スイッチング ダウンコンバータ

 この回路は(MC1723)の参考図を元にオペアンプ仕様にアレンジして作成した物です。
FET式に改造した効率アップ仕様は写真などの後に記載でいます。

    一部変更しました、表示の配線図は最新です。
L1直後のコンデンサを(C3とC4各220μF)に L2を通って(C5 1000μF) に変更しました、
L1直後はリップルが大きく1個のコンデンサでは過熱しましたので2個にして衝撃を分散しました。
C3とC4はこのくらいの容量が能率や安定度が良かったです、C5は場所に余裕あれば大きい方が良いです。

Voltage Regulator IC も オペアンプも基本的にそんなに違わず、基準電圧と小出力トランジスタが
内臓しているぐらいなのでオペアンプでも殆んど変わりなく動作すると思い作成してみました。

    どうしてこんな回路でスイッチングが出来るのかを説明してみます。 始めはちょっと分からなかったのですが、723CEを使って元回路を数年前に作成しました、結果かなり良好だった事を思い出しジャンクの中から探し出し徹底的に検証しました。

スイッチング動作は比較的簡単なんですね、うまく考えてあるなあ、と みように関心したりでした。

まず電源を投入するとOPANPの+入力には+9Vがかかり−入力は+入力より小さいので出力を大きくします、するとQ1が動通しR9の電圧が大きくなりますのでOPANPの+入力がさらに大きくなりQ1が急速にON状態に移項します。
それでOPANPの−入力が+入力より大きくなると出力を下げる方向に作用してQ1は先ほどと反対に急速にOFFになりL1に溜まったエネルギーをD1を使って放出します。

たんにこの動作を電源の供給を止めるまで繰り返しますので安定した出力電圧になります。
R7とR9が正帰還をさせる回路です、たったこの2本の抵抗で発振させる巧妙な回路で関心しました。


 諸仕様 
入力電圧範囲 : DC 18V〜30V程度の非安定化電圧
出力電圧範囲 : DC 9V〜15V程度の安定化電圧
出力電流  : 出力トランジスタと放熱器(50×20×15ぐらいの小型もの)に合わ
  せて連続2Aぐらい
            
 主要部品 
L1は  : NEC/Tokin から通販で3個単位で購入できます、型番0H033Z 130μH 3A
  カタログで発熱が少ないと書いてありましたが連続2Aで45℃くらいになって
  います、ベストではないと思いますが以下を参照して判断願います。
   https://www.elisasp.net/nec-tokin/index.html
  このコイルにこだわらず探せば結構あります使ってみて発熱が小さければ
  使えます、特にこの回路では多少のインダクタンスの違いは構わないので
  適当に使って見るのが宜しいかと思います。
L2は  : ドラム径φ10mm 長さ10mmのコアにφ0.8mm ホルマル線をドラ
  ム径以内に巻いた構造のジャンクでリサイクル品てす。
  このコイルは、直流連続電流が比較的多い場所なので磁気飽和
  などの件から開放磁界型?のドラムコア型にしてみました。
  トロイダルコイルでは試してませんがφ1mmぐらいのホルマ
  ル線を適当なコアに少なめに巻いたもので良さそうな感じです。
  手巻きのコイルもテストしました、写真の後に記述。
オペアンプ: LM358N これが手持ちにあったので使用しました、GNDレベル付近での
  入出力が出来ればなんでも良い。
トランジスタ
またはFET
: 出力トランジスタは2SB791 120V 8A 40W ダーリントン、ジャ
  ンク基盤から取り外したリサイクル品ですこの程度の物なら何でも良い、
  他2SC1815×2です。
  FET仕様で作る場合は2SJタイプを使います、在庫が2SJ380があったの
  で使いました。
  Vdssが−60V以上あれば使えると思います、Vgssは−20Vが普通。
  他2SC1815 1個追加
ダイオード : D1 ショットキーバリアダイオード 5A
: D2 定電流ダイオード (石塚電気製 E−452 5mA品)
: D3 定電圧ダイオード VZ=9V 別に9Vでなくても良い
   がVZに合わせて電圧センサー部の15KΩを変更の事。
: D4 FET仕様に1S1555などのダイオード1個
コンデンサ: 入力側は1000μF 35V×2個
: 出力側は220μF 25V 2個 L2をかえして1000μF 1個に変更しました。
  08/11/11
  トランジスタ式では普通の電解コンデンサを使用しましたが
  FET式ではC3C4を超低ESR品を、C5aはセラミックコン
  C5bは普通の低ESR品を使用しました。  
抵抗 : すべて一般のカーボン皮膜抵抗 1/8〜1/4 Wを使用
  出力電流制限の電流検出抵抗は1.5Ω1/4W 8本を並列にして
  0.187Ω 2W を作成した。
  これでぎりぎり3.5A迄使える、テスト結果は条件にもよりますが出力
  0.1Ωで短絡するとこの回路定数ではに3.5A程度流れました。
  購入の場合は0.15Ω〜0.2Ω 3W〜5Wぐらいが良いと思います。
  最終は0.75sqのビニール電線、長さ15cmになる、詳しくは2台め
  FET式の記事参照。
 


