

No.15ベストアンサー
- 回答日時:
そうですね。
確かに分かり難いところですが、次のように考えられたらいいかと思います。トランジスタが導通している時は、コイルは電源の負荷なので電源側が電圧は高いですが、トランジスタが不導通になると、電源とは片線しか繋がっていないのでもはや負荷では有りません。そして、コイルとダイオードの関係でいうと、今度はコイルが電源でダイオードが負荷になります。コイルはそれまで蓄えていたエネルギー(LII/2)を放出するので、その間は電源となるのです。電源は電流が出てゆくところが+で、帰ってくるところは-です。ダイオードは負荷だから、電流の入ってくるほうが出るほうよりも電圧は高いです。つまり、トランジスタがOFF、ダイオードがONとなった瞬間に、コイルの電圧は+-が反転するのです。従ってコレクタの電圧がその分上昇するのです。
如何でしょうか? 納得できましたでしょうか?
ばっちりイメージがわきました。完全に納得です。これだけ多くの回答をいただきまして本当にうれしい限りです。より一層知識が深まりました。ご回答頂いた皆様またどうぞよろしくお願い申し上げます。

No.14
- 回答日時:
多くの方が回答を寄せられているので興味深く読ませていただきました。
様々な表現があって質問者も判断に困っておられるご様子なので、一言補足説明を書かせて頂きます。最初の質問に立ち返ると、質問の中身は「ダイオードの役割は何か?」という質問です。これに対する適切な答は「コイルに逆起電力が生じないようにすること。」です。(消すことではありません。)
ダイオードを付けることで、それまで流れているコイル電流が、直後は同じ電流が流れながら放電し最後はゼロになりますが、その間の電流変化は非常に小さい、即ち、di/dt≒0であって、逆起電力は実質的に発生しないのです。多くの回答者の皆様そして元の文献の著者も、ダイオードの役割を「発生した逆起電力を消去すること。」と捉えておられるので、電圧の方向がおかしくなったりするのですが、それは残念ながら間違いです。逆起電力は考えなくて良いのです。
トランジスタがoffになると、コレクタ電圧は、電源電圧+約0.6V(ダイオード電圧降下分)まで急上昇し、コイル電流が放電を完了すると、電源電圧に落ち着きます。
回答の中で最も正確に説明されているのは、foobar氏の回答ですから、NO6とNO7の回答をよくお読みになるといいと思います。それから元の本の説明は無視したほうが賢明です。
この回答への補足
ご回答ありがとうございます。しつこいようで申し訳ないのですが、私納得できないと諦められない性分でして、もう一度質問させて下さい。ベース電流がゼロになった時にコイルと保護用ダイオードの周りを電流がゆっくりぐるぐる回るのは分かりました。で、なぜコレクタ電圧が12.6Vになってしまうのですか?一般的な回路で電流が流れることと電圧がかかっていることの違いについては分かっているつもりなのですが、電源電圧とダイオード→コイル→ダイオードは方向が逆なのになんで12+0.6になるんですか?そこがどうしても分かりません。初心者にも分かるようにご説明願えませんでしょうか?
