https://kazubara.net

電動ガンの電装系カスタム

電動ガンのMOSFETについて考えてみる。(FET、MOSFETの原理)

最近の電動ガンは純正でFET、MOSFET搭載している機種が多くなってきました。

また後付けのFET、MOSFETもかなり安くなってきており私も取り付けることが多くなってきました。

私の性分で仕組みを知りたいので少し調べてみました。

興味がある人は参考にしてください。

FET、MOSFETの前にダイオードをおさらいしてみます。

半導体とダイオード

ダイオードを説明する前にまず基本の半導体をおさらいします。

半導体

まあ一言で表すと導体(電気を通す)と絶導体(電気を通さない)の中間の特性を持つ物体です。

その半導体に様々な物質を加えると様々な特性を持つ物体になります。

例えば電流と電圧を加えると温度を下げる(ペルチェ素子)や光る(発光ダイオード)などあります。

まずは代表的なp型半導体とn型半導体をおさらいしましょう。

まずn型半導体は、内部に自由な電子を持つ物体です。まあ電子の移動が電流なので電気の素を持っていると言ってもいいのでしょうか。

次にp型半導体は、電子が自由に移動できる道(正孔)を持っている物体です。

高校化学でいえば最外電子殻に電子が満杯にいるのではなく電子が不足している状態です。

つまり電子があれば吸い取れるため電気が流れます。ただし自分自身が電子を持っていないため単独では電気が流れません。

何故か一般的に孔(あな)で表されることが多いです。

基本的にはこの2種類の半導体を使ってダイオードが構成されています。

ダイオード

では代表的なp-n型ダイオードをおさらいしましょう。

まずは図で繋げてみます。

こいつに導線を繋いで電気を流してみます。

まずはp型に+、n型に-を繋げます。繋げると電子は+に引き付けられ孔に入りながら次々と移動していきます。

つまり電気が流れます。n型の無くなった電子は、電源または電池から供給されるので無くなることはありませんので電気が流れ続けます。

これを順方向バイアスと言います。

次にp型に-、n型に+を繋げると電子は+に引き付けられるのでp型の方に電子は行きませんね。

またn型mの電子が全て−側に引き付けられると何も動くものはありません(電源の−とn型半導体内部の電子が釣り合う)。

つまり電気が流れません。これを逆方向バイアスと呼びます。

さらに全く電子が存在しない領域が新たにできてそこを空乏層と呼びます。この幅を計算できるのですがまあいいでしょう。

この特性を生かすと電気を流す方向を決めることができます。よって整流子(ダイオード)と呼ばれます。

次にFET(MOSFET)の原理をおさらいします。

FET(MOSFET)の原理

まあMOSFETはたくさんあるFETの一種です。

ここからはFETを電動ガンでよく使われるMOSFETと呼んでいきます。

まずMOSFETの構造です。

代表的なnチャネル型MOSFETで図を表します。(nチャネルが普通らしいです、チャネルもタイプミスではありません)

基本的にはp型半導体をベースにそれぞれの電極がつく部分にn型半導体を設置し図の位置にゲートと呼ばれる導線を金属と絶縁体を介して接続されています。

先程、おさらいした通り電極がn-pの順で繋がっているので逆方向バイアスとなり電気はMOSFET内で流れません。

ここですごいのがゲートに+側と同じ電位(電圧)を与えると絶縁体付近でp型半導体が反転しn型半導体になります。

これを反転層と呼びます。機械系の私には原理がよくわかりませんでした。

ただし半導体を反転させるためには横からの+の電圧は、下側の−の電圧より大きくないと反転しないらしいです。

これで電源とMOSFETの繋がりはn-nとなり電子が移動するため電気が流れます。

この特性を活かして物理的なスイッチの代わりに使います。

ここで各電極に呼び方があるのでおさらいします。

特徴としては非常に高速で半導体が反転するため高速スイッチに向いていたり抵抗値が低いため損失が少なかったりして低損失かつ高速スイッチに向いているようです。

ただし作動にはゲートとソース間に電位差(電圧)が発生していることが必要です。

回路記号では次のように表します。

ここで注意なのですが回路図の矢印は間違えたわけではないのです。

電子は説明したとおり−の電荷なので+に引かれて移動します。しかし回路で電気が流れる向きは+から−です。

実は電子が移動する方向は、正反対なのです。どうやら昔の偉い人が間違えてそのままらしいです。(私が電気苦手な理由)

次に電動ガンなりの何かしらにMOSFETを取り付けた場合の課題を考えてみます。

MOSFETの一番、簡単な実装

では実装にあたって最低限しなきゃいけないことを考えてみます。

例題はDCモーターのON-OFFスイッチでMOSFETを利用した場合を考えます。

抵抗がないと電気は流れないのでまずはゲートとソースの間に電位(電圧)を与えるために抵抗を設定します。

まず青い抵抗ですがこれは電源からゲートに電位(電圧差)を与えるために電気を流す抵抗です。

この抵抗値はMOSFETのゲートが開くのに必要な分の電位(電圧差)があればいいのでMOSFETによりますが10〜30Ωくらいみたいです。

これをゲート抵抗と呼びます。

まあこれはMOSFETのスペックによるのでカタログを見て決める必要がありそうです。

次に黄色い抵抗ですがこれは、MOSFETのセルフターンオンを防ぐために設置します。

MOSFETのセルフターンとはゲートの電位をOFFにしても半導体が電荷(電気)をためる性質も持っているので反転層の電荷がなくなるまでD-S間で電気が流れてしまいます。

つまりスイッチオフでも電気が通る現象が発生します。

セルフターンオンを防ぐために反転層に残った電位を取り除くために抵抗を加えて電荷を取り除きます。

これをゲートーソース間抵抗と呼びます。この抵抗は電荷を素早く抜きたいため大きめの抵抗を設定するみたいです。

10kΩ〜30kΩくらい

これでMOSFETの説明を終わりにします。

まとめ

MOSFETはp型半導体とn型半導体を利用した装置で半導体の反転を利用してスイッチ代わりにできることがわかりました。

また実装する際にも少し工夫がいるようです。

次回は実装の更なる工夫、FET2石の場合や新品の取り付け方くらいまで考えてみたいと思います。

電動ガンのMOSFETの実装を考えてみる。(FET、MOSFET)

宣伝で申し訳ありませんが、私はエアソフト本体やパーツ関連の多くをアマゾンで購入しています。

意外と本体、パーツ共にラインナップが充実していてそこそこの値段で購入できるので重宝しています(小物だと買いに行くのがめんどくさい)。

そこでおすすめなのがアマゾン プライム会員です。

多くの商品が配送料無料、お急ぎ便無料になります。さらに会員になると映画、アニメ、音楽、書籍なども多くの作品がフリーで見れます。

月間プランだと月500円からで年間プランだと年で4900円でかなりのお得です。

しかも会員は対象商品購入(エアソフト関連も大抵、対象になっている)でポイントが還元され、私の場合は年会費4900円以上獲得できてます。

まずは無料体験からお勧めします。

アマゾン プライム無料体験はこちら!!

  • この記事を書いた人

kazubara

輸送機器メーカーでの元エンジン設計者。15年の職務経験から機械設計知識を伝道します。また職歴を活かしてエアソフトガンをエンジニアリング視点で考えてみる。

-電動ガンの電装系カスタム
-,

© 2021 Kazubara Blog カズバラ ブログ Powered by AFFINGER5