これが完成したスイッチングレギュレータ参考写真です。
放熱器は寄せ集めでアルミ板90×23×5に小型の放熱器2個を裏側にねじ止めしました。

Powew Tr はトロイダルコイルの後ろに少し見えます左側にショットキーダイオードも放熱器にねじ止めしてあります。

手前の緑っぽいのが問題のL2です、右側2個の紫のコンデンサは入力側用で金色は定電圧ダイオードです、りっぱなダイオードです、その奥に定電流ダイオードがすこし見えます、放熱器側の青はVR1です。

現在は変更により左側のコンデンサとL2が違っています。


     観測波形の写真です。

ちょっと醜い写真で済みません

これはL1の直後でスパイクの無い三角波形ですが谷部は少し 円くなっていますが何故なのかは分かりません。

丸みは有った方がノイズの発生は少ないと思います。
出力電流=1.35A で観測。




これはちょっとピンボケ過ぎです、撮影技術はたんと駄目ですね。

L2を通ると綺麗なサイン波形になります、これで如何にノイズが少ないかよく分かりますよね。

オッシロのレンジは 5mV DIV です。


    市販されてるドラムコアーの手巻きサンプル図

このドラムコアは秋葉原のパーツ屋さんから5年ぐらい前に買ったものです。

図、左側がコアだけの様子で、右側がコイルを巻いて完成した図です。

コアの材質などは不明なので旨く動作するのか心配でしたが写真のジャンク品と交換して同じ条件で出力波形を観測しました、結果はまったく同じで上の写真と同じ状態が観測出来ました。

この事からL2はコイルの形状などはあまり問題にならない感じがします、この程度の装置ならφ0.8mmぐらいのホルマル線で充分かと思います、パーツ屋さんに行くと、すでに巻き線完了品しかない所も有ります、なぜか細い線を巻いたものが多いので、ほどいて巻きなおすのも良いかと思います。

写真のジャンク品よりコアの径が小さいので実装も楽です、特にトロイダルコアと比べると1/3ぐらいの実装面積です、またこのタイプのSW電源はこのL2がないと使い方によっては動作が不安定になる場合がありますので実装した方が良いとおもいます。

08/11/13 「L2交換試験完了日」


POWER Tr を FET に換えて効率アップさせた回路


      ノイズ対策の結果で C1、C2、C3、C4 は変わる可能性があります。

   ノイズ対策完了しました、出力側のコンデンサが追加変更になりました、配線図
   は最新です。
   08/11/22日のノイズ対策結果概要をご覧下さい。

   08/11/23 FETのゲートにON時の異常動作防止抵抗100Ω(R1b)追加
   08/11/24 FETにスナバーを入れてみました、詳細は以下の説明の項に記載。

  説明
 POWER Tr を FET に換え.る方法ですが、このような装置では初めてなのでちょっと悩みました、
ドライブ回路をどうすると言う事から検討を重ね上図の回路になりました。
変更になったのはQ2のエミッタをGNDに、R2が3.9KΩ R3が4.7KΩになりました。
追加になったのはQ4とD4です、FETのゲート容量はこの2SJ380で1100PFあります、高速
でON/OFFさせるためにONの時に蓄積された−電荷を高速に放出させるのがQ4の役目で
す、ONからOFFに移項するときQ4が導通してゲートの電位をソースの電位と同じにすると考え
られます、抵抗だけだと電荷の放出に時間がかかり発熱の原因にもなります。
 
このFET式はC3、C4はリップルが大きいので470μFを4個並列ぐらいが発熱対策と耐久性
向上に良いかと思います。
トランジスタ式と違ってC3、C4は容量が増えても異常な動きはしませんでした。
入力側はトランスを使う場合はC1、C2を2200μFにした方が良いと思われます。

効率は90%に近い値になり、放熱器はトランジスタ式の半分ぐらいの大きさで良いようです、新
規製作はこのFET式がお勧めです、FETによってはVdss が低いのも有りますから要注意です、
入力電圧の倍ぐらいを確保したいですね、この2SJ380は−100Vありますから余裕でした。