補足日時:2008/01/28 19:01No.13
- 回答日時:
#12に一点追加
トランジスタがOFFして、ダイオードがONする際、リレーコイルなどの浮遊容量(コンデンサ)に溜っている電荷が放出されます。(コイル端子間の電圧が電源電圧程度からほぼ0になるので)
が、この電流もダイオード順方向電流にはならない(向きが逆なので)でしょう。(コイルを流れる電流の一部として処理されるかと思います。)
ダイオード(やスイッチングトランジスタ)などに過渡的な大電流を流すのは、インダクタンス成分では無く、このようなコンデンサ成分(コンデンサの端子電圧の急変)かと思います。
No.12
- 回答日時:
(回答欄での議論は、OKWaveの規定に抵触するので、ちょっと問題かなとは思うのですが、、)
「電磁気理論では、「dI/dtに比例する逆起電力が起きる」と説明されています。」
はい。まさに、これです。(今回の場合は「コイル端子電圧に比例するdi/dtになる」という表現の方が適しているように思いますが。)
逆接続のダイオードに電流が流れている状況では、
電源から、リレーコイル+ダイオードを経由して、トランジスタに流れる電流は0(トランジスタがOFFしているので)になっています。(細かいことを言うと、トランジスタがOFFするまでの間の過渡期間があるのですが、割愛)
結果、「逆並列ダイオードの電流=リレーコイルの電流」になっています。
(ダイオードには、トランジスタコレクタから電源+に向かう電流が流れている。で、ちょうど「コイルーダイオード」のループを電流が循環しているかたちになります。)
リレーコイルの電流はインダクタンスのため急変できないので、トランジスタがOFFした直後の電流は、通電中の電流の大きさと(ほぼ)同じになっています。(結果、ダイオードの電流も同程度になります。)
このとき、リレーコイルの両端電圧は0.7V(電源+側が負で、トランジスタのコレクタにつながっている側が+)くらいになっています。
で、誘導電圧Ldi/dtは、ダイオードによる電圧降下(0.7V)+コイル巻き線抵抗rによる電圧降下(ri)と等しくなります。で、比較的小さなdi/dtになりますので、コイル電流(=ダイオードの電流)は比較的ゆっくり減衰していきます。
余談
ダイオードに順方向に循環電流が流れているときに、トランジスタをONにすると、通電しているダイオードに急激に逆電圧(電源電圧)が加わり、極短時間大電流が流れます。(ダイオードの逆回復特性などと呼ばれる部分。)
こちらは、電源->ダイオードー>トランジスタコレクタと流れますので、非常に早い周期でOFF->ON をやるときには問題になります。
No.11
- 回答日時:
>逆起電力が生じた瞬間にはコレクタ-エミッタ間へは0.7V+12Vがかかるのではなく単に12Vがかかっているだけ。
なぜなら保護ダイオードのアノードからカソードへ流れた大電流はトランジスタより抵抗の小さいコイル側へのみ流れるから。この理解で正しいでしょうか?ちょっとだけおかしいです。(^_^;)
誰が電流を流す元になったか・・・考えてみてください。
犯人はコイルです。
コイルから(逆起電力の作用により)電流がダイオードに向かって、流れ出したのです。
ですから、ダイオード両端の電圧は極性が逆になります。
トランジスタのコレクターエミッタ間電圧は、12-0.7=11.3V です。(ただし瞬間的な現象)
この現象がすんなり理解できないようでしたら、間に0.7Vの電池がつながれたと考えてください。
それで納得できるでしょう?
ところで、それよりもっとわたしの興味を引く書き込みがありました。
>ちなみに、ダイオードには、リレーコイルに流れていた電流と同じだけの大きさの電流がながれ、そこからゆっくり電流が減っていきます。
これは違うと思います。
電磁気理論では、「dI/dtに比例する逆起電力が起きる」と説明されています。
(遮断時間が短かいほど高い電圧が発生する、の根拠です)
しかし、負荷にはダイオードが入っていますから、0.7V以上には上がりません。
では、どうなるでしょう?
「起電力」は、その電圧を発生する”能力”です。
負荷次第で「みかけの電圧=出力電圧」はどうにでも姿を変えます。
例えばアルカリ電池の起電力は1.5Vですが(厳密にはもっと高い)、負荷抵抗が低ければ、電流は大きく、出力電圧は”低く”出ます。
リレー回路(インダクタンスの逆起電力)の場合も、これと同じだと思います。
遮断した瞬間、ダイオードには膨大な電流が流れるはずです。
このサイトでは議論することは禁じられていますので、次にどんな書き込みをされても一切反論はしません・・・が、もう一回だけご意見を伺いたいと思っています。(^_^;)
この回答への補足
もう少し自分で考えてみたところ瞬間的に大電流が流れる方が正しい気がしてきました。保護用の部品ってノイズキラーでもツェナーダイオードでも誤った使用をした際に瞬間的に大電流を自分自身に流して壊し内部の回路を守るのが本来の役割ですよね。だとするとじゅんぐりじゅんぐりなんて有り得ないんじゃないでしょうか?
