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2017年4月11日 (火)

久々の良本「電子部品大事典」

ひさびさに 3000円もする”トラ技SPECIAL 増刊」を買いました。
電子部品の紹介程度じゃ無いかとタカをくくってましたら、やられました。
手にとって「ソク買い」でした。
 何にやられたかというと、「第五章 抵抗器のやっちまった伝説集」です。
・CMOSロジックの使わない端子を開けっ放しにはしてはいけない
 の解説(これって抵抗器の話なのに?)
・マイコンのポートが壊れる?
 の解説(CMOSの電源 OFF時に入力に電圧をかけると...)
シリーズ抵抗は大切です....のはなし

極めつけは
・抵抗の密集地ではトータルの消費電力を確認する
 抵抗の許容定格には入っている 0.2W 消費で 1/2Wの抵抗ですが、これが四本隣り合っていれば1W近くになるわけです。抵抗の定格は大丈夫ですが、このプリント基板が10年経って、開けてみたら基板が焼けて変色していた...というはなし。
(やっぱり消費電力を下げられないか、分散配置出来ないかをもう一歩踏み込んで検討する力が必要ですね)

コンデンサーの部分でも「7章トラブル対策集」で
・電解コンデンサーの極性を逆にしてはいけない では
 実際に逆接にした実験を行っています。
ここでのポイントは「いきなり爆発するようなことではありません」とあることです。初期に発熱しますが、なんとか動いてしまうのです。そして怖いのは「寿命は1年ぐらいと考えられます」とのことで、ちゃんとチェックしないと出荷後にトラブル...
という、怖い話でした。

最近、この手のトラブルの話がようやく書籍になりはじめたのではないかと思います。経験豊富なアナログ屋さんが次々と退職していく時代の反映かも知れません。
若いエンジニアに是非読んでもらいたい本ですね。

2016年9月23日 (金)

SiC FETのゲートチャージのはなし

SiC FETのゲートチャージのはなしとは

高速スイッチングで最近注目される SiC FETですが、やっぱり MOSFETと同じようにゲートの入力容量( Ciss )やドレインゲート帰還容量(Crss)の影響はあるので、その振る舞いをメーカーの Spiceデーターを使ってシミュレーションしてみました。
Crsscharge0923
ゲートONの立ち上がり波形
・これは理想的な電圧源に10Ωをシリーズにした回路なのでさっと立ち上がっていますが、ドレインがすぐには ONしません。ゲートにある程度チャージしないと ONしないのは Ciss の影響か、この機種はモジュールで 120A流せるものなので特にチャージに時間がかかるのと思われます。ゲート抵抗を 100Ωにするともっと遅く、1uS近くにもなります。
ゲート電圧のドロップ波形
・ドレインが ONして電圧が下がってくると、Fig17図グラフで判るように、Crssが増えてきます。これはバリキャップダイオードみたいにかける電圧が下がってくると空乏層の間隔が減って容量が増えるためで、せっかく貯めたゲートの電荷が 100倍近くなった Crssに流れてしまい、ゲート電圧が下がってしまいます。
一生懸命パワフルなドライバでゲートに電圧を印加してもこの現象は起こるので、オシロでゲート波形を見ると、ドライブ不足かとがっかりしてしまいまいますが、これはしょうがないのです。ドレイン立ち下がりが遅いならば要検討ですが、この時点でドレインが ONしていれば OK でしょう。
ゲートOFFでもドレインはそのまま
・ゲートを切ってもゲートには電荷がチャージされていますので、ゲートドライバのトランジスタなどで一生懸命ディスチャージして OFFにするのですが、すぐにはドレインは OFFしません。どのデバイスでもこの OFFする時間が一番問題なのです。
ドレイン電圧の持ち上がり
・ドレイン電圧は OFFすれば電源電圧まで戻ると思いますが、実は電源電圧以上になるのです。これはCrssやCossにたまった電荷が OFF時に影響するためです。
Q = CV と電荷量はコンデンサー容量とかかっている電圧の積ですが、電荷Qが一定な場合にC 容量が減ると電圧が高くなるわけです。 FETがOFFになって電圧が上昇していくと、CrssやCossが減ってきます。すると溜まった電荷により電圧が増え,電源電圧以上になってしまうのです。
 この影響は僅かですが、コイルなど 負荷条件によっては大きな電圧がドレインにかかる可能性を十分考慮することが大事です。
ゲート電圧の持ち上がり
・ゲート電圧もこの Crssによってドレインに引っ張られ一時的に上昇します。ゲート抵抗が大きいとこの際にゲートで ONするような電流が流れ,内部破壊をする事故も起きます。高速スイッチングは OFFするほうがいつも難しいのですね。
アバランシェ降伏なども検討する必要があります。
*それでも数100nSで高電圧をスイッチングする時代になったのだと、あらためて感心します。

