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電動ガンの電装系カスタム

電動ガンのSBD(ショットキーバリアダイオード)を考える。(半導体、ダイオード、整流子)

ここ3年くらい前から?くらいに電動ガンのライトカスタムの定番でモーターにSBDを付けるのが定番化してきています。

もう、ちょっとカスタムするとFETを付ける方が多いかと思いますがSBDが廃れることは、無さそうです。

FETの解説はこちらをどうぞ

電動ガンのMOSFETについて考えてみる。(FET、MOSFETの原理)

SBDの役割は説明書を読めば何となくわかるのですがそもそも一体なんだ?逆電流を防止するなら定番のダイオードではなぜダメなのか?疑問に思ったので調べてみました。

おそらく皆さんも調べたことがあるかと思いますが一般的な回路用の詳しすぎる説明か電動ガン用の簡単な解説しかなかったのでその中間を埋めてみます。

目指すところは、自分で適切なダイオードを選んで自作できるとこまでです。

興味がある方は、是非ともお付き合いください。

まずは半導体のおさらいから(FETでも説明してますがもう一度します。)。

もう知ってるよという人はSBDまでスクロールしてください。

半導体って何じゃい

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。

基本的には、自由にうようよ動いてるので自由電子とか呼ばれます。

謂わゆるマイナスイオンもこれなのだが人間の体に何の影響があるのか何十年も疑問です。ほとんど影響はないと思いますが。

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。つまり電源に電気がある限り電子があるので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。これをキャリアと呼んだりします。

基本的にはこの2種類の半導体を使って電子の動きをコントロールするダイオードができています。

ダイオードって何?

では代表的なpn型ダイオードをおさらいしましょう。

まずはp型半導体とn型半導体を図で繋げてみます。

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。

繋げると電子は基本的に−なので+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。

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。

SBD(ショットキーバリアダイオード)って何じゃい

pーn型ダイオードは一旦、置いといてSBDをみてみます。

SBDは金属(バリアメタルと言うらしい)とn型半導体で構成されています。

各部位の名前はどうやら金属部分をバリアメタル、その電極をアノードAと呼び、逆に半導体側の電極をカソードKと呼ぶらしいです。

まあ、ただの名前ですね。

ここでSBDに電極を繋いでみます。

金属に+、半導体に−を繋ぐ(順方向バイアス)

では金属側に+、半導体側に−の電極を繋ぐと電子は次のような動きをします。

これを順方向バイアスと呼びます。

pーn型と同じように電子は−の電荷なので+の電極に引き寄せられ移動します。金属は基本的に導体なので電子は通れます。

これで電子が移動するので電気が流れる仕組みです。(電気の流れる方向と電子の移動する方向は逆)

当然、電子は+の方向にどんどん行ってしまうのですが電源から電子が供給されるので電源の電子が尽きないがぎり電気は流れます。

次に逆に電極をつけてみましょう。

金属に−、半導体に+を繋ぐ(逆方向バイアス)

次に逆に金属に−、半導体に+の電極を繋げてみます。

これを逆方向バイアスと呼びます。

電子は−の電荷なので+に引き寄せられます。つまりn型半導体の+側の端に電子が全員、引き寄せられ電子の動きがなくなります(+と電子が釣り合う)。結果、電気が流れなくなります。

この時に電子が全くいなくなる領域を空乏層と呼びます。

SBDは、金属の厚みや種類によって多少の特性の違いは出るものの、ここまでpーn型半導体とほぼ同じように私には思えます。

次にp-n型ダイオードとSBDを比較してみます。

p-n型ダイオードとSBDを比較する 順方向バイアス

まずは順方向に電極を繋いだ場合を見比べてみましょう。

上がp-n型ダイオード、下がSBDです。

SBDのメリット1 スイッチングが速い

p-n型ダイオードには、p型半導体が付いておりn型から電子が電極まで進むのにホールを伝って行きます。これが時間が少しかかるようです。

一方でSBDには金属しかついてないのでホールがありません。金属部分を素通りしていくので電極に行くまで時間がかかりません。

これがSBDの良い特性の一つで反応が速い、つまり電極がつながれば(スイッチオン)即、通電する特性です。調べると差にして数十μ秒もあるようです。

これだけ見ると何だ数十μ秒かと思われますが、例えば電動ガンでセミで思いっきり連打すると秒15、6発くらい行くそうです。そうすると1発の発射時間は大体0.075秒くらいなので数十μ秒の違いは使用に影響を与える特性です。

