スピードアップ・コンデンサーの実験

1. 実験の目的

トランジスタ・スイッチの回路にスピードアップ・コンデンサーを追加し、
その効果を確認します。



2. 実験課題

1. スピードアップ・コンデンサーの効果を波形で確認
コンデンサーの容量を変えながら出力波形の遅延時間を測定し、
適切と思われる容量の値を検討します。




3. 実験回路






4. 回路の機能と動作

トランジスタ・スイッチをベース電圧でON/OFFさせる際、ベースが持つ容量と
ベース抵抗(R_B)により積分回路が形成されるため、スイッチング速度が
遅くなります。


トランジスタ・スイッチがONからOFFになる際のもうひとつの遅延理由は、
ベース内の蓄積電荷です。ベース電流が0になっても蓄積電荷によりコレクタ電流が
すぐには0になりません。


R_Bと並列にスピードアップ・コンデンサー(C_S)を接続すると、
ベースが持つ容量が早く充放電されるため、スイッチング速度が改善されます。
また蓄積電荷も早く排出されます。


動作波形


スピードアップ・コンデンサーの機能の詳細については、トランジスタ・パルス回路の
解析に記載した スピードアップ・コンデンサーの機能を参照してください。




5. 実験回路の設計

1. 設計条件
(1)電源電圧：およそ5[V]とします。
(2)使用するトランジスタ：定番の2SC1815-Y
(3)コレクタ電流(ON状態)：5[mA]
(4)入力信号
　　非安定マルチバイブレータの実験 で使用した実験回路を流用します。
　　ただし、コンデンサーの容量は変更し発振周期は変えます。
　　・波形：矩形波
　　・周波数：約25[kHz]
　　・デューティー：約50[%]
　　・振幅：0-5[V]
(5)出力の負荷
トランジスタのコレクタには何も接続しません。
波形観測のためのオシロスコープを接続しますが、オシロの入力インピーダンスは
[MΩ]のレベルなので無視出来る値です。


2. R_Cの選定
Vcc=5[V]、コレクタ電流(I_C(ON))が5[mA]なので
R_C = Vcc / I_C(ON) = 5[V] / 5[mA] = 1[kΩ]



3. R_Bの選定
トランジスタの直流電流増幅率(h_FE)はデータシートより120(min)なので
トランジスタのベース電流は
I_B = Ic / h_FE(min) = 5[mA] / 120 ≒ 41.6[μA]

トランジスタがONしたとき確実に飽和するよう、通常この値の2〜10倍くらいの
ベース電流が流れるようR_Bを決めますが、まずは3倍で計算しました。
R_B = (Vcc - V_BE) / I_B = (5 - 0.7) / (41.6[μA] * 3) ≒ 34.5[kΩ]

E6系列より選定して R_B = 33[kΩ]としました。



4. C_Sの選定
解析的に決めるのは難しく10〜100[pF]の範囲で調整します。
今回は手持ちのコンデンサーにあった、10、30、47、100[pF]を選定して
波形の変化を観測しました。



5. 信号源
非安定マルチバイブレータの 実験に使用した電子ブロックを流用しました。
ただし、発振周期とデューティを変更するために、C_B1 = 0.001[μF]、 C_B2 = 0.001[μF]
に変更してます。この場合の発振周期は約40[μs]、デューティーは約50[%]です。

ところで、非安定マルチバイブレータの出力を直接使うと立上がりの時間が遅く
実験回路の応答特性が正確に判りません。本来は、非安定マルチバイブレータの出力を
一度、シュミット・トリガ回路を通すと良いのですが、回路設計の負担が増えると
同時に、部品も増えてしまいます。
そこで、非安定マルチバイブレータの出力にスピードアップ・コンデンサーを
追加したトランジスタ・スイッチを経由して実験回路に供給します。
今回実験する回路を信号源に使ってしまっては、ちぐはぐな実験になってしまうのですが
妥協して諦めることにしました。(T_T;
下記が信号源全体の回路図です。