2016年9月 3日 (土)

単電源から両電源を作るはなし2

単電源から両電源を作るはなし2とは

以前オペアンプで単電源を±の電源を作るはなしを書いたのですが、市販された普通の器械が、こんな中間電圧をオペアンプで発生させて、両電源を作るをテクニック使ってたのを最近見つけて、少し感動しました。
 それはヤマハのマルチトラックカセットレコーダの MT-400 という機種ですが、電源は外部の電源アダプタ DC12V から取るので、ちょっと考えて見て、単純に単電源で半分の電圧をバイアスとして使ってるだけかなと、考えていました。
 そして、電源入力基板を見ると 10V の3端子レギュレター ICがあったので、やはり...と思って調べていくと、基板のシルクを見てみると+5V, −5V ,GND とあるのです。
 それなら、どこかに電源ICがあるのでは...と探したけれど見当たりません。電源入力の側に SIP 縦型インラインの2個入りオペアンプ M5218 がその役目をしていました。
Halfps2
 2個入りのOPアンプの出力に 10Ω を付けて、GNDに接続して中間電位を出しています。この ICは 800mWで出力 50mA の定格があるので、電力的にはミキサーなどアナログ回路を駆動し変動を抑えるのに十分かと思われます。
モーターには 12Vをリップルフィルターを介した後、回転制御をしていましたので、電力的には十分だったと思われます。
 でも何も知らない人が見たら、どうして±5Vを作っているのか判らないし、そもそも、このオペアンプの出力がどちらも GNDに繋がっているのを見ると、どういう働きをしているのだろうかと、悩んでしまいそうですね。

2016年7月27日 (水)

2SC1815の代替のはなし

2SC1815の代替のはなしとはUnknown

  2SC1815は代表的な定石トランジスタで、TO-92という3本足の挿入型パッケージになっているトランジスタです。
 最近は表面実装タイプばかりになり、ついには日本製でこのTO-92パッケージは無くなってしまいました。現在は在庫か、復刻デバイスとして中国などで生産されてはいます。
 この定石トランジスタは古くは、2SB54,2SA102などのゲルマニウムトランジスタの時代から、2SC372 などシリコントランジスタへの発展、2SC945などオーディオ対応などを経て、電子工作や一般の小信号分野で多く使われるようになったのが、2SC1815です。
 このようなトランジスタはペアと言って NPNと PNPが同じ特性のものが用意されているのも特徴的です。 2SC1815 だったら 2SA1015  で、小信号アンプの出力段やドライバによく使われています。
 しかしながら、将来的に継続して生産が保証されるかというとちょっと心配な点も多く、このTO-92パッケージ版を使うべきか悩んでいました。
 最近 RSなどを調べてみますと、FareChild社が中国生産ですが、代替品の KSC1815 と KSA1015というペアの製品を出しているのを知りました。 2SC1815だと現在全世界で7万個ぐらい在庫があり、引き続き生産も予定されているようです。
Tble1815a
 しかしながら、海外製品はちょっと...と考えるメーカーは多く、やはり最終的には日本製の 表面実装タイプを検討せざるを得ないかと思います。
 上の表は 2SC1815 互換のトランジスタですが、いわゆる普通の大きさの SC-59 という大きさでは 東芝製 で 2SC2712 。もうちょっと小型では 2SC4738 があるようです。また 2SA1162は 2SC2712のコンプリメンタリ品で 2SA1015と互換で使えます。Pkg_idea
 そうするうちに一番下の HN1B01Fという東芝製の複合トランジスタを見つけました。1つのパッケージに PNP と NPNが1つづつ入ったものですが、大きさは上記 2SC2712と同じですがピンが6ピンあり、1個で2TR分使えます。右図のようなピン配置で、同じシリースには PNP 2個入りや NPN2個入りもあります。しかし、残念なことに、このパッケージではせっかく 2SC2712と大きさが同じなのに、代替して使うことができません。もし、一番下の NEW-WTR のような内部接続だったら、 2SC2712のパターにはそのまま、2SA1162のパターンには180°回転して実装することができますよね。
 2個分まとめて使えるのでお得だし、もしもの時には1個入りトランジスタの代替品で使える...ってことで大量生産してくれないかな?
*プッシュプル式のパターン例を考えて見ました。
オリジナルよりずっと楽そうですよ。
Pkg_idea2

