◆定電圧回路
オペアンプを使った定電圧回路はシリーズレギュレータの基本形です。市販の3端子レギュレーターなどはほとんどが内部にオペアンプを持っています。また、スイッチング電源でもこれと似たようなオペアンプ回路を使って出力電圧を監視しています。
◆この回路の動作
出力電圧は抵抗R1とR2で分圧されてオペアンプの-入力端子に入ります。この電圧を-とすると、
V-=Vout*(R2/(R1+R2))・・・(1)
オペアンプの+入力端子はツェナーダイオードによって発生させられた定電圧が加わっています。そして、オペアンプの出力は定義にしたがって、
Vo=A(V+-V-)
になります。この電圧がトランジスタのベースにかかるので、トランジスタのエミッタ、すなわち出力電圧Voutはこの電圧よりもVf低くなります。
Vout=A(V+-V-)-Vf・・・(2)
(1)式から、
Vout=V-×(1+R1/R2)・・・(3)
と求めます。
(2)式から、
V-=V+-(Vout+Vf)/A
と求めて、これを(3)式に代入します。ところで、オペアンプの裸利得AはVoutやVfに比べて非常に大きいので、その項は無視してもよくなります。結局、出力電圧は、
Vout=V+*(1+R1/R2)
となります。
◆注意点
いくつか注意しなければならない点があります。ツェナーダイオードで作る定電圧(これが基準電圧になる)がちゃんと安定していないと、出力は安定しません。
ツェナーダイオードの両端の電圧は安定はしていません。実は流れる電流によって若干かわってしまいます。さらに、温度によっても大きく変わります。→豆知識第一章ツェナーダイオードを使いこなすを参照。
それから、当然ながら定電圧電源の入力と出力には平滑コンデンサを入れておかなければなりません。また、平滑コンデンサにはセラミックコンデンサなどを並列にすることも忘れてはいけません。
たとえば、この回路で1Aの電流を取り出したいとします。するとトランジスタには1Aの電流が流れます。回路の出力電圧が5Vで、入力電圧が11Vだとすると、トランジスタで4Vの電圧降下を起こします。1A流れているのでトランジスタは7Wの電力を消費していることになります。これはかなり熱くなります。トランジスタが熱くなることで、まわりの回路に熱を与えて、定電圧が狂ってしまわないように注意しなければなりません。もちろんパワートランジスタと放熱器を使うのがベストです。
さらに、1A取り出すときには、トランジスタのベースにはそのhfe分の1小さな電流が流れます。普通の回路ではベース電流が数mAであることが多いのですが、この手の電源回路では数10mA流れることも珍しくありません。そうなると、オペアンプがその電流を出力できるかどうか、ちゃんと確認しなければならないことになります。正しく作ったのに、取り出せる電流が少ないというときはhfeとベース電流を疑ってみてください。
◆回路の発展
この回路は定電圧回路の基本形です。おそらくほとんどの定電圧回路がこの形をベースに発展しています。重要ポイントは、出力電圧を抵抗で分圧して、それと基準電圧を比べることにあります。
出力電圧の分圧が基準よりも低い場合は、出力が低下しているということなので、回路は何らかの出力増強手段に出ます。今回の回路ではベースの電圧を増やすという方法でした。一方、多くのスイッチング電源では、ON時間を長くしたり、発振を増やしたり、そのような方法で出力の増加を行います。
出力電圧が基準より高い場合は、その逆の動作をします。この回路ではベース電圧を減らしますが、スイッチング電源ではOFF時間を長くしたり、発振を間欠発振にしたりします。
そうして、常に出力電圧が一定になるようにコントロールしているわけです。
さて、トランジスタには必ずコレクタエミッタ間飽和電圧というものがあります。コレクタからエミッタに抜けた電圧は必ず電圧以上の電圧降下を引き起こすというものです。さらに、トランジスタのエミッタはベースの電位よりもかならずVf低いという特徴があります。普段はこの問題は苦にならないとはおもいますが、低ドロップ型の電源を作りたいときには、この辺の戦いになるでしょう。
簡単な解決策は、P型MOS-FETを使うことです。それから、オペアンプはレールツーレール品を使うことです。
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この回路は差動増幅器を発展させた回路の例です
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