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穴のあいた大きなタンクとバケツ

まだ、グダグダとシミュレーションをしている電源回路だが、VCOの制御がうまくいかない。負荷がの変化に併せて、一定のときに一定の周波数で安定させることを当初は考えていたのだが、誤差増幅回路のゲインが適切で無いのか、フィルタの時定数が適当でないのか、いわゆるハンチングを起こす。スイッチト・キャパシタは抵抗と等価とはいえ、それはスイッチをトグルする周波数よりもずっと低い周波数領域での話なので、リップルフィルタは必要で、あるいはこれが良くないのかも...
で、結局誤差増幅器をコンパレータ(Gain無限大)にしてフィルタも取ってしまう。一応回路としては安定するが、VCOの動作としては、「最高速で1周期発信」と「停止」の2モードの動作しかしない。
これを解釈するのが今日のお題だ。
穴のあいた大きなタンクに水が入っているとする。水は穴からだんだん流れていって、水位は徐々に下がる。ある一定の基準まで下がったら、やおらバケツで水を汲んでタンクに足す。そうすると、(バケツとタンクの表面積にもよるが)水は、基準を少し上回るはず。これを繰り返しているのである。基準を少し上回るの「少し」はリップルに相当する。このように考えれば、いわゆるVCOでなくてもよく一定のスピードでパチパチとSWを切り替える回路と、その動作を制御する回路でいいわけだ。 実装のことを考えるとちょっと頭が痛いVCOよりこの方がマシな感じがする。(スイッチングの周期だけ見れば周波数を変えていることに他ならない)
要は、連続抵抗で制御するのではなく、固定抵抗とスイッチの開閉で制御するということだな。

穴の大きさを大きくする(=負荷が大きくなる)と、バケツで水を入れなければならない頻度が多くなる。どんどん穴を大きくすると、ついには、水を汲むのが間に合わなくなる。つまり安定化電源としては機能しなくなる。
対策としては、
1)バケツを大きくする(スイッチト・キャパシタの容量を大きくする)
2)バケツで汲むスピードを速くする(スイッチを動作させるスピードを上げる)
3)バケツの数を増やす(スイッチト・キャパシタの回路を増やす)
3)は複数のスイッチト・キャパシタ回路の動作の位相をずらせば、おととい書いた、ラッシュカレントの問題も緩和される。回路が複雑なるが...
また、このメタファーからわかることは、このような電源回路は、極軽負荷での挙動が安定していること。極端な話、負荷0では、スイッチト・キャパシタのスイッチングを完全に停止させてしまうことが出来るから、普通のインダクタを使った回路のように妙に高い電圧がでるということもなかろう。
もうちょっと追いかけてみることにしよう。
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本日の御託
相変わらず、ピーカンで仕事なんかする気がしない。2時ごろタバコを吸うのに外へでたら、温度計が101度(摂氏換算で38.3℃)を記録している。東京ではこんな気温では気が狂いそうになるが、空気が極端に乾燥しているので、日陰ならそれほどでもない。日差しの強さは、夏至ということもあり強烈。サングラスが欲しい。日本人は瞳の色が濃いのでまだマシだが、コーカソイド(白人)には、ファッションではなく、実用品だろうと思う。
 



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