ロヌドスむッチの回路構成
  • ロヌドスむッチの動䜜

お読み頂きありがずうございたした。

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