みなさんは、「開閉サージ」という現象をご存知ですか?電子機器の電源スイッチを入り切りしたときなどに、時々ピカッとスパークが飛ぶことがありますね。あれが開閉サージの仕業です。いったい何であんなことが起こるのでしょう。原因は回路の中のインダクタンス(コイル)にあります。実は、同様のことがコンデンサでも起こります。コンデンサとコイルは相補性のような関係にありますが、電荷を溜めたコンデンサの端子をショートすると、理屈上∞放電電流が流れますね。これは電流サージと言えます。よって、インダクタンスによるサージ電圧を「電圧放電」という人もいます。
さて、電流が流れているインダクタンスは(LI^2)/2のエネルギを蓄えています(コンデンサの場合は(CV^2)/2ですね)。このエネルギが開閉サージの源です。では、サージを検討する準備運動としてLR回路の動作を考えてみましょう。
左図の回路で、スイッチが電源から0Vに切り換った場合のi(t)とv(t)の動作を考えます。これは前にやったLR回路の、スイッチの切り換りが逆になっただけですね。
回路の微分方程式は
Ldi(t)/dt+Ri(t)=v(t) ----- ①
(初期条件 i(0)=E/R v(t)=0 )
式①をラプラス変換し
L{sI-i(0)}+RI=V
(初期条件i(0)=E/R v(t)=0 より)
LsI+RI=V+i(0)L LsI+RI=LE/R (Ls+R)I=LE/R
分母分子をLでわって
I=(LE/R)/ (Ls+R) I=(E/R)/ (s+R/L)
[ f(t)=e^at ⇔ F(s)=1/ (s-a) の変換式より ]
逆ラプラス変換すると
i(t)=E/R e^-(R/L) t が得られます。
これがこの回路の方程式です。簡単ですね。さて、では右図の場合はどうでしょう。0VラインにRsが入りました。スイッチが0V側に切り換れば電流i(t)がRsを流れますね。ということは、v(t)=-Rsi(t)になりますね。仮にスイッチが電源につながっているときの回路電流を1Aとし、またRsを100kΩとして、スイッチが0V側に切り換ったらv(t)は何Vになるでしょう。瞬間値としてv(t)=-100kVになります。ものすごい高電圧ですね。これがインダクタンスによる開閉サージです。
これが発生すると同じ電線につながっている他の機器を壊したりするので、サージは一般に悪者扱いされ忌み嫌われます。バリスタなんて素子が考え出されたのも、このサージ電圧をなんとか低減させようとして生まれた産物です。
さてRs=0の場合は左図と同じで回路電流は
i(t)=E/R e^-(R/L) t ですね。
この式のE/R と e^-(R/L) tを分けて考えると
E/Rは回路の最大電流
e^-(R/L) t は時間経過に伴う減衰を意味しています
e^-(R/L) 0 =1、以降tの増加とともに0に近づいていきます。
スイッチが電源側のときはE/Rが電流の最大値であり、Rsはまったく関与しません。スイッチが0V側に切り換ると、RとRsが直列となって減衰に関与することが図から明らかですね。よってこの場合のi(t)の方程式は
i(t)=E/R e^-{ (RL+R) /L} t となります。
サージ電圧v(t)は、このi(t)と-Rsをかけたもの
v(t)=-RsE/R e^-{ (RL+R) /L} t となります。
関連記事:
開閉サージ の考察② 2009-06-17
LCR回路の過渡特性 2009-05-11
さて、電流が流れているインダクタンスは(LI^2)/2のエネルギを蓄えています(コンデンサの場合は(CV^2)/2ですね)。このエネルギが開閉サージの源です。では、サージを検討する準備運動としてLR回路の動作を考えてみましょう。
左図の回路で、スイッチが電源から0Vに切り換った場合のi(t)とv(t)の動作を考えます。これは前にやったLR回路の、スイッチの切り換りが逆になっただけですね。
回路の微分方程式は
Ldi(t)/dt+Ri(t)=v(t) ----- ①
(初期条件 i(0)=E/R v(t)=0 )
式①をラプラス変換し
L{sI-i(0)}+RI=V
(初期条件i(0)=E/R v(t)=0 より)
LsI+RI=V+i(0)L LsI+RI=LE/R (Ls+R)I=LE/R
分母分子をLでわって
I=(LE/R)/ (Ls+R) I=(E/R)/ (s+R/L)
[ f(t)=e^at ⇔ F(s)=1/ (s-a) の変換式より ]
逆ラプラス変換すると
i(t)=E/R e^-(R/L) t が得られます。
これがこの回路の方程式です。簡単ですね。さて、では右図の場合はどうでしょう。0VラインにRsが入りました。スイッチが0V側に切り換れば電流i(t)がRsを流れますね。ということは、v(t)=-Rsi(t)になりますね。仮にスイッチが電源につながっているときの回路電流を1Aとし、またRsを100kΩとして、スイッチが0V側に切り換ったらv(t)は何Vになるでしょう。瞬間値としてv(t)=-100kVになります。ものすごい高電圧ですね。これがインダクタンスによる開閉サージです。
これが発生すると同じ電線につながっている他の機器を壊したりするので、サージは一般に悪者扱いされ忌み嫌われます。バリスタなんて素子が考え出されたのも、このサージ電圧をなんとか低減させようとして生まれた産物です。
さてRs=0の場合は左図と同じで回路電流は
