FETの発熱について教えてください。

質問

FETの発熱について教えてください。

FET初心者です。

LEDのON/OFF、調光を制御するため、初めてFETを使ってみました。
電源は車の12vを使用、電流制限は、LM317を使用し、0.8Aとしています。
LEDはVf3.25V、電流0.8Aを3個直列につないでいます。
FETは、2SK3067を使用して、リレー代わりに動作させています。

電源側から、直列にポリスイッチ、LM317と3個のLED、FETはグランド接地という順
になっています。
FETは、Gを10kの抵抗接地して、TC4069UBPの出力で5kの抵抗を介して矩形波で
駆動しています。
4069は、調光用途です。
動作は見た目正常でLEDのON/OFF、調光など問題ありません。

気になるのは、発熱です。

放熱器なしでは、かなりの発熱があり、現在はTO220の放熱器を付けています。
FETは、発熱が少ないと聞いていたのですが、放熱器を使用するのは当然でしょうか？

なるべく放熱が少なくなるような方法がありましたら、ご教授ください。

回答No.9

inara1 · ベストアンサー

＞FETのソースに抵抗を入れて，低圧（1.25V）のシャントレギュレータで帰還をかけます
部品がないのでシミュレーションだけですが、添付回路でできると思います。可変抵抗VRでLED電流を調整できます。シミュレーションで使ったMOS-FET1はON抵抗が0.1Ω未満のものなのでちゃんと0.7Aの電流が流れています（ON抵抗が数Ωもあると0.7Aも流れません）。ON抵抗の小さな2SK2232は1個100円と安価ですからこちらを使ったほうがいいと思います。ただしこの回路ではFETを完全にONにしないので、FETは多少発熱します（0.3Wくらい）。

[1]　NJM431L　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00431/
[2]　LM358N　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02324/
[3]　2SK2232　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02414/

回答No.10

inara1

ANo.9の回路ではリンギング（波形の振動）が気になったので、リンギングを抑えた回路を添付します。小信号用トランジスタを1個追加するだけです。

ANo.9 で 1kΩ だった抵抗を 2.2kΩ に変更しましたが、その部分の抵抗は精度が必要ないので、部品集めが楽なように同じ値の抵抗にしただけです。

回路シミュレータには 2SK2232 のSPICEモデルがなかったため、それと同等のON抵抗（数十mΩ）と入力容量（1000pF）のMOS-FETでシミュレーションしました。

R2 は可変抵抗(VR)をの位置を誤って「最大電流」にしたときに、LED電流が800mA程度以上にならないようにするためのものですが、半固定抵抗などを使って調整した後は触らない（過電流を流してしまう恐れはない）のであれば、R2 はなくてもいいです（R2 のところを短絡してもいい）。

R6(1Ω）は最大（入力パルスの duty cycle が 100% のとき）0.5W 程度の発熱があるので定格電力が 1W 以上の抵抗を使ってください。

お礼

inara1さん、回路までご指導いただき大変ありがとうございます。
このような定電流回路も初めてみれてすごく参考になりました。
次回、部品集めて作成してみます。
これだと、10wLEDvf10V1Aもドライブできそうですね。
次は、10wを点灯させたいと思っていますので、大変助かりました。
ありがとうございました。

回答No.8

anachrockt

> ON抵抗が大きいということは、FETの電圧降下も大きいということですよね。
そうです．
エンジン停止時に点灯させるんなら，電圧に余裕がないからFETに定電流動作をさせた方が簡単でしょう．
FETのソースに抵抗を入れて，低圧（1.25V）のシャントレギュレータで帰還をかけます．
興味があるなら書き込めば，inara1さんが得意だから助言戴けるはずです．

