MOSFETはPicoの3.3Vで足りる？DCソレノイド駆動でゲート電圧不足を実測【Pico 2 W】

はじめに：Pico 2 WでDCソレノイドは動いた。でも測ると電流は8割だった

こんにちは。ニンジンです🥕

Raspberry Pi Pico 2 Wで12VのDCソレノイドを動かしてみました。

回路図どおりに組んで、プログラムを実行すると「カチッ」。問題なく動きました。

……で終わればよかったのですが、念のためテスターとオシロスコープで測ってみると、ソレノイドに流れていた電流は計算値の8割ほど。さらに、MOSFETが発振していることもわかりました。

使ったMOSFET（IRLU3410）のデータシートでは、オン抵抗が保証されているのはゲート電圧4Vからです。それは承知のうえで、「流すのは1.7A程度。定格17AのMOSFETにとっては少ない電流なので、Picoの3.3Vでも足りるだろう」と見込んで試していました。

最初は「電流が8割しか流れないのも、発振するのも、ゲート電圧が足りないせいだろう」と考えました。ところが、ゲートを5Vにすると発振は消えましたが、電流はほとんど増えませんでした。電流が8割止まりだったいちばんの原因は、ブレッドボードの配線でした。

この記事では、

• 「3.3Vでも足りるだろう」と判断した理由
• 動いているのに性能が出ていないことを、どう測って見つけたか
• ゲートを5Vで駆動したら、何が改善して、何が改善しなかったか
• 電流が8割止まりだった本当の原因