補足日時:2008/01/27 18:09No.10
- 回答日時:
#8お礼欄に関して
「コイルの逆起電力が54V発生したとすると、なぜ保護用のダイオードには0.7Vしかかからないのですか?」
逆並列のダイオードがつながっていないときとの話と、ダイオードを繋いだときの話が混在しています。
・ダイオードを繋いでいないときには、(リレーコイルの電流が急峻にOFFになって)高い誘導電圧(数十V以上)が発生します。
・ダイオードを繋ぐと、コイルの両端電圧はダイオードの順方向電圧0.7V程度に制限されます。コイルの電圧が低くなるためコイルの電流変化が小さくなって、緩やかにOFFします。(コイルの誘導電圧が0.7V(+コイル内の電圧降下)に等しくなるところまで、電流の減少率が小さくなります)
ちなみに、ダイオードには、リレーコイルに流れていた電流と同じだけの大きさの電流がながれ、そこからゆっくり電流が減っていきます。
このとき、トランジスタのコレクタには電流が流れ込みません。
トランジスタのコレクタ-エミッタ間の電圧は、(トランジスタのON/OFFに関わらず)電源電圧+コイルの両端電圧になります。
ダイオードが無い回路でOFFするときには、#9さん回答にあるように、電源電圧12V+コイル両端電圧(例えば54V)の66Vがかかりますし、
ダイオードつきの回路でOFFするときには、電源電圧12V+コイル電圧(ダイオードの順方向電圧0.7V)の12.7Vがかかります。
(トランジスタがOFFの時のコレクタ-エミッタ間電圧は、周辺の回路の状況(電源電圧やコイルの誘導電圧など)できまります。)
ちなみに、トランジスタがONしているときには、
電源電圧12Vに対して、トランジスタのコレクタ-エミッタ電圧が0.3V程度になり、その差の11.7Vがリレーコイルに加わっています。(上記の表記とあわせるには、コイルの電圧を-11.7Vとして、電源電圧(12V)+コイルの電圧(-11.7V))=0.3Vがコレクタにかかっている、と表記するほうがよいかもしれません。)
若干余談
トランジスタがONしているときに、リレーコイルにかかっている電圧と、トランジスタがOFFするときにリレーコイルに誘導する電圧の極性が異なる点に留意する必要があります。
この回答への補足
「ダイオードつきの回路でOFFするときには、電源電圧12V+コイル電圧(ダイオードの順方向電圧0.7V)の12.7Vがかかります。」
これはおかしくないですか?最後に「トランジスタがONしているときに、リレーコイルにかかっている電圧と、トランジスタがOFFするときにリレーコイルに誘導する電圧の極性が異なる点に留意する必要があります。」とあるのですから、12-0.7=11.3Vになるはずです。私の中では11.3Vが正しいという答えが出ています。
問題の「ちなみに、ダイオードには、リレーコイルに流れていた電流と同じだけの大きさの電流がながれ、そこからゆっくり電流が減っていきます。
このとき、トランジスタのコレクタには電流が流れ込みません。」という部分ですが、これはあなたの方が正解のような気がします。理論的に考えた場合どうなるかは分かりませんが、これまでの私の経験と知識から考えると一瞬で終わるのではなく徐々に電流の流れが収まっていくのが正だと思います。ある回路にリレーがあった時に大本の電源ON時にはすぐにかちっと音がして接点がONになる音がするのですが、OFF時には若干のタイムラグがあってからOFFする音がするからです。ただしこれは別の理由によるかもしれません。そこも分かるなら教えて下さい。
私にはこの問いの正解がどちらかよりもダイオード付きの回路で逆起電力が生じた際のコレクタ-エミッタ間の電圧値がいくらになるかの方が気になります。11.3Vが理論的に正しいと私は思っています。お二人の意見をお伺いしたいですね。
「ある回路にリレーがあった時に大本の電源ON時にはすぐにかちっと音がして接点がONになる音がするのですが、OFF時には若干のタイムラグがあってからOFFする音がするからです。ただしこれは別の理由によるかもしれません。そこも分かるなら教えて下さい。」←これって単に大本の電源の電流がいきなりゼロにならず、徐々にゼロになるからっていうだけのことですね、恐らく。だったらどっちが正しいのか分かりませんね…少なくとも私には。
No.9
- 回答日時:
ANo.7さんへの補足質問がいつ入ったか正確にはわからないのですが、だいぶ時間がたっているような気がしますので、差し出がましいですが、代わりにご回答します。
(ANo.7さん、ごめんなさい(-_-;))
ご回答の前に、
http://www2u.biglobe.ne.jp/~kazuchan/jikoyuu.html
の図にはちょっと誤解しそうな問題があるので、も一度話を最初から始めます。
(質問者さんが正確に現象を把握しておられるなら、いらんお世話なのですが・・・)
この図は、「どこでリレーを遮断するのか」が記述されていないので、初心者の方は戸惑うのではないかと思います。
意地悪い見方ですが、エミッタを浮かすこともないとは言えません。
正解は、「ベースドライブを切る」でしょう。
トランジスタの”GNDはつないだまま”・・・です。
では、このときどういう現象が起きるでしょうか?