いや、俺はそんなに連打しないよと言う人も人間の感覚はいい加減だけど繊細で0.01秒の差は多くの人が感じます。

つまりSBDを利用する電動ガンユーザーは全員、影響があるといえます。

SBDのメリット2 通電時の損失が少ない、発熱が少ない

さらにSBDには良い特性があってp-n型半導体は電子がホールを頑張って通って電極に辿り着きます。

この頑張りが損失となってある程度、電圧をかけないと通電しません。これを電圧降下と呼びVFで表すようです。この時に流れる電流をIFとすると損失はVF×IF[W]で表ます。

一方でSBDはホールがなくn型半導体を遮るのは、金属だけです。この金属は胴体なので素通りです。電子ががんばらなくても通電するので電圧降下VFが低い特性を持ちます。同様に損失VF×IF[W]も小さくなります。

この損失のエネルギーは基本的に熱に変換され大気に放出します。なので通電時はSBDのがp-n型ダイオードに比較し発熱が少ないと言えます。

次にp-n型ダイオードとSBDを前とは逆の方向に電極を繋いでみます

p-n型ダイオードとSBDの比較2 逆方向バイアス

今度は逆に電極を繋いで逆方向バイアスの特性を比較しましょう。上がp-n型ダイオードで下がSBDです。

SBDのデメリット1  漏れる電流が比較的多い

逆に電極を繋いだ場合(逆電圧を与える)にp-n型ダイオードは、まずp型半導体のホールという障壁があってされに空乏層を乗り越えないと電子は+電極に辿り着けません。それでも移動する根性のある電子がちょびっと居てそのため電気が流れます。

それを漏れ電流IRと呼びます。

p-n型ダイオードは、漏れ電流IRが非常に小さい、つまり整流の優等生です。

一方でSBDの方は、金属(バリアメタル)と空乏層があるだけです。

金属は基本的に導体なのでスルー(メタルの種類によるが)して空乏層を突破するだけなので比較的多くの電子が+電極に辿り着きます。

つまりSBDは、漏れ電流IRがp-n型に比べて多い整流素子になります。

これは究極のハイサイクルで電動ガンや超流速チューンをする場合は、電動ガンの発射時にバッテリーの電流の超一部IRがSBDに流れるのでモーターにいく電流は(I-IR)になりモーターのトルクがちょっと下がるので気になるかも知れません。

またスーパー燃費マシンにも相性は、よく無さそうです。

SBDのデメリット2 漏れ電流が多いため損失V×IRも大きい

またSBDは、モーターと並列に繋ぐことが多いのでモーターと同じ電圧が逆電圧として加わります。

モーターはバッテリーのマックス近くまで電気を吸い取るのでリポ7.4vだと満充電時だと8.4Vかかることになります。

つまりSBDは電動ガンが稼働するたびに損失8.4V×IR[W]が発生し、この電力のほとんどは熱に変換されます。

最悪は自分の発した熱で性能が落ち漏れ電流IRが増えさらに熱が発生しての無限コンボで破壊されるようです。

SBDの特性のまとめ

今度はy軸を順電流、x軸を順方向電圧としたグラフで比較します。

p-n型ダイオードが青い線の特性でSBDが赤色の線の特性になります。

まずSBDは順方向に電流が流れるときに電圧降下VFが小さいので損失が小さく反応が良く(数μ秒だとか)て発熱も少ない素子と言えます。

逆に逆電圧がかかっている場合は、漏れ電流IRが大きいので損失も大きく発熱しやすい素子と言えます。

また構造上バリアメタルしか持たないので耐逆方向電圧は他のダイオードに劣るようです。バリアメタルの材質、厚みにもよるらしいのですが大体、100V当たりが限界のようです。