を、実測データと波形で紹介します。

DCソレノイドの基本（仕組み、電流、極性、突入電流など）は前回の記事で解説しています。

使った部品とMOSFET駆動回路

部品表

必須

この記事の主役。12Vで約1.73A流れるプル型

Heschen DCソレノイド HS-0530B（DC12V・ストローク10mm・保持力5N）

ラベルの表記は12V／1.7A、ED 5%。コイル抵抗の実測6.95Ωから計算すると、12Vで約1.73A・21Wになります。連続通電はできません。

12V / 1.7AED 5%

Amazonで見る楽天市場で見る

必須

今回の検証の主役。オン抵抗の保証はゲート4Vから

NchパワーMOSFET 100V17A IRLU3410PBF

型番がIRLで始まるロジックレベル品。Picoの3.3Vでも動きはしますが、オン抵抗は保証の範囲外です（この記事で実測）。

100V / 17AI-PAK

秋月電子で見る

必須

オフにした瞬間の逆起電力を逃がす

ショットキーバリアダイオード 40V3A SB340LS

還流ダイオードとしてソレノイドと並列に入れます。帯（カソード）を+12V側に向けてください。

40V / 3Aショットキー

秋月電子で見る

あると安心

約1.7Aを流した瞬間の電圧の落ち込みを和らげる

電解コンデンサー 470μF 25V 105℃ ルビコンPX

12Vラインに入れる電解コンデンサー。耐圧は12Vに余裕を持たせて25Vを選びました。

470µF / 25V

秋月電子で見るAmazonで見る

検証用

ゲートを5Vで駆動して比べるために使用

4ビット双方向ロジックレベル変換モジュール AE-LCNV4-MOSFET（BSS138使用）

本来はI2Cなどの信号用のモジュールで、手持ちにあったので使いました。立ち上がりが遅いので、PWMには向きません（本文の注意を参照）。

3.3V → 5V4ch

秋月電子で見る

必須

ピンヘッダー実装済みで、届いたその日からブレッドボードに挿せる

ヘッダー ハンダ付け済み Raspberry Pi Pico 2WH

今回のマイコン。GP15からMOSFETのゲートを駆動します（筆者はPico 2 Wで動作確認）。

無線+ヘッダー実装済みMicroPython

Amazonで見る楽天市場で見る

あると便利

ピン名が印字されていて、配線を確認しやすい

Freenove Raspberry Pi Pico 1/2 W H WH用ブレイクアウトボード

Picoを挿すだけで、全ピンがネジ端子とピン名の印字付きで引き出されます。GP15・GND・VBUSをすぐ見つけられます。

ネジ端子ピン名印字

Amazonで見る楽天市場で見る

必須

はんだ付けなしで回路を組み替えられる基本の作業台

ブレッドボード 400穴

MOSFET・ダイオード・コンデンサーを挿すのに使用。ただし1.5A級の電流では配線だけで約1V失いました（本文の検証を参照）。

はんだ付け不要

Amazonで見る楽天市場で見る

必須

オス-オス・オス-メス・メス-メスがそろって、どんな配線にも使える

ELEGOO 120pcs 多色デュポンワイヤー

Pico・ブレッドボード・ソレノイドの間の配線に使用。12V側とGNDで色を分けておくと、間違いを防げます。

3種類×40本多色

Amazonで見る楽天市場で見る

必須

100Ω・1kΩ・10kΩ・100kΩをすぐ選べる

GOODCHI 金属皮膜抵抗器 抵抗セット（10Ω〜1MΩ・30種類）

ゲート抵抗（100Ω）とプルダウン（10kΩ・100kΩ・1kΩ）に使用。セットで持っておくと、ほかの工作でも困りません。

30種類×各20本収納ケース付き

Amazonで見る楽天市場で見る

※リンクはアフィリエイトを含みます。価格・在庫・同梱内容は変わることがあるので、購入前に各商品ページをご確認ください。

電源は手持ちのACアダプター（12V/2.5A）を使いました。ソレノイドに約1.7A流すので、2A以上流せるものを選んでください。

DCソレノイドの電流と消費電力（6.95Ω → 1.73A・21W）

ソレノイドのコイル抵抗をテスターで測ると 6.95Ω でした（テスト棒の抵抗を差し引き、コイルが冷えた26℃の状態で測った値）。12Vをかけると、計算上は

• 電流：12V ÷ 6.95Ω ≒ 1.73A（ラベルの1.7Aとほぼ一致）
• 消費電力：12V × 1.73A ≒ 21W

になります。Picoのピンで直接流せる電流ではないので、MOSFETでスイッチします。

IRLU3410のデータシートで見るべき項目：Vgs(th)とオン抵抗の規定電圧

IRLU3410のデータシートのうち、選定で見たのは次の項目です。

型番が「IRL」で始まるのは、低いゲート電圧でも動く「ロジックレベル」品の印です。ただ、オン抵抗が保証されているのは4Vまでで、Picoの3.3Vは保証の範囲外です。

それでも試してみたのは、次のように考えたからです。

• オンし始める電圧 Vgs(th) は最大でも2.0Vなので、3.3Vならオンはする
• 流すのは約1.7Aで、定格17Aの10分の1。保証外とはいえ、この程度の電流なら問題なく流せるだろう

この見込みが正しかったのかを、実測で確かめていきます。

回路図と実体配線図（ゲート抵抗100Ω・プルダウン10kΩ・還流ダイオード）

ポイントは次の4つです。

• 100Ω（ゲート抵抗）：ゲートに流れ込む瞬間的な電流を抑える
• 10kΩ（プルダウン）：Picoが動いていないときにゲートを0Vに保つ
• SB340LS（還流ダイオード）：オフにした瞬間の逆起電力を逃がす。帯（カソード）を+12V側に付ける
• 470µF：12Vラインの電圧変動を抑える

ED 5%（使用率）に注意

▲ ラベルの右下に「ED%:5%」とある

このソレノイドのラベルには「ED 5%」と書かれています。通電してよいのは1サイクルの5%まで、つまり通電した時間の19倍は休ませる必要があります。前回の記事では、5秒通電しただけで中のコイルの温度が約18℃上がることを実測しました（コイル抵抗の変化から計算）。この記事の測定も、2秒通電したら40秒以上休ませながら行っています（ED%の詳しい説明も前回の記事を参照）。