トランジスタは、ベース電流がなくなるので、コレクタ電流が止まります。
しかし、リレーには(誘導素子には)電流を流し続けようとする性質があり、これが外から見ると「逆起電力が発生した」ように見えます。
(「逆起電力という言い方は適切でない」という学説もありますが、ここではわかりやすいので、この表現を取ります)
そこで、”もし”リレー両端に「54V」の電圧が発生し(図の下側がプラス、上側がマイナス)、電源電圧が12Vあったとすると、トタンジスタのコレクターエミッタ間には、 54+12=66V の電圧がかかります。(ダイオードがない場合)
そうすると、2SC1815のVCBO(耐圧と考えてよい)は50Vなので、2SC1815は壊れる、というわけです。
(実際にはその程度では壊れませんが、定格を超えているのは確かですので、一応そうしておきましょう)
ここで「54V」としたことには何の根拠もありません。
単に「2SC1815のVCBOを超える例を提示したかったから」です。
実際には、遮断速度が早ければ早いほど、とてつもなく高い・・・数百、数千Vという電圧が発生する可能性があります。
(このことは、ANo.7のご回答の最後に書かれているとおりです)
ここでもしダイオードが、図のように置かれていたらどうなるでしょう?
リレー両端に発生した電圧は、アッというまにダイオードに吸い取られてしまいます。(正確にはエネルギーが吸い取られる・・・ので電圧上昇はない)
注 「ぐるぐる」という説明はおかしいです。”一瞬”です。
図を見てください。
リレーコイルの両端に発生した電圧が、”流れやすい向きに”ダイオードが接続されているでしょう?
つまり、「ダイオードによって短絡される」のです。
当然ダイオードには大電流(瞬時)が流れます。
並列に入れるダイオードはこの「瞬時大電流」に堪えられるものでなくてはなりません。
ここに入れるダイオードの電流定格は、Io(平均電流)ではなく、IFSM(サージ電流:繰り返しのない順方向瞬時最大電流)で決めます。
みなさまがたのお話をなぞったような回答で申し訳ありませんが・・・
ま、そういうことです。
この回答への補足
早速のご回答誠にありがとうございます。(ベース電流を切る、エミッタはGNDにつないだままというのは暗黙の了解として)ご回答に「自信あり」とあったのであなたのご説明が正しいとすると私の中で完全につじつまが合います。つまり保護ダイオードが付いていたとすると逆起電力が生じた瞬間にはコレクタ-エミッタ間へは0.7V+12Vがかかるのではなく単に12Vがかかっているだけ。なぜなら保護ダイオードのアノードからカソードへ流れた大電流はトランジスタより抵抗の小さいコイル側へのみ流れるから。この理解で正しいでしょうか?
補足日時:2008/01/27 00:25No.8
- 回答日時:
コイル電流をOFFするときの電圧
直列に入ったトランジスタでリレーを制御する場合、(通常は)大元の直流電源は入れっぱなしになっています。
(例えば、複数のリレーを制御する場合、「大元の電源を切る」ことはできないですね。)
OFFしているときの電圧
(誘導電圧などが無くなった)定常状態では、電源電圧と同じ電圧がトランジスタのコレクタエミッタ間に加わり、(リレーコイルなどの)負荷にかかる電圧が0、流れる電流が0、という状況になっています。
この回答への補足
http://www2u.biglobe.ne.jp/~kazuchan/jikoyuu.html
の回路図でコイルの逆起電力が54V発生したとすると、なぜ保護用のダイオードには0.7Vしかかからないのですか?54-0.7=53.3V分はどこへ行っちゃうのでしょうか?度々申し訳ございません。考えていたらどうしてもそこが引っかかるんです。コイルとダイオードの間をぐるぐる回るということはコイル自体の抵抗成分に53.3Vがかかるということなんでしょうか?また、もしコイルとダイオードの間をぐるぐる回るのであれば、コイルの逆起電力が発生した時点ではコレクタ側に流れる電流はゼロと考えてよろしいんでしょうか?だとすると、コレクタにかかる電圧=電源電圧オンリーになる気がするのは気のせいでしょうか?
