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カテゴリ:連載 の記事一覧

スイッチング電源を作ろう(10)

【第10回】
 動作


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忙しくて随分時間が空いてしまった。たまには更新しないと。


■各部の動作

前回まででスイッチング電源自体は完成したので、今回はその動作波形をほんの少しだけ紹介しよう。
家にあるオシロスコープはアナログ式で、毛布をかぶってメガネを外して写真撮影していたため、ボケてても気づかなかった。なので、そこはご愛敬ということで。
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スイッチング電源を作ろう(9)

【第9回】
 製作


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随分時間が空いてしまったが、製作の様子を軽く紹介することにしよう。


■部品の配置と配線

前回書いたように、ユニバーサル基板を用いて製作する。まずはレイアウトに従って部品を配置していく。

なんのことはない。ただ部品を半田付けしていけばいい。
道具と部品を準備。

20090815 Switching Regulator, originally uploaded by pman0214.


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スイッチング電源を作ろう(8)

【第8回】
 パターン設計


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■パターン設計

基板を自作する場合もあるけど、面倒なので今回はユニバーサル基板を用いる。え?ユニバーサル基板を知らない?ググって下さいな。きっとわかりやすく説明している人がいるはず。
スイッチング電源ごときに高い基板使うのもアレなので、紙エポ片面で十分。 【続きを読む】

スイッチング電源を作ろう(7)

【第7回】
 完成


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またまた前回の記事から時間が空いてしまった。
前回まででブロックごとの設計は終了した。今回はこれらを接続してスイッチング電源を完成させる。


■とりあえず接続してみる

まずは前回までで説明したブロックを全部接続してみる。すべて接続してしまうと見づらくなるので、基準電圧回路及び三角波発振回路と、スイッチング制御部分は分離して記述した。信号名を参照して、接続を見ればお分かりいただけると思う。

20090628 switching_regulator1, originally uploaded by pman0214.


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スイッチング電源を作ろう(6)

【第6回】
 スイッチング制御回路


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前回の記事から随分と時間が空いてしまったが、連載を再開する。
前回まででほとんどのブロックについての設計が終了している。今回はいよいよスイッチング制御部分の設計に入る。


■復習

前回までのところを軽く復習しておこう。まず第1回でスイッチング電源の仕組みについて簡単に説明し、第2回で設計する電源の仕様を決めた。第3回で多少仕様を変更したりもしたが、第3回第4回第5回で基準電圧回路、三角波発振回路、誤差増幅回路を設計した。これらを用いて第2回で述べたようなスイッチング制御を行う。 【続きを読む】

スイッチング電源を作ろう(5)

【第5回】
 誤差増幅回路


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前回は少し面倒な計算をして三角波発振回路の設計を行った。今回は休憩がてら、簡単な誤差増幅回路の設計を行うことにしよう。 【続きを読む】

スイッチング電源を作ろう(4)

【第4回】
 三角波発振回路


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前回は基準電圧回路の設計を行った。今回は三角波発振回路の設計を行う。前回は簡単すぎて騙されたと思ったかもしれないが、今回は割と複雑だ。心してかかって欲しい。 【続きを読む】

スイッチング電源を作ろう(3)

【第3回】
 基準電圧回路


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前回は設計する電源の仕様と、簡単な構成について述べた。今回は基準電圧回路の設計を行うこととしよう。


■その前に訂正

前回、仕様において最大電流を1Aとしていたが、500mAとすることにした。
理由は
 ・手元の部品で作れない(switching用MOSFETとかでかいコイルとかがない)
 ・放熱設計が面倒
 ・ぶっちゃけ1Aは必要ない
といったところだ。工エェェ(・д`)ェェエ工って思った人は自分で設計すべし。というか自分で設計するのが基本だろ。 【続きを読む】

スイッチング電源を作ろう(2)

【第2回】
 仕様、そして構成


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前回はswitching regulatorの仕組みについて簡単に説明した。今回は設計する電源の仕様を決め、どのような構成にするか、まで。 【続きを読む】

スイッチング電源を作ろう(1)

【第1回】
 スイッチングレギュレータの仕組み


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Switching regulator(スイッチングレギュレータ)という言葉自体は知っている人もいるかもしれない。今回はこれから設計するchopper(チョッパ)型switching regulatorの仕組みについて説明したいと思う。 【続きを読む】

スイッチング電源を作ろう(イントロダクション)

「スイッチング電源を作ろう」と称し、何回かに分けてスイッチング電源の設計を行う。
前の連載と同じく、回路設計に関して述べているページが少ないと思ったのが連載を始めたきっかけ。
前の連載よりも、より実践に近い形で設計していく。そして、回路も少しだけ複雑になる。