MicroPythonでソレノイドを動かす

この記事で使ったコードは、まとめてダウンロードできます。

どのコードも、3.3V直結の回路と5V駆動（レベル変換）の回路の両方でそのまま使えます。

12Vをつなぐ前にゲート電圧をテスターで確認する

まず12Vをつながずに、Picoからゲートに電圧が出ているかを確認します（gate-check.py）。

from machine import Pin

GATE_PIN = 15

g = Pin(GATE_PIN, Pin.OUT, value=0)   # 起動直後から LOW にしておく

続けて次の1行を実行し（シェルに打っても、エディターの末尾に足して実行しても同じです）、MOSFETのゲートとGNDの間の電圧をテスターで測ります。

g.value(1)   # ゲートが約3.3Vになるか
g.value(0)   # 0Vに戻るか

HIGHで 3.249V、LOWで 0.000V。Pico側の配線は問題なさそうです。

pulse()関数で0.1秒だけオンにする

12Vをつないで、0.1秒だけオンにします（solenoid-pulse.py）。

from machine import Pin
import time

GATE_PIN = 15

g = Pin(GATE_PIN, Pin.OUT, value=0)


def pulse(ms=100):
    g.value(1)
    try:
        time.sleep_ms(ms)
    finally:
        g.value(0)   # エラーや Ctrl+C で止まっても必ずオフにする


pulse(100)

try〜finallyにしているのは、途中でエラーが出たりCtrl+Cで止めたりしても、ソレノイドがオンのまま残らないようにするためです。ED 5%のソレノイドは、1秒オンにしただけでも19秒休ませる必要があります。21Wを消費するソレノイドがオンしっぱなしになれば、すぐに制限を超えてしまいます。

▲ 0.1秒だけオンにしたところ（音が出ます）

「カチッ」と動きました。ここまでは順調です。

テスターとオシロで測る：電圧降下とMOSFETの発振

動いたので完成……としてもよかったのですが、本当に設計どおりの電流が流れているのか、測ってみることにしました。

測定には solenoid-measure.py を使います。2秒通電して、ED 5%を守れるだけの時間（40秒）休ませる、を指定回数くり返すコードです。

from machine import Pin
import time

GATE_PIN = 15
ON_MS = 2000          # 1回の通電時間(ミリ秒)
REPEAT = 3            # くり返し回数
ED = 0.05             # 使用率(ラベルの ED 5%)

REST_MS = max(int(ON_MS * (1 - ED) / ED), 40000)   # 2秒通電なら 38秒 → 下限の40秒

g = Pin(GATE_PIN, Pin.OUT, value=0)


def pulse(ms):
    g.value(1)
    try:
        time.sleep_ms(ms)
    finally:
        g.value(0)   # エラーや Ctrl+C で止まっても必ずオフにする


try:
    for i in range(REPEAT):
        print("{}/{} 回目: {} ms 通電します".format(i + 1, REPEAT, ON_MS))
        pulse(ON_MS)
        if i < REPEAT - 1:
            print("  {} 秒休ませます(ED {}%)".format(REST_MS // 1000, int(ED * 100)))
            time.sleep_ms(REST_MS)
finally:
    g.value(0)
    print("終了しました")

ソレノイドの両端は9.93V（電流は計算値の約8割）

2秒通電している間に、テスターのMAX/MIN記録機能を使って、場所ごとに電圧を測りました。

ソレノイドにかかっていたのは 9.93V。電流にすると

9.93V ÷ 6.95Ω ≒ 1.43A

計算値の1.73Aに対して 約83% しか流れていませんでした。

電源レールの11.71Vとソレノイドの9.93Vの差、約1.8V が、MOSFETとブレッドボードの配線で失われています。この1.8Vがどこで失われているのかを調べます。