2016年6月20日 (月)

トランスの弱点のはなし

トランスの弱点のはなしとは

最近ポータブルミキサのジャンクを入手したので、修理をしながら感じた点があったので書いてみます。
 ローコスト化した業務用ポータブルミキサですが、1枚基板になってオペアンプもSMD型にして、初段の J-FETペアによるローノイズ化は見送られた様でしたが、ローカットフィルターや 3CH入力、テストトーン・アナログ VUメーターなど基本的にはプロ仕様です。しかも内蔵バッテリーは 単3 x 4本の6Vで動作するので、ちょっとビックリでした。P1030171 
 そしてトラブっていたのは、L-CH出ずの症状で出力用のトランス(右写真)の、向かって右上の2本の線が端子の巻き付ける所で切れていました。
 左上側の2本を見ても判るように、引出線がかなりピンと張っているのが判ります。
 実はこのシリーズの上級機種では、トランスはもうちょっと大きいので、がっちりした鉄バンドで基板に取り付けられているのですが、この機種ではこれら8本のピンで支持されているだけです。
 ポータブル用途なので、落としたときなどこの足の部分にトランスの荷重がかかり、右上のピンの根元で断線してしまったのと思われます。(写真は撚り線でリペアした後です) 3台修理して2台が同じ位置のトランスの同じ巻き線でしたので、同様の事故が多いかと思われました。 
 かつてトランスは重くてやっかいなモノでしたが、最近はスイッチング電源などの普及で軽いものになりました。昔、輸出用のオーディオセットでは落下試験があり、トランスがビスごと外れたり、鉄バンドが切れてしまったりして、別の補助バンドで⒉重に取り付けるなどの対策をしたのを覚えています。
 かなりコストダウンした機種ですので、バンドをするとまた基板のコストや半田付けの手間などなかなかコストがかかりますが、トランスのピンへの線の引き回しなどを工夫すれば、バンド無しでも大丈夫だったかも知れませんね。
 

2016年6月 3日 (金)

NCH FETでのハイサイドドライブのはなし

NCH FETでのハイサイドドライブのはなしとは

 前回FETのドライブについて書きましたが、今回は N-CH FETでのハイサイドドライブについて具体的に書いてみます。
この場合気をつける点は、Nch_highsidefet_driver
1)  出力したい電圧よりもドライブする FET のゲート ON電圧以上高い電圧をゲートにかける必要があること。
2) ゲートドライブなので、10V 100mA 程度の電源でよいので、絶縁型の DC/DCコンバーターでも使える。
 実際の回路は
 右が実際の回路です。
一番上は DC/DCコンバーターで 50V電源に 12Vをかさ上げして、62Vとした場合です
 ここで、問題はゲート制御ですが、トランジスタ2石でスイッチとしました。ともにこの場合Vceo 耐圧が62V以上必要です。
 さらに注意しなければならないのが、ゲート電圧の耐圧です。普通の FET は±20V程度なので低い電源電圧ならば良いですが、この場合、OFFから ONさせるときに +62Vがゲートソース間にかかります。これを防止するためにゲートソースにツェナーダイオードを入れます。
 2番目はトランジスタスイッチでなく MOS-Switchを使った場合です。 PhotoMOSSWならば絶縁できますので、12V電源のGND側をソースにつけて、ゲートに +12Vをかけます。この場合はゲート電圧は耐圧範囲内ですが、ドレインが高い電圧の場合、ドレインーゲート容量によっては OFF時などにノイズが回り込む可能性がありますので、安心のために付けています。
 最後はプッシュプル動作の PhotoSwitch を使った例です。
この場合は OFF時にも高速でゲートを遮断できますので、高速スイッチング動作に有効です。
簡単な場合は
簡単に単純に ON/OFF出来ればいいと言う場合は、中央の回路で MOS-SWの部分をジャンパして、制御は DC/DCコンバーターの電源を ON/OFFするという方法です。
車の24V電源やインバータへの電源を ON/OFFしたい場合などは、そのような回路で十分かも知れません。