■基本的なお約束
前の連載と同じなのでコピペで。

次のページから前のページへトラックバックを送信することとする。
全部の回が終了した時点で、全ページへのアクセスについて整理する。このため、連載中は各ページへのアクセスが不便になると思われるが、タグや検索を利用して見つけていただきたい。


当ページを参照するにあたっては、以下の条件を了解していただきたい:
1.当ページを見て、あるいはそれに関連して取得したいかなる情報による障害・損害等は
  当方では一切責任を負わない。
2.当ページで紹介する物は、動作を保証するものではない。「設計」という過程を
  つかんでもらい、トラブル発生時に自分で対処ができるようになることを主眼とする。
  動かない場合は自分で調査してもらいたい。(もちろん、できる限りのサポートは
  するつもりだが、答えを教えることはしない方針だし、自分が分かるとも限らない)

また、大前提として以下の点に注意していただきたい:
1.当ページの回路図は、最新のJISに従っていない。必要であれば、脳内変換すること。
  分からない場合はコメント欄やメールフォーム等にて質問していただきたい。
2.人間が作っているのだから、回路や設計に間違いがあるかもしれない。
  おかしいと感じた場合は質問・確認等をしていただきたい。
3.分からない場合は、「何がどう分からないか」をまとめて質問していただきたい。
4.一般的でないカタカナ表記はなるべく用いず、英語のままで記す。
  あくまで「なるべく」。筆者が忘れる場合があるので悪しからず。


最後に。
このページを見て、一人でも多くの方が回路設計に興味を持ってもらえたら幸いだ。


2009/09/13追記:
連載が終了したので、記事へのリンクを追加する。
【第1回】スイッチングレギュレータの仕組み
【第2回】仕様、そして構成
【第3回】基準電圧回路
【第4回】三角波発振回路
【第5回】誤差増幅回路
【第6回】スイッチング制御回路
【第7回】完成
【第8回】パターン設計
【第9回】製作
【第10回】動作

回路図エディタ

連載の合間に小ネタを展開してくれ、という要望があったのでちょっと書いてみることにする。
要望にあった回路図エディタの話。昔色々と試したが、pManがメインで使っているのは紹介する2つ。 【続きを読む】

安定化電源を作ろう(8)

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■さあ、完成だ

前回最後に示した基準電圧回路を前々回の回路に組み込むことで、いよいよ完成だ。

20090315 Series Regulator 30, originally uploaded by pman0214.


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安定化電源を作ろう(7)

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今回は基準電圧の安定化がお題。他の部分に関しては一切書きません。


■安定化するには

基準電圧を安定化するにはZener diodeを定電流で駆動すればいい、ということは誰でも納得してもらえると思う。そりゃそうだ。例え抵抗だとしても、一定の電流で駆動すれば一定の電圧を得ることができる。しかしながら、Zener diodeの場合にはある範囲の電流を流してやれば、それがどの値であっても許される。その値によって出力電圧が多少変わってしまうが、電流さえ変化しなければ安定度は保たれる。

で、どうするかということだが、せっかく余っているオペアンプのもう1回路を使うことにする。昔よく使われていた回路を示そう。

20090308 Voltage Reference 1, originally uploaded by pman0214.

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安定化電源を作ろう(6)

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■さぁいよいよオペアンプ導入だ

前回の予告通り、オペアンプを導入することにする。
実は超簡単だ。誤差増幅回路をオペアンプに置き換えればいい。終了。

というのはあまりにも無責任なので、ちょっと書いてみよう。
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安定化電源を作ろう(5)

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今回からオペアンプを導入すると前回書いたが、その前に前回最後に示した回路について少し考察してみよう。
無駄に図がでかいが、気にしたら負けだ。つーか、flickrにアップする際に図のサイズ調整するのが面倒なだけなので勘弁して欲しい。


■復習

前回最後に示した回路がある。多分、あの回路はまともに動かない。これは前回最後の方で少し触れた通り、TR_4の直流バイアス点が不適切だからである。マジメに2SC1815のデータシートを読むと、コレクタ電流100uAの時の入力抵抗h_ieは約30kΩ。なので、ベース電流1uAとしてベース-エミッタ間電圧降下は0.03Vにしかならない。
前回の回路を再掲しよう。 【続きを読む】

安定化電源を作ろう(4)

