NPNダーリントントランジスタを使用して3.3V DCマイクロコントローラから大型リレーを駆動する

日本語フォーラム 電子部品技術の深層
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APDahlen Applications Engineer

マイクロコントローラを大電力負荷にインターフェース接続することは、設計上の挑戦的課題です。これは、この記事で取り上げられ、図1に示されているArduino Nano 33 IoTなどの3.3V DCマイクロコントローラに特に当てはまります。原則として、これらの新しい高性能32ビットマイクロコントローラには、5V DCのマイクロコントローラほど駆動能力はありません。例えば、Nano 33 IoTは1ピン当たり7mAに制限されているのに対し、Arduino Nano Everyは1ピン当たり15mAを供給できます。この電流の減少は、低電圧と相まって、特別な注意が必要です。多くのチュートリアルで紹介されている単純なNPNトランジスタのリレードライバでは、もはや十分ではありません。

この技術概要は、リレーコイルとマイクロコントローラのインターフェース方法について解説するシリーズ記事の一部です。今回は、ダーリントントランジスタによるソリューションに焦点を当てています。高ゲインのダーリントントランジスタは、3.3V DCのマイクロコントローラと24V DC 250mAのリレーコイルとの間に良好なマッチングを提供します。このアプリケーションでは、公称ベース駆動電圧は1.4V DCです。ベース抵抗は、ベース電流がダーリントンのコレクタ電流の1/100になるように選択されます。その結果は、Arduinoマイクロコントローラの安全マージンの範囲内に十分収まっています。

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上記1番目のMOSFETの記事では、3.3V DCマイクロコントローラの電圧制限と、大型コンタクタにMOSFETドライブを使用する難しさに焦点を当てています。2番目の記事では、図1に示す大型三相コンタクタでSchneider ElectricのLCD09BDに使用されている一体型LAD4TBDLなどの過渡電圧サプレッサ（TVS）ダイオードについて解説しています。

Figure 1: Prototype of the Arduino Nano 33 IoT microcontroller driving a Schneider LC1D09BD contactor via a BDX33C Darlington transistor
Figure 1: Prototype of the Arduino Nano 33 IoT microcontroller driving a Schneider LC1D09BD contactor via a BDX33C Darlington transistor975×731 110 KB

図1： BDX33Cダーリントントランジスタを介してSchneiderのLC1D09BDコンタクタを駆動するArduino Nano 33 IoTマイクロコントローラのプロトタイプ

技術的なヒント： 過渡電圧サプレッサ（TVS）ベースのフライバックダイオードは、リレーが非通電になるまでの時間を短縮する有用な方法です。これは、図1に示すSchneiderのデバイスのように、三相モータを駆動する大型コンタクタでは特に重要です。このシンプルなTVSダイオードは、接点開放の即応性と勢いを高めます。これにより、接点アークが速やかに消滅することが保証され、接点の寿命が長くなります。また、特に故障状態で接点が開く場合の保護対策も強化されます。この記事で述べるように、駆動する半導体が、より高いクランプ電圧に耐えなければならないため、TVSを使用するとコストが高くなります。

ダーリントントランジスタペアを確実に飽和状態にするにはどうしたらいいでしょうか？

このアプリケーションでは、ダーリントントランジスタがリレーコイルをオン/オフするスイッチとして使用されます。リニア領域での動作を防ぐため、トランジスタを十分にオン駆動することが重要です。この飽和がなければ、トランジスタは大量の電力を消費することになります。さらに悪いことに、リレー/コンタクタが動作しなかったり断続的に動作したりして、装置全体が故障することもあります。飽和を確実にする1つの方法は、強制ベータ状態でトランジスタを動作させることです。

強制ベータとは？

強制ベータは、トランジスタを強制的に深い飽和状態にする動作モードです。自然な（リニア状態の）トランジスタゲインを使用するのではなく、DC電流ゲインを強制的に低い値にする回路定数が選択されます。保守的な設計者は、ベース電流がコレクタ電流の1/10になるようにコンポーネントを選択します。ダーリントンペアの場合、ベースはコレクタ電流の1/100に設定されます。ここでは、ダーリントンのドライバ段の電流ゲインを10、出力段の電流ゲインを10と仮定します。