2016年6月 1日 (水)

FETのゲートドライブを考える

FETのドライブを考えるとは

 最近、SiC(シリコンカーバイト)とかGaN(ガリウムナイトライド)など、スイッチング分野にも高速のFETが使われるようになってきましたが、多くは N-CH のFETです。
 しかし昔のオーデイオパワーアンプなどは「コンプリメンタリFET出力」などといって、P-CHと N-CHのプッシュプル構成が一般的でした。
 今回は、P-CHと N-CHのFETのゲートバイス電圧について考えて見ます。
 Fet_driver_2
 出力に使う場合、プッシュプル構成でもシングルでも、電源のどちら側をスイッチングするかで、ハイサイドとローサイドが区別されますので、まず、P-CHの 場合で考えます。
 P-CH ハイサイド
ソースを電源(右図では +15V)に接続し、ドレインから出力します。P-CHではゲート電圧はソースよりも Vgsだけ低い電圧を加えてONしますので、Vgsを5Vとするとこの回路では GND側に15Vより 5V低い 10V程度かければドレインにほぼ電源電圧に近い電圧が出力出来ます。
 P-CH ローサイド
ドレインをGNDに接続し、ソースから出力します。P-CHではゲート電圧はソースよりも Vgsだけ低い電圧を加えてONしますのでゲートには通常 0Vまでしか設定できないので、ソースはそれより高い 5Vまでしか出力出来ません。もちろんマイナス電圧を使えば 0Vまで出力出来ます。
次にN-CHです。
 N-CH ローサイド
ソースをGNDに接続し、ドレインから出力します。N-CHではゲート電圧はソースよりも Vgsだけ高い電圧を加えてONしますので、Vgsは通常 5V程度の電圧でONし0V出力出来ます。
 N-CH ハイサイド
ドレインを電源(右図では +15V)に接続し、ソースから出力します。N-CHではゲート電圧はソースよりも Vgsだけ高い電圧を加えてONしますので、電源を15Vとするとこの回路ではVgは15Vまでなのでソース出力電圧は 10Vまでとなります。もちろんゲート電圧を15Vより高い 20V程度までかければソースに電源いっぱいの15Vを出力出来ます。
 どのように組み合わせるか
 昔のオーデイオアンプのようにコンプリメンタリーでソース出力を使う場合、ハイサイドにN-CHをローサイドに P-CHを使って構成するのですが、Vgsの制限から電源よりも上下 Vgs分程度出力電圧がすくなくなります。それで、昔のパワーアンプはドライブする段は別電源で、それぞれ最終段電圧よりも5V〜10V高い電圧を用意していました。
 しかしながら、現在のインバーターなど効率を追究する機器では、逆にハイサイドを P-CH ,ローサイドを N-CHとしてドライブの簡素化を行っています。
 P-CHは遅いので
 また、高耐圧で大電流の P-CH FETは種類も少なく、スイッチング速度も遅いので、最近はハイサイドも N-CH FETを使っています。その場合の問題は電源電圧より高いドライブ電圧をどうするかです。
1) ドライブ用のICに昇圧回路が入っていて高い電圧を作っておける。
2) ブートストラップ回路と言って、ソース出力とドライブ電源の間に比較的大きなコンデンサーを入れ、出力電圧(ソース)を高くする時にはこのコンデンサーがソースよりも高い電圧を保持してゲートを ON出来る回路。
などの工夫でドライブしています。
 もうちょっと工夫して
 今回私の開発した SiC-FETスイッチング回路では個別の 小型絶縁型DC/DCコンバーターを搭載して、ハイサイドのドライブで、この問題をクリアしました。この方法のメリットとして、マイナスバイアスも生成できる点で、スピードアップのため、OFF時のゲート電荷を消す際にも有効な手段です。