i(t)=E/R e^-(R/L) t ですね。
この式のE/R と e^-(R/L) tを分けて考えると
E/Rは回路の最大電流
e^-(R/L) t は時間経過に伴う減衰を意味しています
e^-(R/L) 0 =1、以降tの増加とともに0に近づいていきます。
スイッチが電源側のときはE/Rが電流の最大値であり、Rsはまったく関与しません。スイッチが0V側に切り換ると、RとRsが直列となって減衰に関与することが図から明らかですね。よってこの場合のi(t)の方程式は
i(t)=E/R e^-{ (RL+R) /L} t となります。
サージ電圧v(t)は、このi(t)と-Rsをかけたもの
v(t)=-RsE/R e^-{ (RL+R) /L} t となります。
関連記事:
開閉サージ の考察② 2009-06-17
LCR回路の過渡特性 2009-05-11
7809のような最大定格1Aのタイプを使って、実際に使う消費電流が数ミリアンペアしかなかったとします。
デバイスがアナログアンプのみだったら何もおきないかもしれません。
しかし、5V系で駆動するマイコンがあった場合に問題が出ます。
突入サージがマイコンに印加される可能性が大で、「ラッチアップ」を体験することができるかもしれません。
あと、3端子レギュレータって充分インピーダンスを低くしてつかってあげないと「発振」します。
「充分インピーダンスを低く」ってことは、それなりに電流を流してあげる、ということですね!大容量のデカップも要りますし・・・。
数ミリアンペアしか使わないものに1Aタイプを使うのがミスなわけですが、間に合わない場合は抵抗1本で対処・・・これしかないですね!「ブリーダ抵抗」でむだに電流を食わせる・・・という野蛮な(笑)な方法です。
実例があったのです。
時間も部品手配もできない条件で、私は「抵抗でムダ食いさせたら?」って言ったのです。
抵抗ならばその場にあったし・・・。
そういう「現場的な対処」というか「反射神経(?)」で仕事してました。あぁ~、元気だったのねぇ~!って思います。今考えると・・・。(笑)
それが対GNDになるわけですから、抵抗で接地している状態と見なせる。
最終的に、インピーダンスを小さくできる・・・ということは回り込みを防ぐことができるので、発振の対策になる・・・ということになるのではないですかね?
もしかすると、等価回路を書くのがお好きなのでは?
それで疑問が解決できるのかもしれません。
私は実体験で3端子レギュレータの発振をいっぱい見てきているので、いまさらヤル気にはなれませんけど・・・。
3端子レギュレータの中身はオペアンプみたいなモノです^^;
「電源回路」だと思い込むと解決しないかもしれません。
「電源回路」と呼んでいても、能動デバイスで構成する以上、なんらかのアンプとなりますんで・・・。
フィードバック制御の1つ・・・ですかね?
フィードバック制御と言えば・・・。
プロポーショナル制御っていうのありましたね?
ラジコンの「プロポ」の語源がこれなんですけど、厳密に言うと、ラジコンの場合はフィードバックの部分が送信側に反映されないので「プロポーショナル制御」とは言いがたい・・・というのが私の見解ですけど・・・。
これも関係ない話でしたね^^;
「最終的に、インピーダンスを小さくできる・・・ということは回り込みを防ぐことができるので、発振の対策になる」
仰る通りです。(^^)
簡単な平滑だけの電源回路とした場合、ケミコンとセラコンを出力に設けたら、「ケミコンがデカップリング」で「セラコンがパスコン」ということですね!
デジタル回路の場合は電源の出力以外に信号経路の電源ラインにパスコンをたくさん設けますが、ノイズによる誤動作防止・・・ということで、そういうふうに考えるととっても明確だと・・・。
パスコンひとつで高周波ノイズを低減できるのは、たくさん見てきたなぁ~!
ハード屋の頃は基板の改造なんてしょっちゅうだったし・・・。
しかぁ~し、「デカップリング」よりも「Dカップ」のほうが興味あるけどねぇ~!(^^;)
【参考】
http://arap.way-nifty.com/siblog/2009/05/post-d840.html
Dカップですか。私は少し小ぶりのCカップがいいかな。(^^)
現場では「電子工学」の沿わない使い方、概念でやっていることも多少ありました・・・。
そんなことはどうでもいいのですが・・・
Cカップとかそういうのって、実際にはなかお目にかかれない・・・というか見たことない、というのがホントのところ・・・。
STRIPでしか見れなかったしなぁ~!
ストリーミングで見るのが関の山!でしょうね。
はい、ストリーミングで見るのが関の山かと。
あぁ~、そうそう、最寄のパチンコ屋さんのイベントでヘソ出し(?)のヤツを見ましたか・・・それは去年の中頃だったかな?
STRIPもほとんど全滅状態ですんで、さびしい限り・・・。
とうことは、あったら見に行く・・・ということですかね?ワタシ。かもしれない・・・だったら見にいくためのお金をキープしとくだろうな、たぶん。
もう、ソープとかいけるような状況ではないので・・・フトコロも体も・・・。
最近は、デリヘルが主体みたいですね・・・っと、関係ない話でしたねぇ~!
さて、3端子レギュレータのパスコンのメカニズムもわかったことだし、STRIPもほとんど全滅状態のことだし、本スレッドは一旦終結ということにしましょうか。