改めて、555の昇圧回路を考え直す （改）

昨日の、555のDCDC昇圧回路。スイッチング動作
の周りをもうちょっと見直してみる。





とりあえずやっぱ、まずはパワTRを論理反転させて
スイッチングを行う部分の回路を考え直す。

反転するってことは、デジタル回路なら普通に
インバータ使えばいいんだけど、インバータって、
内部回路は複数の半導体素子で組み合わさって
できてるので、それをディスクリートでやると
なると、部品いっぱいになっちゃう。

必要なのは、パワTRをオンしたいときだけベース
に電流流し込んで、それ以外は完全に絞ること。

でも、555と出力側の電源電圧が異なってるので、
単純にはいかない。
NPNで反転させようとすると、パワTRオフにしたい
時にはベース電流分を捨てるような動作になっちゃう。

じゃぁ、ベース電流を制御するTRをPNPにしたら？
と思うと、また元の木阿弥に戻っちゃう。




方向性を大きく変更してみる。出力電圧をフィード
バックするときに、強弱（高低）を反転できないかな？
と。

反転するだけなら簡単なんだろうけど、555のCV端子の
内部回路を踏まえて動作させないとうまくいかない
だろうと思うので、しばし熟考。

NPNトランジスタのVbe電圧を境目にして、うまいこと
反転させる方向性で考えてみる。

できた回路がこれ。




例によって、これらを3つに分割したのがこれら。

まず左側。


真ん中。


右側。



真ん中の図の右端あたりが、電圧のフィードバック
を行うための部分。

出力電圧を、ここでは13kと1kで分圧して、この分圧
した電圧がVbeより高くなればTRがオン、低い間は
TRはオフとなり、結果、TRのコレクタ側はそれぞれ
その逆の動作となる…はず。


ひとまずNE555を想定して、コレクタ側には5kの抵抗
をくっつけておく。（MOS版のLMC555の場合は、ここは
100kΩにする）

これで、CV端子には、電圧が高いときには低く、
低い場合には高い電圧になって入力されることに。

結果、電圧が高い場合には短いパルスが、低い場合
には長いパルスが出るはず。

これで、パワTRの制御は反転が不要で、そのまま
オン／オフすればいいので、NPNのパワトラを直接
ドライブするように変更。



動かしてみる。



こんな感じ。

赤は例によってインダクタを流れる電流。青は
隠れちゃってるけど左側の555からの矩形波。
緑は出力電圧。
そして水色は、中央の555のOUT端子出力。

定常状態になってからの波形をアップにしてみると、



こんな感じ。
昨日のと比べると、水色の波形が反転してるのが
わかる。

つまり、青の立下りをトリガにして、水色のワンショット
の波形が出力されて、それによってパワTRがオンに
なってインダクタに電流が流れて（赤色の上昇）、
少し経つとワンショットパルスがオフになると、
パワTRはオフになって、インダクタに溜まってた
磁束が電流になって流れ出す。流れきると止まる。

といった動作。うん。お手本のようだ！



うまいことに、Vbeを境にして、リニアな制御される
わけじゃなく、非線形な感じで働くので、電圧が
設定値に近づくまでは結構急速に近づいて、設定値
付近になったらピタリと収束していく感じ。


単なるP制御（電圧の差に比例したパルス幅）ではなく、
非線形な感じになったおかげで、設定電圧に至る
までの時間が短くなったな。イイカンジだ。
なんといっても、555以外の能動素子はNPNトランジスタ
が2個だけ。しかも、だいたい汎用品で大丈夫。


パワTRは、2SC2120とか使えると便利なんだけど、
シミュレーションのグラフ見る限り、もうちょっと
大電流流せるTRが欲しいところだな。
（というか555の出力端子に繋いだ300Ω抵抗
　次第だけど…）

1Wくらい取り出すなら、大き目のトランジスタ
必要だけど、0.2～0.3Wくらいなら、2SC2120程度
でも十分だろうって気がする。800mA流せるし。


もう1個の、フィードバック部分のトランジスタは
2SC1815でもなんでもいいと思う。電流は殆ど
流れないので。Vbeが1V前後のトランジスタから
適当に。




パワTRのほうは、ある程度の大電流が流せれば、
別になにを使っても構わないと思うんだけど、
いくつか考慮点が。

ダーリントンTRを使っちゃうと、電流制限抵抗の
300Ω抵抗（555のOUT端子についてるやつ）では
小さすぎて、始動直後のスイッチで大電流が
流れすぎちゃう気がする…。

