マルツ |
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パーツまめ知識 |
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帰還型定電圧回路 |
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◎帰還型定電圧回路とは? |
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定電圧は負荷が変動しても出力電圧が一定でなければなりません。 |
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オペアンプを用いた定電圧の方式例を図1に示します。 |
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この方式は「帰還型定電圧回路」と呼ばれるもので、出力Voutが変動しても変動分を検出し、 |
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自動的に出力の変動を抑えて、一種の帰還ループを構成しています。 |
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このような方式を「帰還型定電圧回路」と言います。 |
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基準電圧は安定した電圧で、Voutと基準電圧を比較し、 |
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その差がなくなるようにTR1を制御します。 |
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この方式は「シリーズドロッパ(シリーズレギュレータ)」方式の直流安定化電源に良く |
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用いられます。 |
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比較回路の具体例を図2に示します。 |
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特に、「誤差増幅器」と呼ばれ、この例ではオペアンプを用いていますが、トランジスタでも |
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構成することが出来ます。 |
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動作原理は以下のとおりです。 |
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VoutをR1,R2で分圧した電圧と基準電圧Vrefをオペアンプで比較します。 |
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オペアンプは負帰還をかけた場合、その性質によりオペアンプのプラス端子と |
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マイナス端子はバーチャルショートですから同電位です。 |
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この時、オペアンプの出力はTR1のベース・エミッタ電圧VBEだけ |
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Voutから高い電位になります。 |
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結局、TR1のベース・エミッタ間を抵抗と思えばVrefが入力電圧の「非反転アンプ」です。 |
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したがって、この回路の出力Voutは、 |
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◎シリーズレギュレータへの応用例 |
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応用例を図3に示します。 |
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★仕様 |
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表1 |
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出力電圧可変範囲 |
0V〜18.4V |
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出力電流 |
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300mAmax |
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入力電圧 |
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24V |
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出力保護 |
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出力電流300mA以上で電流制限 |
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入力は市販のスイッチングACアダプタ(DC24V)を利用し、 |
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今回はLinkmanのSTD-24010Uを採用しました。 |
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この電源は24V/1Aですから、最大1Aまでは電流を取ることは可能ですが、 |
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シリーズレギュレータ部の放熱を考慮し、最大300mAとします。 |
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★各部の設計 |
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@ トランジスタTR1の選択 |
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ベース電流はオペアンプで駆動しますので、オペアンプの駆動能力を1mAとすれば必要なhFEは |
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300mA / 1mA = 300 |
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です。一般的なトランジスタではhFEは100〜300ですからこの部分はダーリントンタイプまたは |
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hFEの大きなトランジスタが必要です。 |
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コレクタ損失PcはVoutが低いときが最大となります。 |
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このVoutを1Vとし、その時の最大電流が300mAですから、Pcは |
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Pc = VCE×Ic = (24V - 1V) × 300mA = 6.9W |
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耐圧(VCEO)はVinが24Vですからこの値の2倍以上必要です。 |
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以上の条件を整理すると、 |
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hFE = 300以上 |
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Pc = 20W以上 |
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(必要な6.9Wに対して3倍のマージンとした) |
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VCEO = 50V以上 |
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これらの条件から今回はダーリントンの2SD1785を採用しました。 |
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その主な規格を表2に示します。 |
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※【2SD1785】汎用パワートランジスタ(ダーリントン)
120V/6A |
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表2 2SD1785 |
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項目 |
定格 |
備考 |
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VCEO |
120V |
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Ic |
6A |
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Pc |
30W |
Tc = 25℃ |
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hFE |
2000min |
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パッケージ |
TO220F |
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A オペアンプIC1 |
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単電源用で電源電圧が24Vですから、今回はLM358を採用しました。 |
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※【LM358N-N】低消費電力デュアル汎用オペアンプ |
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B 基準電源 |
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ここの性能(安定性)で安定度が決まります。 |
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今回は基準電圧用のTL431を採用しました。これにより基準電圧は2.5Vとなります。 |
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出力電圧Voutはこの基準電圧をボリュームにより可変することにより、 |
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0Vまでの可変が可能になります。 |
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※【TL431CP】Adjustable Shunt
Regulator.8PDIP (得)特選品 |
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C R1,R2 |
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仕様から0V〜18Vとなるように値を決めるわけですが、この値は1KΩ以下では抵抗の |
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消費電力が心配になります。 |
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例えば、Voutが16Vの場合、かなりの消費電力になりますので、一般的な 1/4W の |
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抵抗を使うためには数KΩ以上の値にしなけれがなりません。 |
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今回は R1 = 30K, R2 = 4.7K として、 Vout = 0V〜18.4V としています。 |
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なお、この部分の抵抗は金属皮膜抵抗を使います。 |
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(理由は設定誤差と温度係数を考慮) |
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D C2 |
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オペアンプの発振防止用コンデンサです。数10pF以上にします。 |
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ここでは100pFとしました。 |
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E TR2とR4 |
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ここは出力Voutがショート時の保護と出力電流の制限(リミット)をしている部分です。 |
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動作原理は図4のようにR4を流れる電流により、TR2のベース・エミッタ間に電圧が発生し、 |
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この値がトランジスタがONするための電圧0.7V以下であればTR2は動作しなく、 |
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TR1へは影響を及ぼしません。 |
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この値が0.7Vを越えるような電流が流れればTR2がONし、結果としてVoutが下がり |
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電流は一定となります。 |
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この特性を図5に示します。 |
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TR2がONする電流条件は |
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I = V / R |
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です。 V = 0.7 R4 = 2Ω とすれば |
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I = 0.7V / 2 = 0.35A |
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となります。つまり、出力電流が0.35A以上で出力がリミットされます。 |
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R4は最大0.35A流れますので、この部分での最大消費電力は |
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P = 0.35×0.35×2 = 0.245W |
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となり、ここでは余裕を見て
2W タイプの抵抗とします。 |