Schneiderのコンタクタは、24V DCの電源で駆動した場合、約250mAの電流が流れることを知った上で回路計算を始めます。ダーリントンペアの強制ベータ条件を仮定すると、ベース電流は約2.5mAになることがわかります。Arduinoの出力が3.3V DCであることを知っているので、ダーリントンのベース抵抗を次のように計算します：

R = \dfrac{3.3 – (2 * 0.7)}{0.0025} \approx 750\Omega

ここで、各トランジスタの V_{BE} 降下は0.7V DCと仮定します。E24シリーズで最も近い抵抗値として750Ωを選択します。

技術的なヒント： I_B = I_C/10 は、強制ベータ条件の保守的な定義です。ここで、「強制」という用語は、あらゆる動作条件および温度においてトランジスタが飽和状態に駆動されることを意味します。実際には、与えられた負荷電流に一致するベース抵抗を選択することで、強制ベータ条件を設定します。

10という値は、設計によっては過剰な場合もあります。代わりに、20あるいは50という値が適切かもしれません。最高のエネルギー効率を得るために、必ず設計をテストして確認し、使用可能で保守的な強制値を選択してください。しかし、トランジスタの直流電流利得は、よく管理されたパラメータではないことに留意してください。必ず自然変動を考慮してください。そうすることで、予想外のトランジスタのロットに対応するためにプリント基板を作り直すという心痛を救うことができます。

その結果の回路図を図2に示します。Arduinoと24V DCリターンが共通のグランドを共有していることに注目してください。ダーリントントランジスタはシンク構成（エミッタ接地）になっています。また、TVSダイオードがリレーのフライバック電圧をクランプするために使用されていることに注意してください。

Figure 2: Schematic of the BDX33C Darlington transistor interface between the Arduino and the Schneider contactor.
Figure 2: Schematic of the BDX33C Darlington transistor interface between the Arduino and the Schneider contactor.700×555 8.75 KB

図2： ArduinoとSchneiderのコンタクタ間のBDX33Cダーリントントランジスタによるインターフェースの回路図

ダーリントンがフライバック電圧に耐えられることをどのように確保できますか？

この技術概要では、SchneiderのコンタクタLC1D09BDに焦点を当てています。このコンタクタは、フライバック電圧を「キャッチ」するために48V DCのTVSダイオードを備えていることを思い出してください。図2で説明した回路に関連する波形を図3に示します。ここでチャンネル1（オレンジ色）はArduinoからの3.3V DC駆動を示します。チャンネル2（青色）は、ダーリントンで測定した V_{CE} 電圧を示しています。72V DCレベルに注目すると、TVSクランプの電圧を導き出すことができます。TVSダイオードが24V DCレールに対してクランプすることを思い出してください。24 + 48 = 72V DCです。

技術的なヒント： SchneiderのLC1D09BDは意欲的な設計として選ばれました。コイル電流が適度に大きく、TVSダイオードが内蔵されているため、ダーリントントランジスタに高い V_{CE} 電圧のストレスがかかります。TVSダイオードの代わりに従来のダイオードを使用することで、このストレスは確実に軽減できます。その結果、クランプ電圧は24V DCレールよりダイオード1個分高くなります。ただし、リレー/コンタクタのターンオフ時間は大幅に増加します。その結果、動作が緩慢になり、システムの信頼性が低下します。

Figure 3: Relay coil deactivation waveforms where channel 1 (orange) shown the 3.3 VDC drive from the Arduino and channel 2 (blue) shows the V_CE voltage as measured across the Darlington.
Figure 3: Relay coil deactivation waveforms where channel 1 (orange) shown the 3.3 VDC drive from the Arduino and channel 2 (blue) shows the V_CE voltage as measured across the Darlington.975×482 49.7 KB

図3： リレー コイルの非アクティブ化波形。チャンネル1（オレンジ色）はArduinoからの3.3V DC ドライブを示し、チャンネル2（青色）はダーリントンで測定された V_{CE} 電圧を示します。

おわりに

TVSダイオードを搭載したSchneiderのコンタクタは、マイクロコントローラで駆動するには骨の折れる負荷です。コイル電流は中程度で、TVSダイオードによりクランプされる誘導キック（フライバック電圧）は高くなります。BDX33Cのダーリントンペアを使えば、3.3V DCのArduinoとの良好なインターフェースを提供できます。