No.7
- 回答日時:
の記述は少々問題がありそうな気がします。
コイルの電流を切るときの誘導電圧
OFFするときに発生する誘導電圧は、上記URLの回路図中、コイルの下側が+の極性で発生します。
トランジスタのコレクタから見ると、電源電圧にコイルの誘導電圧が足しあわされた形になります。
(だもんで、コイルの電流は逆並列になったダイオードを通じて流れます。このとき、コレクタには、電源電圧+ダイオードの順方向電圧(約0.6V)がかかります。コレクタに0.6Vの逆電圧がかかるわけではありません。)
コイルに発生する電圧
トランジスタがどれくらいの早さ(短い時間)で電流をOFFにするか、によります。
誘導電圧の大きさは、「コイルのインダクタンス*電流の時間変化する割合」 ですので、コイルを短時間でOFFするほど、高い電圧になります。
この回答への補足
再度のご回答誠に感謝申し上げます。もう1点ご教示ください。
「このとき、コレクタには、電源電圧+ダイオードの順方向電圧(約0.6V)がかかります。」とありますが、電源をOFFにしているのになぜダイオードの順方向電圧だけでなく電源電圧もプラスされるのでしょうか?OFFにした瞬間だからまだ電源電圧が残っているということでしょうか?つまり秒速数百回という単位でON⇔OFFを繰り返すような場合、電源電圧が事実上かかりっぱなしになるように見えるので電源電圧+ダイオードの順方向電圧がコレクタにかかるということでしょうか?
No.6
- 回答日時:
少し違う観点から、、
(リレーなどの)コイルは電流(厳密には磁束ですが)を一定に保とうとする性質があります。(電流を変化させるためには、それ相応の電圧が必要)
このため、コイルにスイッチを直列につないで、スイッチを切り、電流を急激に下げようとすると、コイルの性質からコイル両端に高電圧が発生し、スイッチにダメージをあたえます。(機械的なスイッチだと接点で放電がおきますし、半導体スイッチだと過電圧でダメージがおきます。)
そこで、コイルに逆並列にダイオードをいれておくと、コイル->スイッチと流れていた電流が、コイル->ダイオードと流れることができ(電流の経路が確保できる)、コイル電流の急変をさけることができます。
結果、コイル両端の電圧を低く抑えることができます。
ただし、電流が急変しないので、スイッチを切った後もしばらくはコイルに電流が流れつづけます(リレーだとOFFするまでの時間が延びる、というデメリットが出ます)。
リレーを即座にOFFにする(電流を急峻に落とす)には、それなりの電圧がコイルにかかるような回路構成(例えば、ダイオードに抵抗を直列に入れるとか、後述のバリスタを使うとか、電源電圧が逆向きにかかる回路構成)にする必要があります。
余談
コイルの誘導電圧対応策としては、他に、
・コンデンサをコイルに並列にいれて、OFF時の電流経路の確保をする(スナバ)
・ツェナーダイオードやバリスタのように、一定電圧で導通する素子をコイルに並列にいれて、電流経路の確保+電流を変化するための電圧発生を両立させる方法
・(フルブリッジのような回路を使って)コイルの電流が電源に向けて流れ込むようにする。
などもあります。
この回答への補足
皆様ご回答ありがとうございます。しかしまだ分からないところがあるので再度質問させて下さい。http://www2u.biglobe.ne.jp/~kazuchan/jikoyuu.html
のページで『この破壊を防止するためにダイオードを電源とは逆方向に接続します。そうすると、逆方向の起電力はこのダイオードによって、ショートされ、ダイオードの持つ順方向電圧(約0.7V)が、トランジスターのコレクターの逆電圧となるため、安全な動作を確保することが出来るのです。』と書いてあります(下から5~7行目)。
逆起電力というくらいですから、電源とは逆向きに電流が流れると思うのですが、そうするとダイオードのカソード→アノードに電流が流れるというおかしな論理になってしまいます。コイルの両端に電源の5~10倍の電圧がどの向きにどう発生するのでしょうか?また、『ダイオードの持つ順方向電圧がトランジスターのコレクタの逆電圧となる』というのもなぜそうなるのか理解できません。申し訳ありませんが初心者にも分かるようにご説明いただけないでしょうか?
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