電圧電流過渡状態の挙動について

質問

現在単一のDC電源より複数の並列電気負荷（センサ系）へ給電する
電気系システムの設計を行っており、そのシステム検証の一環にて、
負荷の稼働状態（オン/オフ）を切り替えた時の並列負荷の印加電圧及び
電流の計測を行う試験を実施しました。

その試験において負荷Bをオフからオンに切り替えた時、並列接続している
負荷Aへの印加電圧が一時的(数百μsec程度)に2V程度の低下と、200mA程度の
逆電流を計測しました。
（定常状態においては12V、+260mA程度の電圧電流になります）

過渡状態における電圧/電流挙動についてあまり知識が無いのですが、私の理解では
常時オンであった負荷A内のコンデンサに蓄積されていた電荷が、負荷Bの状態が
オフからオンへ切り替わった時に負荷Bへ流れ込んだため、逆電流として計測されたと
解釈しましたが、その理解で良いかご教示いただけませんでしょうか。
（負荷Aの回路を見ると入力側に数百μFのコンデンサが並列に接続されていることが
確認できました）

試験時の簡易的なフックアップ図を添付しましたので、ご意見頂けると幸いです。

回答No.4

久保 泰臣（@omi3_） · ベストアンサー

>数百μsec、2V低下
は、あり得ない問題ですね。
Bオンのタイミングで、Aが測定中でなければ良いのですが
　　プログラムで止められますか？

設計ミスは
　チャージ電圧が異なるコンデンサ同士を
　0.1Ω, 100ns, のFETスイッチで直結している事です。

発熱しても問題のない FETスイッチなのでソフトスタートにしましょう。
入力に抵抗10kΩ, コンデンサ1μF, を追加するのです。
　　　2msほどのソフトスタートになるでしょう。

昔は
ABC常時ONでした。 節電は重要な事ですが
「切替時にノイズが発生する」と言っては
　コンデンサを大きくして、遂にはFETを壊す設計に見えます。

この設計者の基板故障率を検証すべき問題でもあります。

お礼

色々とご教示頂き有難うございます。
ご回答頂いている内容について少し理解が及ばないところがあるので、いくつか
再度質問させて下さい。

「数百μsec、2V低下があり得ない問題」とは、非常に良くない結果である、と仰っているのでしょうか。
勿論理想的には電圧低下は起きないような設計をすることですが、運用に問題が無ければこのままで
良いと考えております。
今後何かしら問題が起こりうるため、問題があると思われているのでしょうか。

また電気設計に関する質問ですが、充電電圧が異なるコンデンサを接続した場合、
具体的にどういったことが問題になるのか、ご教示頂けると幸いです。

回答No.7

久保 泰臣（@omi3_）

>回答５さんが何故か触れられていない
>問題は配線距離
センサー回路なら 20～200mAの消費電流と思われますので
配線長100mでも問題にならない回路なら2Vの電圧降下は平気でしょうね。
しかし
100m配線が、ノイズ発生アンテナになる設計が気になります。

スイッチ(FET)の性能が良くて ON抵抗が 0.02Ωになってしまえば
　B→Aの電源ラインに、2V/0.02Ω=100Aの電流が流れます。
　　実際には平滑コンデンサが小さいと 10Aでしょう。
通常
基板末端のドライブ回路の応答を速くするために
　電流を 10A以上にしたりす事は多いのですが
　　フィルターでノイズが電源に入らないようにします。
身の回りに転がっている ACアダプター基板部品の20～30%は
　ノイズフィルターであるくらいに対策に努力をしているのに
　低インピーダンスな電源ラインをノイズ発生器にするとは。