電源の容量を超えて搾り出すようだとまずいので、
hFEを加味して、流れすぎない定数設定が必要かな、
という気がする。


あと、いまは30kHzくらいで発振させてるんだけど、
ワンショットパルスの出し方変えたので、もっと
周波数上げちゃって、インダクタも22uとか33uとか
で一気に大電流流し込めるようにして、ガンガン
動かしたほうが大出力に対応しやすいだろうな、と。

逆に、オペアンプ1個だけ動かしたい、みたいな
小出力でいいなら、今の構成でも十分かなぁと。
この定数、殆どそのまま使ってみても、1Wくらい
（12Vで100mAくらい）なら普通に取り出せる感じ。


うん。なんかイイカンジになってきたぞ。
これなら、一度回路組んでみて（定数はいろいろ
とっかえひっかえできるようにして）、実験回路
動かしてみたい気がしてきた。

改めて、555の昇圧回路を考え直す

555タイマのDC-DC回路、こないだちょっと思いついた
案を、LTSpiceでシミュレーション掛けて動かして
みることに。


（追記：アップデート版はこっち↓）
http://brown.ap.teacup.com/nekosan0/2838.html



（これまでのあらすじ）

555を使って矩形波を出力しつつ、インダクタとTRを
使ったチョッパ回路で昇圧して、その電圧で555に
フィードバックを掛けて、一定の電圧で安定させる
回路を組んでみよう、というところから始まって、
そのフィードバック回路周りで色々悩んでたところ。

これまで、1個の555に、無安定バイブレータと、
電圧のフィードバックの入力と、それを出力波形に
反映させる機能の、大きく分けて3つを詰め込もうと
してたんだけど、色々難しいところが出てきちゃう。

んで、外付けTRで簡単なコンパレータ組んで、一定
以上の電圧になったらリセット端子で発振止める
とか、OUT端子の出力を強制的にGND電位に落としちゃう
とか、色々試してみたところ。

でも、微妙にアナログ信号的なものをリセット端子に
入れちゃってまともに動くのかとか、CV端子から電圧
をフィードバックする方法だと発振周波数が変化して
しまって、ノイズ的にどうなの？とか、色々と微妙。




「もしかして、私の回路、詰め込みすぎ…？」
と思って、無安定バイブレータは無安定バイブレータで、
パルス幅はパルス幅で、それぞれ555を1個ずつ使えば
いいんじゃね？と、ようやく気づいたというわけ。


んで、こんな回路にしてみた。
（以下の図、それぞれクリックで少し大きい絵で表示）



こんな具合に2つの555と、チョッパ回路部分で構成。
（個々の定数は下記）

動かしてみると、とりあえずこんな風になってくれる。



青は、555の片方の出力で、約30kHz固定で発振。
赤は、インダクタに流れる電流で、起動直後は
出力側にある1000uFのコンデンサにチャージする電流
がでかいので、こんな風になってるけど、ひとたび
定常運転になると、そこそこの電流しか流れず、
効率も悪くない感じ。
緑は出力電圧。これだと11～12Vくらいで一応安定。

ただ、もうちょっとスススッと上がって、指定電圧で
ピタリと安定してくれるとうれしいんだけど、まぁ、
悪くはないかなと。


とりあえずここで設定してある定数では、負荷に200Ω
を掛けてみて、11～12Vくらいで、60mAくらいが
ギリギリ取り出せるかなぁ、という感じだった。
もうちょっと少な目の40mAくらい（300Ω）を考えて
おくととりあえず安心っぽい気もする。

（ちなみに、このグラフは500Ω負荷…0.2～0.3Wほど
　取り出した場合）





回路図がやたら横長で見えにくいので、3つの機能
ブロックごとに切り出してみたのがこれら。


まず左側のブロックの555。



20kΩ、100Ω、0.0022uFで、デューティー比が極端
に異なる矩形波を生成。オンが長くて、オフがすごく
短いパルス。周波数はおよそ30kHzに設定。

細くする理由は、
http://nevergiveup-yosuke.blogspot.jp/2013/05/ne555555.html

ここにあるように、中央ブロックの555のトリガ端子に
入力するのに、パルスが長すぎるとまともに動かない
という555の仕様があるから。

実際の回路で動作を試して無いのでなんともいえない
んだけど、こんなに細いパルス出すとなると、
バイポーラだと速度的にどうなの？と思うので、
多分MOS版のほうでやったほうが吉だと思う。


つぎ、真ん中のブロックの555。



基本的には、前段の555からの矩形波をトリガ端子で
受けて、ワンショットパルスを生成するだけの回路。

肝になるのは、後段の出力電圧を分圧したのを、
CV端子で受けてるところ。まぁ、555でPWMをやる
時の基本的な使い方。

あと、しいて言えば、分圧抵抗部分で電圧調整が
できるようにしてる（可変抵抗使って）んだけど、
これと0.01uFのLPFで出力電圧の変動を約3kHzで
フィルタリング。あまり高いとノイズ拾いすぎる
だろうし、低いと変動への追従が悪そうなので、
とりあえずこんな感じに。