オシロで見るとドレイン電圧が発振していた

MOSFETのドレイン電圧をオシロスコープで見てみました。オン中のドレインは0V近くまで下がるはずです。

オンしている間、ドレイン電圧が太い帯になっています。ドレインが細かく上下に振れている、つまり発振している状態です。

しかも、この発振は

• 測るたびに、始まるタイミングも止まるタイミングもバラバラ
• テスターのリード線をつなぐ場所によって、出たり出なかったりする

という不安定なものでした。

疑い：Picoの3.3VではMOSFETが十分にオンしていない？

「定格17Aの10分の1なら大丈夫」が成り立たない理由

データシートを読み直すと、見込みの根拠にしていた数字は、どれも3.3Vとは条件の違う値でした。

• ① 定格17AはVgs=10Vのときの値：データシートにも「Continuous Drain Current, V_GS @ 10V」と条件が書かれています
• ② Vgs(th)はドレイン電流わずか250µAのときの値：「オンし始める電圧」であって、1A以上を流せる電圧ではありません
• ③ 3.3Vはオン抵抗の保証の範囲外：規定されているのは4V（155mΩ）まで

MOSFETのオン抵抗はゲート電圧で大きく変わります。Picoの3.3VはVgs(th)（1.0〜2.0V）から1〜2V上でしかなく、後の実測では、オン抵抗が4Vでの保証値（155mΩ）より大きい約0.27Ωまで上がっていました。

ターンオン波形のミラー期間（ミラープラトー）

オンする瞬間を拡大してみました。

ゲート（緑）は0Vから上がり始め、約2V付近で一度平らになってから3.3Vまで上がっています。この平らな部分は「ミラー期間（ミラープラトー）」と呼ばれ、MOSFETが切り替わっている最中を表します。

ゲートが最終的に3.3Vにしか届かないので、ミラー期間を抜けたあとの余裕が小さくなります。その結果、MOSFETはオンはしているものの、オン抵抗が大きい状態にとどまり、

• 抵抗として電圧を食う（=MOSFETが発熱し、ソレノイドの電圧が少し下がる）
• ゲート電圧のわずかな変化でドレイン電流が大きく変わりやすく、テスターのリード線のようなちょっとした外乱で発振する

ということが起きていたと考えられます。

検証：レベル変換モジュール（BSS138）でゲートを5V駆動する

電流不足と発振が、ゲート電圧のせいなのかを確かめるため、ゲートを5Vで駆動してみます。

使ったのは、手持ちのレベル変換モジュール AE-LCNV4-MOSFET（BSS138使用）です。Picoの3.3V信号を5Vの信号に変換します。5VはPicoのVBUSピンから取ります。

AE-LCNV4-MOSFETを使った回路図と配線

プルダウン抵抗を変えた理由（1kΩ追加・10kΩ→100kΩ）

起動直後のゲート電圧0.66Vは問題ないか

12Vをつなぐ前に、gate-check.pyでゲート電圧を確認しました。

プルダウンを付けても、起動直後はゲートが約0.66Vになりました。

• 原因：レベル変換のBSS138がオンすると、LV側（3.3V）とHV側（5V）の2本のプルアップ（どちらも10kΩ）が、両方とも1kΩを押し上げるため。計算すると約0.69Vで、実測とほぼ一致します
• 問題ない理由：IRLU3410のVgs(th)は1.0V以上なので、この電圧でソレノイドが動くことはありません。プログラムでg.value(0)を実行すれば0.025Vまで下がります

3.3V直結と5V駆動の比較：オン抵抗・発熱・発振

比較表

比較のため、3.3V直結と5V駆動を同じ日に、同じ手順で続けて測り直しました。前の章の測定（83%）とは日が違うので、3.3V直結の値も少し違います。数値はすべてテスターの実測値です（オン中の値。電圧はMAX/MIN記録機能で読み取り）。

• MOSFETのオン抵抗は約0.27Ω → 約0.11Ω。5V駆動（ゲート4.65V）では、データシートの規定値（4Vで155mΩ、5Vで125mΩ）の範囲に収まりました
• MOSFETの発熱は約半分になりました
• 発振は消えました。試した3か所のどこにテスターをつないでも、波形はきれいなままです

一方で、電流は81% → 86%。改善はしたものの、わずか5ポイントです。ゲート電圧不足は「発振」と「MOSFETの発熱」の原因でしたが、電流が8割しか流れなかった主な原因ではなかったことになります。