回答No.7

inara1

＞回答が重なっちゃいましたね
ごめんなさい。回答時刻がほとんど同じですが、代替FETまで同じでした。ゲート-ソース間抵抗のお話はさすがですね。

回答No.6

anachrockt

回答が重なっちゃいましたね．
では面倒だから書かなかったことを；

ゲート直列抵抗は，破壊耐量とスイッチング損失に効きます．
大きくすると，dv/dt破壊耐量が大きくなりますが，今のFETではそれほど気にする必要はないでしょう．

ゲート－ソース間の抵抗はなくてもかまわないんですが，10kでは小さすぎてVGSの低下を招きオン抵抗が増加します．

車の場合，エンジン回転時の電源電圧（オルタネータ電圧と呼ぶ）は12Vではなく14V（13.5～15V程度）です．

補足

車内灯で使用するのですが、このときはサブバッテリーでしか使用しませんので
（オルタネータからのチャージはなく、昼間ソーラーでチャージしています）
大体、12.5Vくらいから、11V台に徐々に下がってきます。

次回からはできるだけON抵抗の小さなものを選ぶようにします。
ON抵抗が大きいということは、FETの電圧降下も大きいということですよね。

回答No.5

inara1

ANo.3 です。
冒頭の発熱量の計算が間違っていました。2SK3067 の発熱量は、0.5A の電流のとき、 4.2Ω*0.5A^2 = 1.05W でした。このときのジャンクション温度（ヒートシンクなしの場合）は、周囲温度が 25℃ のとき、25℃ + 62.5*1.05 = 91℃ となって、やはりかなり発熱します。ON 抵抗が 数Ω というのは大きいほうです（アンペアクラスの電流を流すとかなり発熱します）。もっと ON 抵抗の小さな FET を使ったほうが良いと思います。

お礼

ありがとうございます。
FET初心者で何も知らず、手持ちの適当なFETを使っていました。
次回は、お勧めのFETを使用する予定です。

回答No.4

anachrockt

2SK3067のデータシートを見ると，CGS=10Vのときオン抵抗は標準4.2Ω，最大5.0Ωです．
http://www.semicon.toshiba.co.jp/openb2b/websearch/productDetails.jsp?partKey=2SK3067
従って，0.8A流したときの損失は，I^2R=3.2W（25℃）です．
TO-220外形でヒートシンク無しの許容損失は1W程度ですから，ヒートシンクは必要ですね．
実際のオン抵抗はジャンクション温度が上がると増加する為，損失はさらに増えます．

ヒートシンク無しでやりたかったら，これがエエでしょう．
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02414/
CGS=10Vのときオン抵抗は最大46mΩだから，オン損失は0.03Wです．
なお，「FETは、Gを10kの抵抗接地して」ってぇのはどうゆう意味でしょうか？
ゲート－ソース間に10k入れるとゆう意味なら，小さすぎるから100k以上にしたほうがエエでしょう．
また，「TC4069UBPの出力で5kの抵抗を介して」は大きすぎるから，1k以下にしたほうがエエでしょう．
この抵抗はゲート直近に付けないとパラスティック発振の原因になります．

お礼

ありがとうございます。
現在、GS間に100k、4069に500を入れて、LEDは2個にして
動作実験しています。
特に問題なく動作しています。
放熱器は熱を持っていますが、手で触り続けていられるので
範囲内かとは思います。
次回は、熱損失の小さなFETを使用するようにします。

回答No.3

inara1

2SK3067 の ON抵抗は、データシート（http://www2.famille.ne.jp/~teddy/tubes/image/2sk3067.pdf）によれば、標準で 4.2Ω（最大で 5Ω）なので、0.5A 以上の電流が流れると 2W 以上の発熱があります（ FETが完全に ON したとしても）。ヒートシンクなしのときの熱抵抗は 62.5℃/W なので、2W の発熱があると、通常の外気温では、ジャンクション温度は 150℃ を超えてしまいます。

ON 抵抗がもっと低いもの、例えば 0.036Ωの 2SK2232（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02414/）あたりを使ってはどうでしょうか？これだと 1A の電流を流したときでも発熱量は 0.036W と小さいので、温度上昇は 2℃ 程度になり、ヒートシンクが不要になります。