あと、バイポーラとMOSで、CV端子内部の分圧に
使ってる抵抗値が大きく異なるんだけど、外付けの
分圧抵抗をちょっと小さめにしてあって、どっち
でもあまり影響ないよううには一応考えたつもり。

あと、この分圧抵抗が小さめにしてあるのは、
設計の予想以上に高電圧まで昇圧が行われて
しまわないための対策。ここで少し多めに
電流を消費しておく。（約1mAくらい）
詳しくは後述。


次、右側のブロックの昇圧回路。



前段の555で出力されるパルスは、電圧が低い
時には狭いパルス、高い場合には広いパルスが
出力されるという動作（555をPWMで使うときの
基本）なので、そのままチョッパ回路を動かし
ちゃうと、負帰還にならないので、反転する必要
がある。

最初、ロンリが逆ならPNPのパワTRでいいんじゃね？
と思って組んでみたら、なんか分けわかんない漏電
が起こっちゃう。常にコイルにアンペア級の電流が
流れっぱなし。かろうじて昇圧っぽい動作はしてる
んだけど、何じゃこりゃ状態。

よく考えたら、555の出力は5Vで、コイルの出力は
12Vくらいになってるので、PNPをそのまま5Vで
動かすと、当然ながらコレクタをオフにするだけの
電圧に届かない。だから流れ続けちゃう。

うーーーーん、理由はわかったものの、じゃぁ、
どこで反転すればいいかで色々悩む。あれこれ
動かしながら、NPNのパワTRをプッシュプルの
インバータでドライブすればいいのか？とか、
あれこれやってみて、とりあえず普通に小信号TR
で反転回路にしてみて、一応うごくっぽい感じには
なった。

けど、カットアンドトライで適当に定数決めたので、
これで良いのかはよくわかんない…
一応、無駄に漏電することもないみたいだし、
パワTRは飽和状態で動いてるみたいだし。

インダクタは、22uH～47uHなら多分動くかなと。
一応33uHか47uHお勧め。太陽誘電の9φのやつなら
多分大丈夫。11φならなおよし。
http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php?code=2AYC-KCD3
7.8φのやつだと、ちょっと容量不足。
http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php?code=5A54-LPDF


このチョッパ部分は、見た目どおりの普通の
回路構成。ショットキダイオードの出力のところ
から、前段の555にフィードバック掛けてる。




さて、さっきの中央の555のところで、分圧抵抗を少し
小さめにして、無駄に電流流してる話。

当然、ちょっと大きめの方が無駄な電流も少なく
高効率なんだけど、あまり電圧上げすぎると、フィード
バックの電圧が高くなりすぎて、そうすると、ワン
ショットのパルスが広くなりすぎちゃう。広くなり
すぎちゃうと、次のトリガが来てもまだパルスの
出力が終わってなくて…みたいなおかしなことに
なっちゃう。（ようは、暴走しちゃう）





定常状態の波形を眺めてみると、こんな。



赤いのはさっきの通りインダクタを流れる電流。
青いのもさっきの通り初段の555の矩形波。緑も
さっきの通り出力電圧。
水色は、中段の555のOUT出力。

青い矩形波の立下りをトリガにして、水色の
ワンショットの矩形波が出力されるんだけど、
CVからフィードバックされてくる電圧が高い
時にはその矩形波が長くなり、逆は短くなる。

で、この出力は、後段のTRで反転してから
パワTRでインダクタをスイッチするので、
パワTRの動作はこの水色とちょうど逆の動作
を行うことに。

つまり、青のトリガを受けたら、パワTRはオフ
になり、その間インダクタに溜まった磁束が
電流として放出されはじめるので、このタイミング
で電流が下降し始める。溜めてあった磁束の分
を放出しちゃうと、電流が止まる。

そのまましばらく、水色はオン（＝パワTRはオフ）
のまま。ちょっとすると、ワンショットタイマ
の設定時間が経過して、水色は再度オフに
（＝パワTRはオンに）。
すると、改めて電源からインダクタに電流が流れ
はじめて、磁束が溜まり始めるんだけど、それが
この赤い線が上昇する部分。




まぁ、ここだけさらっとみると、フムフムなんだけど、
実はこの水色のオフになるタイミングって、次の
青が立ち下がるタイミングと、1周分ずれてるのが
注意点。

あまりこの水色のパルスが長くなっちゃうと、
水色のパルスが終わる前に次のトリガが来ちゃう。
そうすると暴走するので、ある程度の長さまでで
ワンショットパルスが切れてくれないと困る。
昇圧した電圧が高くなればなるほど、パルスは
長くなっていくので、有効に負帰還掛けて、
長くなりすぎないようにする必要がある。