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※前回の記事はこちら


■安定度を上げよう

前回までの説明で超簡易版series regulatorができたわけだが、出力電圧変動に対しての調整機能が十分でないため安定度に欠ける。

そこで、前回の予告通り、今回は出力と基準電圧を比較して制御を行うfeedback制御を導入する。これはすなわち、第1回に書いた「出力電圧を見ながら制御」である。前回最終図におけるTR_1を制御するということは言うまでもなくお分かりいただけると思う。

実は前回までの回路でもfeedbackは導入されている。前回最終図のTR_1のベースは一定電圧であり、エミッタ電圧は出力電圧なのだから、出力電圧が低下するとベース-エミッタ間電圧が増えるので電流を増加させようという力が働くのである。しかし、この効果はそれほど大きくはない。自分で作ってみればどれくらいのものか分かるだろう。
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安定化電源を作ろう(3)

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前回は超シンプル版回路を示し、大きな問題があると書いて終わった。
今回はその問題点を示し、それを改善できる回路を示すところまで。


■何がまずいの?

前回の回路をもう一度示そう。

20090201 Simple Circuit 1, originally uploaded by pman0214.


この回路において、ベース電圧はZenerダイオードによって3.6Vになると書いた。だがしかし、ZenerダイオードのDatasheetを見て欲しい。5V付近のZenerダイオードは電流変化に対して電圧が割と安定しているにも関わらず、ここで使用している3.6VのZenerダイオードは電流変化で出力電圧がめちゃめちゃ揺れているではないか。
と、どうなるか。入力電圧が変動した場合にR_biasを通じて流れる電流が変化したり、出力電流の変化でベースに流れ込む電流が変化してZenerダイオードに流れる電流が変化したりするので、電圧が一定に保たれないことになる。
ダメぢゃん、と思った人。正解。この回路はダメダメなわけです。
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安定化電源を作ろう(2)

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今回は設計する電源の仕様を決めて、超シンプル版回路を示すところまで。


■何はともあれ仕様策定

設計を始める前に、仕様を決めないといかん。当たり前だ。仕様がある程度でも固まらないと詳細はおろか回路構成も決められない。もちろん、ごくごく一般的なものでいいのなら回路構成は決められるが、例えば100V 1A出力の電源と3V 100mA出力の電源では回路構成が同じでは済まないような気がするはずである。

Series Regulatorは効率が悪いので大容量の電源にはあまり向かない。ここでは小型の電源を作る想定とし、以下の仕様とする。
  入力電圧  :7.3Vくらい
         (交流6Vを全波整流したときの無負荷時出力はこれくらい)
  出力電圧  :3V
  出力最大電流:100mA
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コラム 素子定数とE系列

■素子定数とE系列

少しでも電子工作をした人なら気づいているかもしれないが、抵抗やコンデンサの値は1.0, 1.2, 1.5, 1.8などと、不自然にとびとびの値になっている。「どうせなら1.0, 1.5, 2.0, 2.5・・・とか規則正しくしてくれればいいのに」と思う人もいるかもしれないが、実は1.0, 1.2, 1.5, 1.8・・・は規則正しい値になっている。

実は、素子定数はE3, E6, E12, E24と呼ばれる系列に従っている。EはExponent(指数)のことで、1〜10までを等比分割した系列だ。
つまり、E3は10の3乗根、E6は10の6乗根、E12は10の12乗根、E24は10の24乗根をそれぞれn乗した値に近いものとなっている。
分かりにくいのでE12を例にしよう。10の12乗根は1.211。なので、
1
1.211
1.211^2 = 1.466
1.211^3 = 1.775
1.211^4 = 2.150
1.211^5 = 2.604
   :
となる。実際にはE24系列を1つとばしにした値をE12系列としている。また、2.7〜4.7の間は単なる四捨五入ではなく、抵抗値の比が使いやすくなるように調整している。
ということで、実際のE系列は以下の通り。

E24 E12 E6 E3
1.0 1.0 1.0 1.0
1.1
1.2 1.2
1.3
1.5 1.5 1.5
1.6
1.8 1.8
2.0
2.2 2.2 2.2 2.2
2.4
2.7 2.7
3.0
3.3 3.3 3.3
3.6
3.9 3.9
4.3
4.7 4.7 4.7 4.7
5.1
5.6 5.6
6.2
6.8 6.8 6.8
7.5
8.2 8.2
9.1

よほどのことがない限り、E12系列で事足りる。また、6.8や8.2はほとんど使わないようにするのが普通。一般的に、抵抗値は比で決めることが多いから、8.2などとなるときは繰り上げて一つ上の1.0にするのが普通だ。


ということで、この数値列を覚えておくと設計が楽になる。覚えなくとも、この数値列は設計時に重要になるので、どこかにメモることをお勧めする。