2016年2月 8日 (月)

技術の信頼性のはなし

技術の信頼性のはなしとは

 最近請け負ったデジタルパワーアンプの修理ですが、ほとんど電源の故障でした。最近のデジタルアンプは D級でスイッチングするので、放熱板も小さく済むし電源もスイッチング電源なので軽くてハイパワー、おまけに中国製でバカ安だそうで、PA関係の人に聞くと増えているそうです。
 1つの例はサージ保護のバリスタが燃えて、爆発しているケース。誤って 200Vをかけてしまったそうですが、ヒューズは飛ばないでバリスタが燃えたケース(ヒューズの意味がない)と、ヒューズが飛んでヒュースホルダが外せなくなり交換できなくなったケース。
 後者はヒューズホルダーが以下のような事態に...
Img_1779
取り外して、中を確認しようとしたらもうケースが劣化していて割れてしまいました。ヒューズ両端子が中で溶けて外れなくなっていました。このヒューズホルダーは構成上どうみても 15A以下の物のようですが、ヒューズは 20Aが入っていました。
安全規格上は 100Vなのでこのような事態はあまりないのかと思いますが、20Aのヒューズを切った試験をやってないということですね?
 もう1つはスタンバイ状態にはなるが、メイン電源が入らないというケース。
この電源は1次側でPWMスイッチングするだけですが、効率を上げるためトランスを共振させてドライブさせているようで、トランスにシリーズにコイルとコンデンサーが繋がっていました。そのコンデンサーの足のランドが以下のようになっていました。
P1020334
 中央左上のランドですが、足が半田されていません。よく他のランドを見ると半田ノリが少ないところが多々見られます。振動や熱で半田が劣化してイモ半田になる事はありますが、コレはレジストが明らかに小さすぎますね。ここに瞬間に 10A近い電流が流れるにしてはもうすこし大きくすべきですね。ティアドロップのレジストにしても良いくらいでしょう。
 安価に生産する技術は発達してきたのですが、修理サービスや販売営業経験が乏しいメーカーでは、なかなか製品の信頼性を保証する経験が重ねられていないようです。日本メーカーも自動車のリコールなど「技術の信頼性」にもう一度立ち戻る必要があるのでしょうか?

2016年1月27日 (水)

8CH A/Dのはなし

8CH A/Dのはなしとは
 最近使っている A/Dコンバーターは、 4CHではAD7991 です。20160127_203609
8pin SOT-23の小型のパッケージで、12Bitの分解能があり、I2C で読み取ることができます。
 設定レジスタも1コですが、特に設定しなくても、自動で各チャンネルを切り替えてくれるので、簡単でした。
 読み出しは16Bit読み出したうちの、上位 4ビット分に(正確には4CHでは Bit 12,Bit 13 )に変換したチャンネル値があるので、それに従って変換結果バッファへ転送すれば自動的に読み取ることが出来ます。
 次にもうちょっと多くのチャンネルと考えると、8CH の AD7997になります。20160127_204514 サイズは0.65mm ピッチ足の 20Pin になりますが、結構小型になっているので8CH にしては小型に出来ます。しかしながら、外付けの基準電圧が必要なのですが、最近は小さな基準電圧ICがあるので、ADR381などを使えば小型に出来ます。
このICも I2Cでアクセスでき、10Bitの分解能を持っています。しかも読み出しデーターは 16Bitで上記 AD7991 と全く同じに読め、CH値が 3Bitに拡張されただけなので、そのまま、アドレスを変えれば読めるんじゃないかと、安易に使って見ました。
 しかしながら、この ICにはレジスタが 16コもあって、何も設定しないと、何も読めないという、残念な結果でした。
 そこで、何かうまい手はないかとデーターシートを眺めていると、あるじゃないですか....