設計者は、失敗経験が少ない、とかの問題ではなく
　理論を知らない "見かけでも動けば良い" と考える者で
　　検査係も同調する、企業風土なのでしょう。

お礼

どうもご助言有難うございました。
回答頂いた内容を基に改善方法を検討してみます。

回答No.6

lumiheart

>勿論理想的には電圧低下は起きないような設計をすることですが

回答５さんが何故か触れられていないんで

問題は配線距離
提示の全回路が卓上程度の配線長なのか？
或いは４畳半くらいの配線長か？
それとも１００ｍ有るのか？

それらで考え方が変わって来る

まぁ、１００ｍ有ったなら２～３Ｖの電圧変動なんて日常茶飯事でさして気にするほどでもなし
逆に最初から許容誤差内と考える
https://www.fa.omron.co.jp/products/family/407/specification.html
電源電圧　DC12～24Ｖ±10% リップル（p-p）10%以下

卓上距離で２Ｖの電圧降下は大き過ぎでしょう、概ね電線が細すぎるんでしょうねぇ

お礼

どうもご助言有難うございます。
配線長は数m程度なので、電圧変動は大きいと考えておりますが、
システム的には許容範囲内(変動した時間が極めて短いため)と考えて
おりました。

回答No.5

久保 泰臣（@omi3_）

>「数百μsec、2V低下があり得ない問題」とは、非常に良くない結果である、と仰っているのでしょうか。
センサー回路が、リセット中でない運用中に
　16%の電源電圧変動するのはあり得ません。
　　 瑕疵のある回路です。

>今後何かしら問題が起こりうる
>充電電圧が異なるコンデンサを接続した場合
回路全体にノイズが走り
他の機器にも、センサープローブがアンテナとなりノイズが入ります。

仮に、私が保守責任者だとして
この機器の周りで異常が出た時
　100MHz デジタル・ストレージ・オシロスコープが必要で
　　BのON/OFF頻度に反比例しますが、1回/時間なら
　　発生場所を追うために 3名 2週間は費やすでしょう。

>勿論理想的には電圧低下は起きないような設計をすることですが
　　　運用に問題が無ければこのままで良いと考えております。

中国の製造理念ですね。

「15ml以下の飲酒運転なら捕まる事は無い」と嘯く者を
　　見逃しているように思え、脱力感を覚えます。

実は、中国製を買って楽しんでいます。
　故障しても原因追及して改良できますから。

お礼

どうも丁寧にご説明有難うございました。
システムのノイズ耐性に問題があり、異常が起こりうるとのことで理解しました。

回答No.3

fjnobu

No2です。追加します。電源から負荷A,Bへの分岐点までの配線が長いとか、細いとかで抵抗値が大きいとそうなります。

回答No.2

fjnobu

その解釈であっています。問題は、Bの電源の入力側のコンデンサーの容量が多き過ぎることと、Aの入力側のコンデンサーが小さいこと。さらに１２Vの電源のコンデンサーが小さいことです。１２Vの出力側のコンデンサーは、Bの3倍以上必要です。

お礼

遅くなりましたが、ご回答ありがとうございます。

設計の勘所についてお聞きしたいのですが、そういったコンデンサ容量の値はどのように
計算/導出することが出来るのでしょうか。
負荷それぞれを単体で動作させたときは負荷Aのほうが突入電流が大きかったため、Aの
コンデンサ容量のほうが大きいと解釈しておりました。
（負荷は購入品であり、それぞれ内部回路の詳細までは分かっていないため、コンデンサ容量
は推定になりますが。）

回答No.1

ohkawa3

お考えの通りの現象が起きていると考えて宜しいかと思います。

ところで、現象が理解できれば、それだけで十分でしょうか？
その先のご質問があれば、遠慮なく追記ください。

お礼

遅くなりましたが、ご回答ありがとうございます。
直感では他負荷の電荷が流れこむことはなんとなく理解出来ていたのですが、
実事象としてそのようになっているか不安でした。
また、事象を理解するために追加でお聞きしたいのですが、バイポーラトランジスタでは
ベース電流の方向にコレクタ電流が流れるため、過渡状態でも逆流は起きない(もしくは起き辛い)と
考えておりましたが、FETは電界により電流の流れやすさを制御しているだけのため、電流は
逆方向に流れることができるとの理解でよいでしょうか。

FETはあまり使ったことが無いので挙動を理解しておらず、こちらについてご教示いただけると幸いです。