で、そのために、一定の電流を消費させて、
電圧が不意に上昇しすぎないようにしている
というわけ。

特に、軽負荷のときには、1回1回の昇圧動作の
脈動でも、どうなっちゃうか微妙なので、
とりあえず一定の負荷を掛け続けることに
してみたというわけ。




負荷を色々変えてみたり、インダクタを色々変えて
みたりしたんだけど、こんな感じに設定しておけば、
なんとなくおかしなことにはならなさそう。





あとは、TRの型番に合わせて定数ちょっと弄ったり、
555のVccにデカップリングコンデンサつけたりとか
すれば、動くと思うんだけど、ブレッドボードでは
こういうの動かす気にならないんだよなぁ…


まぁ、いずれにしても、フィードバック掛けて一定の
電圧が出るようにしているつもりなんだけど、
そんなに安定性は高くない気がするので、こいつの
出力を、7809とかでちゃんと安定化して使うのが
吉なのかな、という感じだな…。

あと、昇圧はできたので、負電源もこの調子で
行きたいところだな。



（追記）

いくつか補足。

①他の部品じゃなく、555を付け足したわけ：

　1個の555では色々厄介なので、もう1個汎用的な
　部品を付け足しちまおうと思って、こんな風に
　ゴニョゴニョやっていたわけなんだけど、
　なぜコンパレータとかオペアンプとかじゃなく、
　555を足したのかというお話。

　確かにコンパレータみたいのを使ってデジタル的
　（オンオフ的）に動作を制御しちゃうのは楽ちん
　なんだけど、ICによって耐圧とか、動作速度とか、
　色々とスペックが異なるので、相性とか出ると
　やだな、というのが1点。

　もう1点は、555を2回路なら、556を使ってICを
　1個で済ますこともできるかと。各社の互換品を
　混ぜても、相性出にくそうだし。

　あともう1点は、デジタル的に処理するとなると、
　発振を一時的に止めるとかって手段になるので、
　ノイズ的にどうなのかな？と。パルス幅でイイカンジ
　にフィードバックしたほうが、プツプツとノイズが
　載る感じは避けられるだろうと。

②電圧フィードバック部分のLPF周波数の設定：

　LPFを3kHzと低めにしてるのがちょっと気がかり
　で、要は可聴域なので、音声信号とか扱う回路
　で使うと耳に聞こえるノイズにならなかなぁ？
　と。
　本当は、左側の発振周波数を100kHzくらいに
　して、フィルタのカットオフももっと高くしよう
　かと思ってたんだけど、色々あってひとまず
　30kHzに。

バイポーラのNE555が500kHzくらいまでなので、
　100kHzはまぁ範疇内かとは思うんだけど、
　細いパルスを扱うので、どうかなぁ？と
　ちょっと気になって…

③チョッパ回路のTR周り：

　部品をとっかえひっかえして、定数弄って、
　なんとなくこんな定数値になってるんだけど、
　一番しっくり来るのは、やっぱりパワTRの
　ベース端子のドライブを、プッシュプルの
　インバータで動かすことかな、という気が。

　今のこの回路だと、パワTRをオンにしている
　時はともかく、オフにしている間（小さいほう
　のTRがオンになっている間）は、150Ω抵抗
　がこのTRを通ってGNDに繋がるので、電流的に
　もったいない…Vceが1Vとしても、(5-1)÷150
　で20～30mAも流れちゃう計算。

　パワTRのベースにいっぱい電流流す必要が
　あるからじゃね？と思って、じゃぁパワー
　MOS-FETでスイッチすりゃいいじゃん、とも
　思ったんだけど、それこそゲート端子の
　ドライブにプッシュプルインバータが必要
　になっちゃう。

　そういえば、と思って、追記書きながらふと
　100Ωと150Ωに分ける必要ないんじゃね？と
　気づく。合わせて250Ωにして、小さいほうの
　TRのコレクタ側に一緒にしちゃえば済むよな。
　うん。動かしてみたら、やっぱそれで同じ様に
　動いた。
　それでもやっぱ、ここで無駄に電流を捨ててる
　のは一緒なんだけどな。
　そもそも、この小さいほうのTR、コイルの
　出力側じゃなく、5Vで動かしてもいいんじゃね？
　そもそも、そうしないとコイルに微妙に電流
　流れ続けちゃうかなぁ。

　なにか、反転動作させつつ、パワTRのベースを
　ドライブできるパーツ、ないかなぁ？