バイポーラトランジスタまたはFETを使った電源開閉特性：LTspiceを使って解説

トランジスタは信号のスイッチングだけでなく、直流電源の開閉(スイッチング)としてもよく使われます。

目的としては、CPUまわりの回路の電源経路を遮断して、そこに流れるわずかな電流を止めることで機器の待機電力を減らしたり、不要な操作をユーザーにさせないようにしたりするため端末を使用不能としてしまうことことです。

遮断方法としては機械的なリレー、トランジスタ等があります。

今回は、パイポーラトランジスタと電界効果トランジスタ（FET）を使って電源を開閉するときの特徴を解説したいと思います。

回路図は、まあ、だいたい下記の感じです。

Tr2のベースに電圧を加えるとTr2がONし、

バイポーラの場合は、Tr1のベース電流が流れますので、Tr1がONし、回路に電圧がかかります。

FETの場合はソースとゲート間に電圧が印加され、Tr1がONします。

Tr1はPNPバイポーラでもPチャンネルＦＥＴでも同じ回路で動作します。

1 違いと特徴

最初に違いを下の表に記載しておきます。大抵の場合はバイポーラの開閉で足ります。

値段についても記載しましたが、量産ベースではFETの価格がバイポーラの5倍程度高くなります。

項目	バイポーラ	ＦＥＴ
電圧降下	20mV～100mV	ほぼなし
電流変動	弱い	強い
価格	安い	高い

以下いつものように、LTspiceを使いながら、操作の解説も含めて違いをシミュレーション上で確認してゆきたいと思います。

2 バイポーラトランジスタの場合

LTspiceで下図のモデルを作成しました。

Q1は常時ベース電流を流していますのでONの状態です。この状態でスイッチを使ってR4に電流を流したり、止めたりしてわざと負荷変動を発生させます。

このとき、安定した出力を得られるかどうかを確認しようと思います。

今回のQ1はロームの2SA1576Aを選択しました。

回路図の中にＳＷの記載がありますが、これは電圧制御スイッチで、一定以上の電圧が+と-の間に印加されるとONするスイッチです。

コンポーネントシンボル選択でSWを選択すると出てきます。

次にそのSWの定義を行います。

回路上でキーボードの”s”、またはツールバーの「.op」をクリックし、”Edit Text on the Schematic”を表示させ、”SPICE directive”にチェックがあることを確認してから、

.Model SＷ SW(Ron=10m Roff=10meg Vt=2.5)

とタイプします。このコマンドの意味は、

SWと言う名前のスイッチSWの機能定義：ON抵抗は10mΩ、ＯＦＦ抵抗は10ＭΩ、+と-間に入力する電圧が、スレッシュホールド電圧(Vt)2.5Vを越すとスイッチがONする。

というものです。このスイッチを繰り返しON/OFFさせるためにV2を設置しました。

回路図上のV2を右クリックして出てきた画面の[Advanced]のボタンを押すと下記の画面が出てきますので[Functions]の項目の[Pulse]信号を選択し、下記の様に値を設定します。

今回は0V←→5Vを0.1秒おきに繰り返すパルス波形を作っています。

パラメータの意味は以下です。

パラメータ	意味	設定値
Vinitial[V]	開始時の電圧	ここでは0を指定
Von[V]	パルスがHIGHの時の電圧	ここでは5Vを指定
Tdelay[s]	ディレイ・タイム	ここでは0.1を指定
Trise[s]	立ち上がり時間	0.001msと十分小さな値を設定
Tfail[s]	立ち下がり時間	0.001msと十分小さな値を設定
Ton[s]	オンタイム（HIGHの時間）	ここでは0.1s
Tperiod[s]	周期秒[s]	ON/OFFそれぞれ0.1ｓのため0.2s
Ncycle	繰り返しの数	10回

V1の設定は　右クリックして出てきた画面に下記のようにDC電圧　15V、内部抵抗0.2Ωを入力しました。

さてここでシミュレーションをしてみましょう。

シミュレーション設定は

メニューバーの[Simulate]から[Edit Simulation Cmd]をクリックすると、「Edit Simulation Command]ダイアログボックスが表示されます。このダイアログボックス内の[Transient]タブで以下の様に設定します。ステップ1msで1秒間のシミュレーションです。

結果は以下のグラフとなります。