また熱に対す特性は次のようになります。

順方向特性

限度はあるでしょうが温度が高いほど調子が良くなるという面白い特性です。

逆方向特性

逆方向電圧下においては、高温度下になるほど指数関数的に漏れ電流IRが大きくなるようです。

そうすると自分の損失V×IRも増加していき熱による性能劣化の負のスパイラルに入り一気に劣化、破損が発生しそうです。

電動ガンの使用中で言えば電動ガン作動時は常に逆電圧がかかっているので漏れ電流として電気が喰われ効率が少し落ちるのと自分の熱とモーター等の外部の熱が加わって漏れ電流は大きくなり最悪では熱暴走、破損するようです。。

つまり長時間でのフルオート射撃はSBDの発熱が増え効率が悪くなり最悪、SBDが熱暴走、破損する可能性が高いです。

なので少しでもグリップが暖かくなってきたら冷ました方がようさそうですね。

逆にモーターの逆起電力が発生した場合は、VFが小さいので素早く電気を通してモーターに再回収させることができます。

しかもモーターなどが超熱くなっている時ほどガンガン電気を回生してくれるようです。

さらに折角なのでSBDのバリアメタルを変えた場合の特性は漏れ電流と電圧降下VFとトレードオフのようです。

最も業界の進歩のスピードは半端じゃないので近い将来に両立する材料が発見される可能性もありますね。

漏れ電流と電圧降下特性

それぞれの特性は次のようになります。

電動ガンで考えると黄色の高VF低IRが私は好きです。

電動ガンが作動しているときは漏れ電流IRが少ないので効率低下は最小に抑えられ、一方でモーターの逆起電力が発生した場合に、反応速度は、多少遅いのですが回生はちゃんとしてくれます。

ただしVF以下の電圧ではスイッチに電気が流れるので多少スパークするかも、VFの値次第ですが。

逆に低VF高IRは、電動ガンの作動時の効率は多少、落ちるが(IRの値次第だが)逆にモーターの逆起電力には素早くしっかりと対応して回生してくれるようです。

まとめ

今回調べてみて分かったのがスイッチング反応速度の良さからSBDが選ばれていることが理解できました。

また本文中に記載しなかったのですけど当たり前ですがp-n型ダイオードに比べp型半導体が付いていない分、SBDのがコンパクトです(金属部分も薄い)。

これもスペースに余裕のない電動ガンが多いので良いポイントですね。

逆にデメリットは漏れ電流が多いのが気になります。

効率を追い求めるとネックになるしもっと課題になるのは自分の漏れ電流で勝手に熱くなって負のスパイラルに入って暴走、及び破損することですね。効率重視だったらFETですかね。

電動ガンの場合はSBDが破損しても普通に使えてしますので破損に気づかず使い続けスイッチが焼けていたなんてことも考えられます。

まあ、FETが破損すると通電しっぱなしになって狂戦士バーサーカーのようにフルオートがずっと続くよりはかなりマシです。

また耐電圧が低いのも気になります。モーターの逆起電力ってしょぼいモーターでも60Vとか簡単に出るので最近、増えてきているハイパフォーマンス系モーターの逆起電力は結構、ヤバイ領域に突入する気がします。

SBDの耐電圧は100V程度のようなので。

できれば皆様には私の記事を読んでSBD素子のタイプをお持ちの電動ガンのスペック、プレイスタイルに合うものをしっかり選んでくれるとトラブルが減るかと思います。

とにかくなんでもいいから電動ガン用のモノを買っておけば大丈夫と言う代物では無さそうです。

次回はSBDの実装回路を考えてみます。すでに前に書いてあるのですが内容がしょぼいので大幅変更します。

電動ガンのSBDの回路での作動メカニズム (ショットキーバリアダイオード、スイッチ保護回路、モーター還流回路)

また他に使える整流素子を探してみます。バリスタなんかいけそうな気がする。

また次のカスタム考察シリーズは電動ガンのモーターを考える(DCモーター編)をやりたいと思います。その先には話題のブラシレスモーターも解説したいです。これがわからないと逆起電力が計算できない。

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  • 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。

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