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 過電圧保護回路

過電圧保護回路

 回路図は50Ωの負荷抵抗に設定値以上の電圧が掛からないようにするものです。
 この回路定数で、4.2V以上の電圧が加わった時、出力電圧が0になります。
 入力電圧は無制限に高くは出来ず、素子の耐圧や許容損失の制限を受けます。
 この回路では実験により、4.2V〜30Vの範囲で遮断を確認しています。
 4.2Vの閾値は定電圧ダイオードに依存しますが、定電圧ダイオードはバラツキが大きく、正確な遮断電圧を決定する のは困難ですので、精密さを必要としない用途に使用します。
 回路の定電圧ダイオードはRD5.1Eですが、立ち上がりが甘く、もう少し低い電圧から電流が流れ始めます。
 その際、トランジスタのHFEや、4.7KΩと5.6KΩの値によっても、閾値は若干、影響を受けます。
 この回路の負荷電流は50mA〜80mA程度ですが、もっと電流を流したいときは、さらにチャンネル抵抗の低いFET を使用します。
 パラに接続してチャンネル抵抗を下げるという方法もあります。
 低電圧側ではFETのゲートON電圧の影響を受けます。
 2SJ377はゲートに−2V掛けなければONしません。

 今回の実験データを下に示します。
過電圧保護回路動作特性

注意事項

 この回路ではMOS FETのゲート耐圧以上の電圧を印加することが出来ません。
 一般的に、ゲート耐圧は20V〜30Vのものが多いです。

 過電圧保護回路U

過電圧保護回路U

検出精度を上げる

 前出の回路では電圧基準に定電圧ダイオードを使いました。
 定電圧ダイオードは切れが 悪く、2V程度から、わずかに電流が流れ始めます。
 つまり、流れる電流によって電圧が変化してしまいます。
 また定電圧ダイオードもトランジスタも温度特性があります。
 遮断電圧を計算で求めるのは困難で、カットアンドトライとなってしまいます。
 今回は基準電圧を温度特性のの良い基準電圧ICにし、差動回路でトランジスタのVBE温度特性を打ち消しています。
 この基準電圧ダイオードは20uAあれば動作します。
 尚、回路中の定電圧ダイオードRD5.1Eは保護用で、過電圧が10V以上になったとき、回路図のQ3のエミッタ→ベース→ Q2のコレクタ→エミッタ→Q1のエミッタ→ベース→LM385という短絡経路が発生します。
 Q1のベースエミッタ接合は9V程度の逆電圧でブレークダウンしてしまいます。
 この状態を避ける為に入れてあります。
 過電圧の最大値が5V程度であれば省くことが出来ます。
 通過電圧を1.3V〜2V程度と想定しましたが、この範囲ではRD5.1Eには電流は流れず、回路に影響は与えません。

低電圧化

 低電圧で動作できる素子は種類が限られます。
 一般的に入手出来る基準電圧ICは1.2Vが最低電圧ですので、遮断電圧はこれ以上となります。
 これ位の電圧でON出来、尚かつ内部抵抗の低いP−MOSを探したところ秋月で販売しているチップFETが目に留まったので 購入しました。
 チャンネル抵抗が0.1Ω以下で4A流せるものです。
 その代わりにゲート耐圧が±8V、ドレイン耐圧が20Vと低いものです。
 遮断電圧は8V以下、過電圧は20V以下にしなければなりません。

評価

 今回は遮断電圧を1.5Vとしてみました。
 10回転の可変抵抗で1.35〜2V程度まで可変可能です。
 負荷電流による電圧降下でON→OFF、OFF→ONにはヒステリシスが若干あるので設定には0.1V程度の余裕を見た ほうが良いと思います。
 負荷抵抗として5Ωの抵抗を接続したので1.5Vの時300mA近い電流が流れます。
 下表は入出力特性のデータです。
 入力電流は回路の消費電流を含んでいますが、通過領域の消費電流は1mA以下です。
 過電圧で出力が遮断されると徐々に消費電流が増え、19Vでは消費電流が25mAまで増加しますが負荷電流は 0のままです。
 通過領域では40mV程度の電圧降下がありますが、負荷電流が少なければもっと小さくなります。

入出力特性データ

 負荷抵抗は5Ω




 上記のデータをもとに入出力特性のグラフを書いてみました。

入出力特性グラフ