ゲートソース間は−20Vですからこれを超えないよう注意します、R1とR2の比で決まりますの
でゲートソース間電圧を下げるときはR1を小さくR2を大きくすれば良いと思います。

以上、FET移項記でした、FET移項テスト完了日  08/11/16日

11月18日 ちょっと深刻な問題が発生しました!!
効率アップは歓迎ですが、副作用とも言うべきかノイズが増加しました、ノイズレベルは市販さ
れているSW電源モジュール(HPH***)と同程度かと思います、FETはON/OFFの効率
はTrに比べて格段に良いのでノイズもそれなりに多くなるようです。
無線運用に支障がありますので対処しなければなりません、OSコンデンサ、とか、セラミックコン
があれば何とかなりそうな感じなので取り合えず、セラミックコンを通販ショップへ発注しました。
ノイズフィルターはこちらでも入手できますので何かのついでにでも購入して使って見ます。
ちょっと時間が掛かると思いますが結果はまたここに記載致します。

 ノイズレベル観察日   08/11/18日

 08/11/22 ノイズ対策結果概要
 セラミックコンデンサが到着したので配線図の様に出力側への追加変更いたしました。
他に黒丸の付いた出力側のグランドを最短でひとまとめにします、具体的には1.25SQぐらい
のビニールコードの被服を剥いてバラけないように軽くねじり黒丸印のグランドに半田付けでグラ
ンド面積の拡張をします、其のときに点線でつないである信号クランドには繋がないでそのまま
電流検出抵抗までのグランド拡張を済ませます。
その後点線のグランドを纏めて(ここは細くても可)オペアンプの4ピンに近い箇所から出力側の
グランドへ一点接続を済ませます。

この対策では未だ不完全でしたので、配線図の上側に書いたコモンフィルタを入力及び出力へ
入れてほぼ満足になりました。

コモンフイルタは手持ちのトロイダルコア、外形φ32mm内径φ18mm幅16mmが有ったので
0.5SQの赤黒コードを重ならない様に巻けるだけ巻いた物で結構効果有り、現在使っています。
3.5MHz帯の妨害がひどかったのですがこれで殆んど気にならない程度になりました。
アッパマンハムなのでアンテナが数メートル先にありますので特にひどかった様です、無線機から
6m離れているダミーロードへ切り替えると以上の対策前でも妨害は有りませんでしたので多分電
灯線をアンテナにして雑音電波を放射していた様です。
これで無線用のエコ電源が出来ました。

無線機はアンテナから入ってくる雑音電波にはとても弱いのですが、アンテナ以外からの妨害は
まったく問題なしです、ただしSSBの送信では変調時に問題が出るかも知れませんので可能な限
り、リップルやノイズのない電気を供給したいですね、各メーカーなどでも盛んに研究されて居るよ
うなのでクリーンなスイッチング電源、市販は間もなくでしょうね、以上でノイズ対策は終了ですが
またなにか変更など出ましたら其の都度報告いたします。

 08/11/24 FETにスナバーを入れてみました。
はっきり言って効果あります、CRの定数はいい加減ですが配線図の定数で細いスパイクはほぼ
消えました、入れるまえはL2の後のサイン波を上から貫通していたスパイクがオッシロスコープに
映らなくなりました、L1直後では三角波の上に少し見える程度でL2通ると無くなる様です、この程
度のスナバでは能率にあまり影響しない様です、ノイズは元から絶つと言う事になる様ですがこの
段階で完全に消滅しているかどうかは未だ分かりませんが、入れた方が良い様です。

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FET方式 2セットめの回路図


         基本的には同じですが、一部追加などがあります。

 OP ANPの6PNの電圧センサーにサーミスタを追加しました。
  理由
基盤が小さく電流検出抵抗やL1などから出る熱が基盤全体を暖め電圧が少しづつ
上昇する傾向を抑える為です、基盤の温度上昇が少なければ必要なしです。

 電流検出にOP ANPを使って見ました。
  理由
上記の基盤温度上昇は電流検出抵抗が主だったので何とかならないものかと考えたら
OP ANPが余ってますので検出電圧を増幅すれば 1/100 ぐらいの検出電圧で済みそ
うなので使ってみました。