テスターをつなぐ場所で発振の出方が変わる

3.3V直結では、テスターのリード線をどこにつなぐかで発振の出方が変わりました。

リード線がMOSFETに近いほど発振しやすい。Picoの3.3Vでオン抵抗が大きい状態のMOSFETは、ちょっとした外乱で発振してしまうことがわかります。ゲートを5Vで駆動すれば、同じ位置にテスターをつないでも発振しません。

発振と発熱については、「ゲート電圧が足りず、MOSFETが十分にオンしていなかった」という見立てが実測で裏付けられました。ただし、電流が8割止まりだった原因は別にあります。

残りの電圧降下はブレッドボード（1.5Aで約1V）

では、電流が86%止まりだった残りの原因はどこにあるのか。5V駆動で、12Vがソレノイドに届くまでの内訳を出してみます。

※ACアダプターの無負荷電圧（12.19V）は初日の測定値。初日の測定では、このうちDCジャックから電源レールまでの配線で約0.14V下がっていました

ブレッドボードが原因だということは、配線を変えた測定でも確かめています。前回の記事で、ACアダプターとソレノイドをブレッドボードを通さずに直結して測った値と比べると、次のとおりです。

直結でも95%にとどまるのは、ACアダプターの出力が負荷で下がるためです（無負荷12.19V → 11.39V、約0.8V）。上の表の「ACアダプターと、電源レールまでの配線」の約0.76Vとほぼ同じです。

わかったこと

• MOSFETを5V駆動にした後、いちばん大きな損失はブレッドボードの配線で、MOSFETの約6倍だった
• 1.5A級の電流を流すと、ブレッドボードの配線だけで1V近く失う。ブレッドボードを通さずに直結すると、86%が95%まで上がった
• 次に大きいのはACアダプター側で、今回のアダプター（12V/2.5A）は1.5A流すと電源レールまでで約0.76V下がった

おすすめ

• 実験はブレッドボードで十分。実際に使うなら基板にはんだ付けするか、端子台と太い線で配線する
• 電源は、負荷をかけたときの電圧をテスターで確認しておく（無負荷の電圧だけでは分からない）

まとめ：マイコンの3.3VでMOSFETを選ぶときのチェックポイント

今回わかったことは次のとおりです。

• ゲート4V保証のIRLU3410を、Picoの3.3Vで直接駆動しても動くには動いた
• ただしオン抵抗は5V駆動の約2.4倍（0.27Ω）で、テスターのリード線をつなぐだけで発振した
• レベル変換でゲートを5Vにすると、オン抵抗はデータシートの規定値の範囲に収まり、発熱は半分、発振も消えた
• それでも電流は計算値の86%止まり。いちばんの損失はブレッドボードの配線だった

マイコンの3.3VでMOSFETを直接駆動するときは、次の点を確認しましょう。

• オン抵抗が何Vのゲート電圧で規定されているか（2.5Vまたは2.7Vで規定された品なら安心。4.5Vや4Vからの品は保証外）
• 「定格電流より小さいから大丈夫」と判断しない。定格電流は十分なゲート電圧（多くは10V）をかけたときの値
• 保証外で使うなら、ドレイン・ソース間の電圧を実際に測る（オン抵抗が計算できる）
• オシロがあれば、オン中のドレイン電圧が太い帯（発振）になっていないか見る
• 1A以上流すなら、ブレッドボードではなくはんだ付けや端子台で配線する

よくある質問（FAQ）

次回予告

次回は IRLB3813PBF を使います。

• IRLB3813PBFを使う理由：当初予定していたIRLB8721は生産中止で入手が難しかったため、その代替品です。オン抵抗は4.5Vで最大2.6mΩと、IRLU3410とは桁違いに小さい品です（条件は少し違いますが、IRLU3410は4Vで155mΩ）
• 3.3Vでは保証外：IRLB3813PBFも、オン抵抗が規定されているのは4.5Vからで、Picoの3.3Vは今回と同じく保証の範囲外です
• 確かめること：
  • ここまでオン抵抗の小さいMOSFETなら、レベル変換なしの3.3V直結で足りるのか
  • オフにした瞬間の逆起電力の波形と、還流ダイオードの効果
  • PWMで保持電流を下げて焼損を防ぐ方法