6. 実験方法

1. 電子ブロックの配置
電子ブロックで実験回路を下図のように組み立てます。
電源は簡易安定化電源の5[V]端子を使用しました。



2. 全体の接続図



3. 波形の観測
スピードアップ・コンデンサーの値を変えながらViとVoの波形を
オシロスコープで観測し、下図に示す t_d、t_s、t_r、t_fを読み取ります。





7. 実験機材

1. 電子ブロック
使用したブロックは、実験方法の 電子ブロックの配置を参照。

2. 簡易安定化電源 (5[V]端子)
3. オシロスコープ



8. 実験結果

1. 信号源の波形
上が非安定マルチバイブレータの波形、下は100[pF]のスピードアップ・コンデンサーを
を付加したトランジスタ・スイッチの波形(Vs)。
Vsのt_rは100[ns]、t_fは80[ns]くらいでしたが、多少、
次段に接続される実験回路のC_Sの影響を受けるようです。

2V/div、5μs/div


2. 波形観測(遅延時間測定)
t_d、t_s、t_r、t_fの読み取り結果を下記に 示します。
波形の写真は面倒なので省略しました。
(似たような波形ばかりで楽しくないので。笑)


CSの容量 [pF]	td[ns]	ts[ns]	tr[ns]	tf[ns]	備考
0	1800	200	700	160	スピードアップ・ コンデンサー(CS)なし
10	1500	40	600	80
30	500	≒0	600	20
47	40	≒0	80	≒0
100	≒0	≒0	80	≒0

(注)「≒0」は、私の壊れかかったオシロでは差がほとんど0で測定出来ない、の意味です。(^^;

読み取った結果をグラフにしたものが下記です。

(1)t_d


(2)t_s


(3)t_r
　このグラフだけなぜか歪んでしましいました。比較的ラフに値を読み取ったことと
　オシロスコープのレンジの切替わりだったせいかもしれません。(-_-?

(4)t_f





9. 測定結果・考察

1. 遅延時間の改善
想像していたよりも絶大な(?)効果があることが判りました。(・o・;;
とくにスピードアップ・コンデンサーがない場合、t_dとt_s の差が大きく、
高速なパルスを入力した場合、出力のデューティーが大きく変化して
しまうことが判りました。(追加実験の項、参照)


2. スピードアップ・コンデンサーの値
t_d、t_s、t_r、t_fのいずれにおいても 47[pF]以上あれば十分な改善が期待できることが判りました。
ただしこの値は条件(トランジスタの型式や電源電圧、ON時の入力電流など)
によって変わる可能性があり、今回の実験だけでは一般論とは言えないです。


3. 追加実験
信号源である非安定マルチバイブレータのコンデンサー(C_B1、C_B2)の
片方を100[pF]とし、非対称な矩形波をViとして入力した場合のVoの波形を
観測しました。


デューティー	スピードアップ・ コンデンサー:47[pF]	スピードアップ・ コンデンサー:なし	備考
10%	ほぼVoはViを反転した波形。	パルス幅が約2倍に広がった。
90%	ほぼVoはViを反転した波形。	パルスが消えてしまった。

上：Vi、2V/div、5μs/div
下：Vo、2V/div、5μs/div




10. 今後の課題

1. スピードアップ・コンデンサーの応用検討
将来的に、トランジスタを使用したパルス発生器の製作に応用予定です。




11. 参考文献

1. パルス回路の設計(昭和56年(1981) 第20版(改訂10版)) P-34〜37 トランジスタのスイッチ動作、猪飼國夫著、CQ出版社



12. 関連項目

1. トランジスタ・パルス回路の解析− スピードアップ・コンデンサーの機能
2. トランジスタ・パルス回路の実験− 非安定マルチバイブレータの実験
3. 自作電子ブロック
   
4. 簡易安定化電源