マイコンでリレーをコントロールする回路

■問題
アナログ回路 ― 基礎

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，マイコンの信号を使用してリレーをON/OFFするための回路です．マイコンのI/Oポートの信号は，MOSFETのゲートに入力され，MOSFETのドレインにリレーが接続されています．リレーを駆動する回路として，もっとも適切なのは(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　マイコンでリレーをコントロールする回路
リレーを駆動する回路として，もっとも適切なのは(a)～(d)のどれ?

(a)の回路　(b)の回路　(c)の回路　(d)の回路

■ヒント

　リレーは，電磁石を利用して，スイッチのON/OFFをコントロールするもので，コントロール回路とスイッチを電気的に絶縁することができます．電磁石は鉄芯に導線を巻いたコイルとなっており，インダクタンス成分を持っています．コイルに電流を流したときの性質を考えると，どの回路が適切かが分かります．

■解答

(b)の回路

　コイルには，流れている電流を流し続けようとする性質があります．図1の回路でMOSFETがONして，リレーのコイルの電流が流れた後，MOSFETがOFFしても，コイルはその電流を流し続けようとします．そのため，(a)の回路ではMOSFETがOFFしたときに，コイルに大きな＋の電圧が発生し，MOSFETを破壊してしまうことがあります．(b)の回路は，その電圧を電源から+0.7V程度に抑えることができます．そのため，適切なのは(b)の回路ということになります．(c)の回路はMOSFETがONしたときにダイオードに大きな電流が流れ，破壊してしまいます．また，(d)の回路でも抵抗の値を小さくすれば，MOSFETがOFFしたときに発生する電圧を小さくすることができます．しかし，無駄電流が多くなるため，適切ではありません．

■解説

●MOSFETが破壊する危険性のある使い方
　図2の回路は，図1(a)のリレー駆動回路をシミュレーション用に書き換えたものです．L₁はリレーのコイルでインダクタンスは0.2Hで直列抵抗成分は125Ωとなっています．また，M₁は，ローム社の2.5V駆動タイプNch MOSFETのRTF025N03を使用しています．このMOSFETのドレイン・ソース耐圧のスペックは30Vですが，使用しているMOSFETのモデルは，ドレインに高電圧を加えてもブレーク・ダウンしません．そのため，ツェナー・ダイオードのDZを追加し，MOSFETの耐圧を越えたときに，ブレーク・ダウンするようにしてあります．V₁はマイコンのI/Oポートの信号に相当するもので，1秒間3.3Vを出力します．

図2　シミュレーション用のリレー駆動回路
MOSFETの耐圧を表現するため，ツェナー・ダイオードのDZを追加してある．

　図3は，図2のシミュレーション結果です．MOSFETのゲートに電圧が印可されるとL₁に電流が流れます．このときの電流値はリレー駆動電圧の5VをL₁の直列抵抗125Ωで割った40mAになります．1.5秒後にMOSFETのゲート電圧が0Vになると，MOSFETはOFFします．このとき，コイルに流れている電流はそのまま流れ続けようとします．しかし，MOSFETがOFFしているため，MOSFETのドレイン電圧はツェナー・ダイオードDZがブレークダウンするまで急激に上昇しします．実際のMOSFETではMOSFET自体の耐圧を越えてブレーク・ダウンすることになります．

図3　MOSFETが破壊する危険性のある回路のシミュレーション結果
MOSFETがOFFした後，ドレイン電圧が耐圧を越える電圧まで上昇している．

　図4は，図3の1.5秒付近の時間軸を拡大したものです．時間軸を拡大した波形を見ると，コイルの電流はMOSFETがOFFした後，すぐに0Aになるのではなく，徐々に小さくなっていることが分かります．この電流はツェナー・ダイオードを経由して流れています．コイルの電流が十分小さくなると，MOSFETのドレイン電圧が下がり，ツェーナーダイオードはOFFします．この後，ドレイン電圧は，コイルのインダクタンスとMOSFETのドレイン容量等で決まる共振周波数で振動した後，安定します．

図4　図3のシミュレーション結果で，1.5秒付近を拡大した図
コイルの電流はMOSFETがOFFした後，徐々に減少する．

●MOSFETが破壊しないリレー駆動回路
　コイルに並列にダイオードを接続すると，MOSFETがOFFしたときに，コイルに流れ続けようとする電流を流すルートを確保することができます．このダイオードのことを還流ダイオードと呼びます．還流ダイオードは，フリー・ホイール・ダイオードやフライ・ホイール・ダイオード，回生ダイオードなど，さまざまな名前で呼ばれています．
　図5は，コイルに並列に還流ダイオードを接続した，図1(b)のシミュレーション用の回路図です．

図5　MOSFETが破壊しないリレー駆動回路
コイルに並列に還流ダイオードをつける．

　図6は，還流ダイオードを接続した場合のシミュレーション結果です．MOSFETのゲート電圧が0Vになり，MOSFETがOFFした後，ドレイン電圧は電源電圧から0.7Vしか上昇していないことが分かります．これはMOSFETの耐圧よりも十分小さい値のため，MOSFETが破壊することはありません．

図6　コイルに還流ダイオードを接続したときのシミュレーション結果
MOSFETのドレイン電圧は，電源電圧から0.7V上昇するだけ．

　図7は，図6のシミュレーション結果の時間軸を図4と同じレンジに拡大したものです．MOSFETがOFFした後，コイルの電流は図4よりも時間をかけて減少していきます．この電流は還流ダイオードを介して，電源に向かって流れていきます．そのため，MOSFETのドレイン電圧は電源電圧(5V)＋ダイオードの順方向電圧(0.7V)となります．