  具体的に
配線図で分かりますがD3の9VをQ3のバッファーをかえして取り出しOP ANPの+−
入力への基準電圧を作り入力電圧を安定させます、出力電流のリターンがR4を通って
帰りますのでR4の降下電圧が100倍されてOP ANPの出力となりC1815をドライブ
して電源の基準電圧を降下させて過電流から装置を守ります。
R4に発生する電圧はノコギリ波ですからC6C8で平滑します、C6は大きいと遮断点が
始めだけ大きくなりますので10μF程度までにした方が良いです、ただし発振周期など
にも関係が有るようで状態を確認して最終決定が宜しいと思いますが、神経質になるこ
ともないです。
  結果は
ベリーグッドです、検出抵抗R4は配線用電線で 24 AWG の電線です、配線図に記載
してます、動作的には連続2Aで少し暖かくなり遮断電流値を3.5Aにセットしてますが
時間が立つと2.5Aぐらいに変わって来ましたので現在は0.75sq15cmにして使ってい
ます。
単に保護の目的なら配線図の記載されている通りで良いと思います。
0.75sq15cmで3.5A設定はVR2可変範囲ぎりぎりでしたので後5cmぐらい長い方が
良いと思います。
調節は4Aぐらい流せる抵抗があればつないでVR2を回して3.5Aとか適当な位置で固
定すれば良いです、私は無線機を送信状態にして合わせました、この段階ではまだ短絡
させない事、短絡テストは元電源の電流遮断装置の電流値を4〜5A位にセットして実行
すれば安全です。

  効果は
基盤の温度上昇が桁違いに少なくなったので効果は大きいです。
無駄なエネルギーを1/100にしたので温暖化防止に貢献できました、\(^-^)/


電流検出抵抗
配線図通り作ったものです。

24 AWG 15cmを線を三つ折りに して熱収縮チューブで保護します。



2台めの完成写真


基盤、72×48mm のユニバーサル
です。
放熱器は秋月の30P61です、この
様に長手方向にピタリと収まります。

サイズは61×30×30です。

余裕あり過ぎかな。

手前下の黒のチューブが検出抵抗
0.75sq15cmです、発熱なしです。


以上FET方式2台めのお披露目でした。

  感想
この2台めはなぜかノイズが少なめでした、理由は不明ですが、ユニバーサル基盤なのでランドの
状態が其の都度違いますし、部品配置とかも関係ありそうで同じものが出来る保障は有りません
が近い物は出来る様です。

気が付いた事ですがオッシロスコープの基準点(プロープのグランド側)をFETのソースへつなぎ
FETのDを観測したらFETがOFFになるときに発振波形が観測出来ました、ノイズとか効率に関係
しそうですが、配線図に描いてあるスナバをつなげば発振波形はなくなりました、ドライブ回路も関
係ありそうですが、もう少し研究の余地がありそうです。

FETを2SJ349 60V20Aに変えて見ました、結果は2SJ380と変わりませんでしたので、現在
そのまま使っています。

出力側のコンデンサ、C3C4は超低ESRタイプを千石電商から通販で購入できましたので使いまし
た、C5bは普通の低ESR品です、OS−CONも使って見たかったのですが、ちょっと値が張ります
もう少し安くなれば使ってみたいです、いまここで思い出しましたが上記部分にノイズが少なめと書き
ましたが、もしかしたら超低ESRコンデンサの効果だったのかも知れませんね。

写真でも確認できますがL2は細い巻き線を取り去りφ0.8mmのホルマル線を10回弱巻いて作
りました、これは有った方が良いです。

以上、2台めFETの感想記を終わります、また以下の記載事項は全体に関係した事なので何かの
参考にでもなればと思います。
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   記

     製作して感じた事柄の概要
  設計と言う大げさな物ではないが配線図は10月31日に完成しました、作成にあ
 たりパーツを在庫部品から集めてみみました。
 オペアンプは単電源で限りなく0V付近まで入出力が可能なタイプが良いので物色
 したら以前、秋葉原の秋月電子で購入したLM358Nが10個見つかりました、
 他にいろいろ有りましたが単電源で0V付近までの動作可はこれだけでした。
 
 製作前に単電源で0V付近の動作を確認した所0.5V付近でも安定した可変電源が出
 来る事が確認出来ましたので決定です。

 どうしても無かったのは電流検出用の抵抗です、抵抗1本だけの買い物だとたとえ
 車で20分の距離てもガソリン高騰のおり結構高い物になり購入は断念しました。
 さて如何する、結局1.5Ω 1/4Wを8本並列が使用目的にピッタリとわかり作
 成しました、方法は至って簡単写真でも分かりますが2SQの圧着端子で8本束ねて
 圧着し端子の不要部分をニッパーでカットしてリード線をつけて一件落着です。

 9V〜15Vの電源だけなら4588とかのありふれ品のオペアンプでも問題なく
 動作確認出来ましたが短絡テストを実験したら物の見事手にパワートランジスタが
 昇天しました、短絡時は基準電圧は0V付近まで下がります、4588の単電源で
 はオペアンプとしての動作は停止します、よって制御不能になり大電流が流れ致命
 的なダメージが起きます。
 保護回路ですからもっと良い回路があると思いますが短絡状態でも発振状態を維
 持させる条件を考えるとこの方法以外は思いつかなかった、勉強せねば!!

