ここで説明する実際の降圧コンバータ回路は、3 つのトランジスタのみを使用し、非常に簡単に作成できます。シンプルな回路ですが、高効率です。
この回路を使用して、12 V または 9 V 電源入力などのより高い入力電源から 3.3 V LED を駆動できます。
降圧コンバータの設計は、LED の代わりにより高い定格負荷で動作するように簡単にアップグレードすることもできます。
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バック コンバータ トポロジの基本的な動作
下の図を参照して、理解してみましょう 「バック」コンバータまたは「ステップダウン」コンバータの仕組み .降圧コンバータ回路を使用すると、より高い入力電圧をより低い出力電圧に変換できます。その基本的な動作モードは次のとおりです。
スイッチ S が押されるとすぐに、インダクタ L の両端に正の電圧が発生します。これは、Uin が Uout よりも高いためです。コイルは最初、瞬間的な電流の流れに抵抗しようとします。その結果、コイルの電流が直線的に増加し、エネルギーがコイルに蓄積され始めます。
次に、スイッチ S が開くとすぐに、蓄積された電流がコイルを通ってダイオード D を通って出力コンデンサに流れます。
コイルの両端の電圧 UL が負になるため、コイルを流れる電流は直線的に減少します。出力は、コイルに取り込まれて蓄えられたエネルギーを受け取ります。ここで、スイッチ S が再び閉じられると、手順が新たに開始され、スイッチのオン/オフ操作が繰り返されます。
動作モード
出力に現れる電圧は、スイッチ S の操作方法によって決まります。下の図によると、電流の流れには 3 つの基本的なタイプがあります。
- コイル内を流れる電流がゼロに達していない点でスイッチSが閉じていると仮定すると、コイルには常に電流が流れます。これは「連続モード」（CM）と呼ばれます。
- 図 2(b) に示すように、電流がサイクルの一部でゼロに達することができる場合、回路は「不連続モード」(DM) で動作しています。
- コイル電流がゼロに達したちょうどその時にスイッチが閉じられている場合、これを CM/DM リミット動作と呼びます。
つまり、降圧コンバータでは、スイッチの「オン」期間を調整することで、出力電圧と電力の両方を変更できます。これは、マークスペース比とも呼ばれます。
“AC回路とDC回路 ”
それは十分な理論です。それでは、単純な実世界の回路を調べてみましょう。
実用的な降圧コンバータの設計
次の図は、3 つのトランジスタと他のいくつかの受動素子のみを使用した単純で実用的なバック コンバータ回路を示しています。
次のように動作します。
この回路のスイッチ S は、トランジスタ T1 で表されます。降圧コンバータのその他のコンポーネントは、ダイオード D1 とコイル L1 です。
回路に電源が投入されるとすぐに、R3 が T2 にベース電流を供給し (D2 の順方向電圧仕様が 0.7 V より大きいため)、T2 がオンになります。
T2 が導通すると、T1 がベース バイアスになり、T1 も導通し始めます。この状況では、ポイント P の電圧が上昇し、T2 の導通がさらに激しくなります。
“半波整流回路 ”
点 P の電圧が 9 V に達すると、L1 を流れる電流が増加し始めます。コイルの両端の電圧とそのインダクタンスの両方が、コイル内の電流が増加する速度に影響します。
コイルの両端の電流が増加すると、R1 の両端の電圧が減少します。この電位が 0.7 V (約 70 mA) に達するとすぐに、T3 がオンになります。これにより、T1 のベース電流がすばやく除去されます。
L1 の電流はもはや増加できないため、点 P の電圧は減少し始めます。その結果、T2 がオフになり、続いて T1 がオフになります。
L1 を介した電流は、ゼロになるまで D1 を介して流れます。これにより、T2 の電圧が再び上昇し、プロセスが新たに繰り返されます。
トランジスタは正帰還を持つサイリスタとして動作し、発振を引き起こします。 T3 は、T1 が所定の電流で遮断され、回路が CM/DM 制限モードで動作することを確認します。
高負荷用に回路をアップグレードする
LED を点灯させる代わりに、この回路を使用してより高い定格負荷を動作させることができます。しかし、負荷が高くなると、降圧コンバータが発振しないことがわかります。
これは、起動時に R3 が T2 をオンにするのを妨げている負荷によるものです。
この問題は、ポイント P と T2 のベースの間にコンデンサ (0.1uF) を配置することで回避できます。
もう 1 つの賢明な方法は、出力の両端に 10 F の電解コンデンサを接続して電圧を平滑化することです。
降圧コンバータは、電圧源ではなく電流源として機能し、安定化されていません。ただし、ほとんどの単純なアプリケーションでは、これで十分です。
構築方法
- ステップ 1: 20 mm x 20 mm の汎用ストリップ ボードを用意します。
- 手順 2: サンド ペーパーで銅面をきれいにします。
- ステップ#3: 抵抗器とダイオードを取り、本体とリードの間に 1 mm の距離を残してリードを曲げます。
- ステップ#4: 抵抗器を PCB に挿入し、はんだ付けします。余分な長さのリードをカットします。
- ステップ＃5：回路図に示されているのと同じレイアウト位置に従ってトランジスタを挿入します。リードをはんだ付けし、延長リードをトリムします。
- ステップ#6: 次に、インダクタを挿入し、はんだ付けして、リードをトリミングします。
- Step#7: 最後に、コンデンサと LED を挿入し、リードをはんだ付けします。余分なリードをカット
上記の組み立てが完了したら、回路図を参照して、さまざまなコンポーネントのリードを慎重に相互接続します。これは、以前に切断した、トリムされたリード線の断片を使用して行います。
銅面からリードを直接接続できない場合は、PCB のコンポーネント面からジャンパー線を使用できます。
テスト方法
- 最初は LED を外したままにしておいてください。
- 回路に 9 V DC を適用します。
- LEDが接続されるはずのポイント間の電圧を測定します。
- 3 V から 4 V 程度である必要があります。
- これにより、降圧コンバータが正しく構築され、正しく動作していることを確認できます。
- 電源をオフにして、LED を元の位置に戻すことができます。
- DC を再度オンにすると、最大効率で 9 V DC 入力から LED が明るく点灯することがわかります。
効率の測定方法
効率を測定するには、電流計を 9 V DC の正のラインに直列に接続します。
次に、電流の読み取り値に電圧 (9 V) を掛けることができます。
結果は、LED のワット仕様より約 20% 高くなる可能性があります。
これは、降圧コンバータ回路の効率が 80% であることを証明する可能性があります。