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以上の計算はTR2がONするベース・エミッタ間を0.7Vと仮定しています。 |
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実際にはこの値は0.7Vになるとは限らないので、製作時に動作確認しR4の値を |
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決定することにします。 |
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なお、今回は最大出力電流を300mWとしましたが、この値を大きくすることは可能です。 |
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ただし、用いる放熱器によりTR1(放熱器)の表面温度が高くなりますので、 |
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出力電流の仕様については動作確認で決定することにします。 |
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F出力表示 |
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少し使い勝手を良くする目的で、「出力スイッチ」および出力ON状態を表示する |
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LED2を追加することにします。 |
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余ったオペアンプの1回路をコンパレータとして用い、出力電圧が約1V以上で |
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LED2が点灯します。 |
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なお、「CHK端子」は出力ON前に設定電圧を確認するテストポイントです。 |
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★部品表 |
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表3 |
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部品番号 |
部品名 |
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型番 |
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メーカー |
数量 |
備考 |
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C1 |
ケミコン10μF/50V |
50YK10 |
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Ruby-con |
1 |
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C2 |
セラコン 100pF |
CCDC50V100P*10 |
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1 |
数量注意 |
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C3 |
ケミコン47μF/50V |
50YK47 |
|
Ruby-con |
1 |
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C4,C5 |
セキセラ 0.1μF |
CT4-0805B104K*10 |
Linkman |
2 |
数量注意 |
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D1 |
基準電圧IC |
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TL431CLPE3 |
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TI |
1 |
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IC1 |
オペアンプ |
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LM358N-N |
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NS |
1 |
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J1 |
DCジャック |
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MJ14ROHS |
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マル信 |
1 |
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LED1 |
LED Φ3 赤 |
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1 |
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LED2 |
LED Φ3 青 |
|
LLED-B301 |
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Linkman |
1 |
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R1 |
金属皮膜抵抗
30K |
1/4WキンピR
30KΩ |
KOA |
1 |
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R2 |
金属皮膜抵抗
4.7K |
1/4WキンピR
4.7KΩ |
KOA |
1 |
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R3 |
カーボン抵抗
1.8K |
1/4WカーボンR 1.8KΩ |
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1 |
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R4 |
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1 |
要調整 |
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R5,R6 |
カーボン抵抗
7.5K |
1/4WカーボンR 7.5KΩ |
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2 |
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R7 |
カーボン抵抗
47K |
1/4WカーボンR 47KΩ |
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|
1 |
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R8 |
金属皮膜抵抗
220K |
1/4WキンピR 220KΩ |
KOA |
1 |
|
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|
R9 |
金属皮膜抵抗
10K |
1/4WキンピR
10KΩ |
KOA |
1 |
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R10 |
カーボン抵抗
22K |
1/4WカーボンR 22KΩ |
|
|
1 |
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|
R11 |
カーボン抵抗
4.7K |
1/4WカーボンR 4.7KΩ |
|
|
1 |
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|
|
R12 |
カーボン抵抗
10K |
1/4WカーボンR 10KΩ |
|
|
1 |
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|
S1 |
スライドスイッチ |
5FD1-S1-M2-S-E |
Linkman |
1 |
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|
TR1 |
トランジスタ |
|
2SD1785 |
|
サンケン |
1 |
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TR2,TR3 |
トランジスタ |
|
2SC1815Y(F) |
|
東芝 |
2 |
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VR1 |
2連ボリューム50K,B |
RD925G-QA1-B503 |
Linkman |
1 |
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|
ユニバーサル基板 |
LUPCB-7247-NS |
Linkman |
1 |
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放熱器 |
|
T220N(55)-25 |
|
水谷 |
1 |
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|
ACアダプタ
24V |
STD-24010U |
|
Linkman |
1 |
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ボリューム用つまみ |
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1 |
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金属スペーサ、ビス |
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1式 |
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チェック端子 |
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1式 |
橙黄茶 |
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(VR1) |
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2連である必要は無い。基板実装タイプ。 |
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(R4) |
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希望する電流リミットとなる値。 |
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筆者は「1.3Ω+1Ω=2.3Ω」とした。 |
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(放熱器) |
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この放熱器はトランジスタ取り付け用の穴が空いているので、実装に便利。 |
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★製作 |
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ケースに収納していませんので、DCジャックの端子部の絶縁に注意します。 |
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なるべくなら、ケース収納をお勧めします。 |
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★動作確認 |
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ケース収納していませんので、放熱器を触る可能性があります。 |
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あまり温度が高いと危険ですので、TR1の表面温度を測定しました。 |
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図6に測定結果を示します。 |
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(条件) |
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・室内 |
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・5V出力/0.3A |
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・電源ON30分後 |
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温度上昇分として「51℃」の結果です。例えば、夏場に周囲温度が30℃であったとすれば |
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TR1の表面温度は 30 + 51 = 81℃ になるということです。 |
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0.3A連続動作を行わなければ、この温度までにはなりません。 |
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結論として、この温度上昇で可と判断しました。 |
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「出力電圧特性」を表4およびグラフ1に示します。 |
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表4 |
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出力電流 |
出力電圧 |
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出力電流値(負荷電流)によらず、出力電圧が |
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0 |
5.001 |
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一定となっています。 |
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50 |
5.001 |
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(つまり、定電圧動作) |
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100 |
5.001 |
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150 |
5.002 |
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また、出力電流が350mAで保護機能が働き、 |
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200 |
5.003 |
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この時の出力電圧は0.47Vと下がっています。 |
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250 |
5.004 |
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|
300 |
5.005 |
|
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|
350 |
0.471 |
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