TO-220パッケージデバイスの選択に同意いただけますか？この設計は保守的過ぎますか？もしそうなら、どのデバイスを選択されますか？以下のスペースにコメントを残してください。また、このノートの最後にある問題や挑戦的な問題に答えて、知識を深めてください。

ご健闘をお祈りします。

APDahlen

著者について

Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間（一部、軍での経験を織り交ぜて）教鞭をとったことによってさらに強化されました。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチやエレクトロニクスとオートメーションに関する啓蒙記事の執筆を楽しんでいます。

注目すべき経験

Dahlen氏は、幅広い読者向けに複雑な概念をわかりやすく解説したDigiKey TechForumの教育的な記事を 100 件以上執筆してきました。このArduinoマイクロコントローラのインデックス ページで彼のArduinoマイクロコントローラの記事をご覧ください。

問題：

  1. 単一トランジスタに関連する強制ベータ条件とダーリントンペアに関連する強制ベータ条件について説明してください。

  2. Arduino Nano 33 IoTの1ピン当たり7mAの制限を考えると、強制ベータ状態でダーリントンペアが駆動できる最大の連続電流は何mAになるでしょうか？

  3. この記事で紹介されているダーリントン回路はDCモータを駆動できるでしょうか？可能な場合、動作パラメータを明記してください。ヒント： 突入（失速）電流を含むダイナミックモータの仕様に言及することを忘れないでください。

  4. フライバック電圧という用語はどういう意味ですか？

  5. 飽和トランジスタに関連する V_{BE} 電圧と V_{CE} 電圧について説明してください。

  6. 48V DCのTVSが72V DCのグランド基準スパイクを発生するのはなぜですか？

  7. TVSダイオードを誤って従来のダイオードと交換した場合はどうなりますか？満点を取るために、システム レベルの問題点を特定してください。

  8. 産業用プログラマブルロジックコントローラ（PLC）の出力に適用される「シンク」という用語について調べてください。この用語を定義し、PLC、電源、リレーコイル、フライバックダイオードを表す回路図を示してください。わかりやすくするため、双方向TVSの代わりに従来の（方向性）ダイオードを使用すると仮定します。

  9. TVSを75V DCでクランプするように変更したとします。それでもBDX33Cは有効なドライブトランジスタでしょうか？ ヒント： 許容できる安全マージンはどのくらいですか？

  10. DigiKeyの検索ツールを利用して、BDX33Cダーリントンペアの面実装同等品を探してください。

  11. トランジスタのリニア動作点と強制ベータ動作点を対比して比較してください。ヒント： トランジスタのリニア増幅器とトランジスタのデジタルスイッチについて考えてみましょう。

  12. 5V DCのI/Oと1ピンあたり15mAの能力を持つArduino Nano Everyは、TIP31CGのような単一トランジスタを介してSchneiderのLC1D09BDコンタクタを駆動できますか？ ヒント： 設計パラメータと安全マージンを明記してください。

批判的思考を使う問題

  1. トランジスタのDCゲインは、ロット間、さらには個々のトランジスタを考慮した場合、十分に管理されたパラメータではありません。この事実は、強制ベータ動作点とどのように関係するでしょうか？10倍、20倍、または50倍などのファクタを使う判断にどのように影響しますか？ヒント： 許容できる安全マージンとは？

  2. 時折、1.8V DCや1.2V DCのI/Oを持つマイクロコントローラやFPGA（Field Programmable Gate Array）のロジックに遭遇します。ダーリントンベースのソリューションは低電圧のロジックで実行可能ですか？そうでない場合、SchneiderのLC1D09BDコンタクタを駆動する1.2V DCロジックの回路図を提示してください。

  3. Arduino、駆動トランジスタ、24V DC電源はすべて共通のグランドを共有しています。これはなぜ望ましくないのでしょうか？SchneiderのLC1D09BDコンタクタを駆動する光アイソレータソリューションの回路図を示してください。設計上の挑戦的課題として、光アイソレータの代わりにIF-E10光ファイバキットを使用してください。




オリジナル・ソース（English）