ご質問の回路は添付図のようなものだと思います。
TC4069UBP の出力電圧が最大 5V なら、ゲート電圧は最大 3V 以上になるので、FET は完全に ON になると思います。しかし、3個のLEDを直列接続したとき、LEDの動作電圧の和は 10V 程度になるので、ANo.2さんご指摘のように、LM317 の入力電圧 Vin が 12V では、Vin - Vout > 3V を満足しなくなって、定電流動作にはならないと思います（LED に流れる電流は 0.8Ａ より小さくなってしまう）。直列接続するLED数は2個以下にしたほうがいいと思います。

お礼

ありがとうございます。
手持ちのFETを使っていましたが、2232のようにON抵抗の低いものを
ご紹介いただきありがとうございます。
次回はこれを使おうと思います。
すでに皆さんからご指摘のとおり、LEDの3個は無理でした。
LM317で3V、LED3個だと、すでに12Vを超えてしまっておりました。

補足

図面も載せていただきありがとうございました。
まったく、そのとおりの図面です。

テスターでFETのDS間の電圧を測ったら、2.5Vほどありました。
この電圧は、ON抵抗*電流と考えて良いのでしょうか？

回答No.2

mtaka2

(これは質問者さんへの回答ではなく回答1への回答になりますが)
> １．電流制限は、LM317を使用し、0.8A　←　使用方法が疑問です。定電圧電源ですよ。
定電圧レギュレータを定電流源にするのは定番です。
http://www2.famille.ne.jp/~teddy/datalib/lm317t.htm
回答1で挙げられたデータシートにも、P.17に「1A Current Regulator」という使用例が載っています。

で、おそらく質問者さんは「LM317による定電流回路」「LED」「FET」を直列にしているのだと思いますが、
それを12Vで駆動するとなるとLEDの直列数が多いように思えます。
LM317は、入出力間の電位差が最低3V必要です。
LED三個(Vf3.25V×3)とLM317の3Vを足すと、電源電圧は最低でも13Vは必要という事になります。

http://www.audio-q.com/kousaku4.htm
の「(4)コピー式定電流接続」を参考に、LEDの並列接続を考えたほうがいいかと思います。
(条件が許すなら、LED4個で、「2直列」を2並列にするのがいいでしょう。3並列だと、電流が3倍必要になってしまいます)

お礼

ありがとうございます。
ご指摘のとおり、LEDは2個までが適切でした。
実際に比べたところ、3個だと十分に光っていませんで、2個のものよりも
暗い感じでした。
3個を十分に光らせるためには、15Vくらい必要でした。
電流は増やしたくないので、3個は諦めて、2個にしました。

回答No.1

KEN_2

接続とICの使用方法に疑問な点がありますが、
>FETは、発熱が少ないと聞いていたのですが、放熱器を使用するのは当然でしょうか？
動作点を適切に設計されればMOS-FETでもトランジスタでも発熱を少なくできます。

疑問な点は別途にして、
>TC4069UBPの出力で5kの抵抗を介して矩形波で駆動しています。
↑　の<5kの抵抗>を数百Ω（220Ω～1KΩ程度）に変更して確認してみてください。
＊Vgsのドライブ電圧不足でMOS-FETが完全にON/OFF動作していないので発熱が増加していると考えられます。

以下は疑問点です。
１．電流制限は、LM317を使用し、0.8A　←　使用方法が疑問です。定電圧電源ですよ。
http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM317.pdf
２．<TC4069UBPの出力で＞このICのVdd電源は+12Vですか？または、LM317の出力電圧ですか？
３．3個のLED>の仕様はVf3.25V、電流0.8Aですが、LM317の出力電圧設定は？
＊多分予想通りの使用方法だと思いますが確認ください。

お礼

ありがとうございます。
LM317は、定電流ICとして使用しています。
4069の抵抗は500Ωに変更しました。
現在、放熱器を手で触っても持ち続けていられるほどの
温度で満足しています。