 CYCLE TIMER REGISTER というレジスタに値を書けば自動で切り替えてくれそうです。しかしそのアドレスに書き込むにはアドレスポインターレジスタにアドレス値を書いて、その後値をセットして、さらにまた元のアドレスに戻すという結構面倒な設定が必要みたいです。
 結局それでうまくいったのですが、そんな感じで動いてから ...1年もするとすっかり 8CH A/Dの苦労は忘れて、 4CHと同じようにそのままで動くんじゃないかと勘違いして、今回苦労したという話。
 初期化ルーチンで 4CHに直した機種で、この初期化コードを省いちゃったので、今回 8CHにしたら動かない...以前のコードで動かすと動くのに...どうして今回は動かないのか?

結局半日つぶしてしまいました。
 余計なルーチンと思っても削除するのでなく、コメントアウトして残しておけばよかったな〜

2015年11月10日 (火)

FETのバイアス変遷のはなし

FETのバイアス変遷のはなしとは

 昔はFETって高級品で、接合型のFETがオーディオなどに用いられて、低ノイズで高インピーダンスなので、「FET MCヘッドアンプ」なんてキャッチフレーズでオーディオアンプが売られた時代でした。Unknown
 高周波への応用は少し遅くて、アルミケースのデュアルゲート FETの 3SK22が発売された頃は、色々なアマチュアセットに使われました。トリオでは JR-310という受信機で RF段に採用され、2つのゲートをRFミュートとAGCそれぞれに使っており、私の設計したCBトランシーバーも同じように、RFゲインとRFAGCをかけるように、2つのゲートを使っていました。当時はまだ高価で、一番のSNの勘所のRFセクションにしか使えませんでした。
 その後、R-599シリーズなどの VCOにも使われるようになりましたが、VCO用途では2つ目のゲートは使われませんでした。
 下図のDualGate FETを使ったミキサーは2つめのゲートを有効に使った好例で、ローカル信号と入力信号をミキシングするのに最適な構造でした。
通常のトランジスタでミキサーを作ろうとすると、入力に対するダイナミックレンジを稼ごうとすると、電流を流さなくてはならなくなり、そのため逆に入力信号が歪まず、ミキサーとしての効率が悪くなったりするので、その点が悩ましいところでした。電流を減らせばミキサー効率は上がりますが、逆に強入力時に飽和して受信できなくなったりします。
Fet_mixerbias_2
それを改善したのが中央の PushPull 方式で、2つの FETをPushPullで動作させるので、ダイナミックレンジはほぼ2倍、ローカル注入をソースにするので、若干ローカルレベルが必要になりますが、高価なデュアルゲートFETを使うこと無く通常の接合型 FETで構成できるので、コストダウンにも貢献しました。
(デュアルゲートFETのプッシュプルミキサーもありましたが、あまりみかけられなくなりました)、後に一番下のようなゲート接地タイプの構成でゲートにローカルを注入する機種も見られました。接合型ではソースに抵抗を入れて、ゲートは接地スルなどして、自己バイアスで使われることが多く、回路の簡素化に貢献しました。
 このようなプッシュプル化は3次の高調波歪みや強入力など、あとすこしマージンがほしい時に大変助かりますが、時代はやがて、DBM などパッシブなミキサーに高レベルのローカル入力で機器を構成するほうが安定になってきました。
  マイクロ波を扱う最近のエンジニアではミキサーというと DBM を指すようで、ディスクリートのデバイスでミキサーを作れるなんて夢にも思っていないようです。
 NFの良い LNAにDBMを付ければどんな周波数でも受信できちゃう現代がなにか怖い感じがします。昔SF映画で「宇宙船が不時着して通信機を修理する」なんてシーンがあり、将来そんなエンジニアになりたいなと思ったけど、今のケータイやスマホなんか、壊れたら絶対修理できないよな〜

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