 この手のテストは元となる装置に出力電流調節機能がある物を使ってパワートラン
 ジスタの許容電流以下で行うのが宜しいようです。

 今回の回路ではオペアンプの5番ピンにつながっている2個の1KΩと10μFの
 コンデンサそれと2SC1815のベースのコンデンサや2KΩの抵抗は値が半分
 くらい違っても問題なしですが5番ピン側の10μFのコンデンサは無いとなぜか
 、制御不能になり壊れます、 要注意です。

 この方式は結構良い事がありました、能率は85%以上あります、スイッチング方
 式の欠点であるノイズが非常に少ないです、アマチュア無線を楽しんでいますが
 ノイズが無い電源は重宝します。
 殆んど受信しているだけの状態が主です、秋月電子のHPH***タイプも何台か
 作りましたがノイズの影響を少なくするには結構大仕事でした、今回の回路はノイ
 ズが非常に少ないのです、オッシロでの観測で三角波形は確認出来ましたが一般
 的な細いスパイクは見えませんでした。

 発振周波数は周波数カウンタで1.5Aほど流れた時に20KHz少々を確認しまし
 た、多分L1のコイルと出力側のC3とC4や入力側のコンデンサまた出力電流
 などによって決まる周期かと思われます。

 スイッチングタイプの平滑回路には低ESRタイプのコンデンサが良いと言うのが
 一般的ですがこの方式ではその必要は感じられませんでした。
 ちょっと気が付いた事はバッテリーを充電すると能率悪化で放熱器が加熱する現
 象が確認できました。

 それでL1の直後のコンデンサをトータル4000μF程度にしたら抵抗負荷でも放
 熱器の加熱が確認されました。
 なぜかなといろいろ考えまして、もしかしたらコンデンサが3個になったのでESR
 が下がり系の位相が変わっての現象かななんて考えたりして悩みました。
 取り合えず1000μF1本にしたら加熱しなくなりました、多分バッテリーを充電
 するときも大容量のコンデンサと同じ感じだったと思われましたのでL2を入れて容
 量遮断??をしたらどうなるかと思いドラムコア型コイルがあったので使ってみまし
 た。

 結果は、何故か放熱器の加熱現象がなくなったと同時に出力波形が三角波からサイン
 波になったりの良い事ずくめになった。
 おまけにバッテリー充電中の過熱現象もなくなりました。
 
 この様な動作からL1直後のコンデンサを220μF2個にL2を通して1000μF
 に変更 しました、能率が少し良くなった感じがします。

 波形が綺麗になったので出力側からのノイズは無線機で観測してもわかりませんでし
 た何故でしょう不思議な回路です。
 L2は制御ループ外なので電圧ドロップはどの程度かと思いデジタルテスターでチェ
 ックしたら1.5A流して0.1Vくらいのドロップを確認しましたが殆んど問題な
 いレベルです。

 スイッチング方式の動作は強制的に回路を断続するのが主ですが、今回の回路は回路
 全体が作用して断続を継続する自励式の元祖的な回路なのでノイズや能率の面んで良
 い方向に作用しているように感じられました、またL2を入れて容量遮断をするのも
 回路の安定動作に関係している事も確認出来た様な気がします。
 
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  FET方式に関して
 トランジスタで動作していた装置をFETに交換したらどの様な結果になるか興味が
 あり検討し実行してみました、結果は効率が90%近くまで上昇しました、トランジ
 スタでは良くて85%ぐらいまでですので、かなり良くなったと感じます、しかし副
 作用と言うべきかノイズが多くなります、記述した対策でほぼ実用に耐えますがなぜ
 ノイズが多くなるのかちょっと気になり、また再現性はどうなのかを検証する為FE
 T方式2セットめを作ってみました、結果は記載した通りでほぼ似たような物が出来
 る様です。

 それでは
 これにてこの装置の説明などを終わらせていただきます、最後まで見ていただき真に
 有難う御座います、またこれを見て製作などされる場合はすべて自己責任下で実行し
 て下さいますよう宜しくお願いいたします。
 
   2008年11月5日