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完全ファンレス、この遠き道のり(26)~電源編~

電源の回路だが、コンパレータを使っていわばディスクリートで作るのあきらめた経緯は効率が上がらないためだ。MOS FETはゲート・ソース間の電圧によって、ドレイン・ソース間をスイッチするわけだが、パワーMOS FETになるとゲート・ソース間の容量が結構大きい。そこで、図1のような回路だと立ち上がりがなまる。図2のようにエミッタフォロワ型の駆動をすると今度は、立下りがなまってしまう。このなまりは、MOS FETのONでもOFFでもない中間的な状態の期間を作ることになる。完全にONの状態では、抵抗はほとんど0に近いので電流は流れても、損失電力は0に近いし、完全にOFFの状態では電流が流れないのでこれまた損失電力は0に近い。つまり、中間状態の期間でのみ電力損失が生じる。できるだけ、急峻な制御電圧で制御したいのだが、どちらの方法でもなまりが生じるのだが、電源になる電圧をあげるか抵抗を小さくするしかないので、最初は図1が一番扱いやすいと考えた。電圧は高くすると言っても、ゲート・ソース間の電圧(Vgs)には限度がある。今回使うつもりのMOS-FETでは20V程度である。当初オープンコレクタ型コンパレータの出力を使っていたのだが、抵抗を1KΩ程度では、オシロで見たゲートの電圧はかなりなまっている。電源電圧は20V強なので、この時点で最大20mA流れることになり、コンパレータの定格に達してしまう。別にトランジスタを使えばよいのだが、なんかスマートじゃないなと考えた。SW電源用のICならば、内蔵のパワートランジスタはエミッタ出力なので、図2の回路をつくることができる。抵抗を220Ω程度まで下げるとまあまあの波形になった。が、このとき負荷抵抗になっている220オームは100mA近く流れることになり、損失電力は0.2Wである。使っている抵抗は1/6W定格だからちょっとやばい。
う~む、困ったな、と思って回路をさがしていたら、図3のような回路を見つけた。最初意味がよくわからなかったのだが、ゲートについているPNPトランジスタは、ゲートにたまった電荷をすばやく抜くという意図なのだとわかった。SPICEでちょっとシミュレーションしてみると確かにきれいな波形になるし、負荷抵抗を1KΩ位に大きくしてもいいことがわかったので、早速パクった。PNPトランジスタは手元にないので買わないといけない。2SA1015とかだろうか?秋月では20個で100円だがそのためだけに秋葉原に行くのはかったるいので、蒲田のカマデンに行った。一個20円で割高だが電車賃のことを考えればしかたない。まあそのうち使う機会もあるだろうと10個ほど買った。家に帰ってよく見たら、Yランクだった。秋月のはGRランクである。今回の使い方ではどちらでも同じようなものだが、なんか損した感じ...
あと、家の近くの100円ショップでガラスの広口ビンを買う。前に書いたとおり、電源の試験用に使う1Ωのセメント抵抗はむちゃくちゃ熱くなるので、ビンに水をいれ抵抗を漬けておく(水冷)ためである。恒常的に使うわけではなく、実験のためなのでこれで十分。仮に大きなホーロー抵抗を買ったところで、発熱量は変わらないわけだし。
早速回路を直して実験したところ、きわめて良好である。ダイソーで買った充電アダプタは出力電圧約5.5Vに設定されているので、5.5Aつまり約30Wの出力だが、MOS FETはほのかに熱を感じる程度。入力側の電流を測ってみると、2.6A位しか流れていない。
ダイオードはもうちょっと熱い。多分55℃くらいかな。小さな放熱器がいるかも...
ダイオードでのの損失は、基本的に出力電流Io、入力電圧(Vi)、出力電圧(Vo)の比、順方向の降下電圧Vfで決まってしまうため、部品の選定以外に工夫のしどころはない。
理屈の上ではPd = Io×Vf×(Vo-Vi)/Viとなる。
今回使っているダイオードは、FCH30A10というものだが、順方向の降下電圧5Aでは0.7Vとちょっと高めなため、計算上は約2W。経験的にはTO220パッケージの半導体では、損失電力3Wを超えるとそろそろ放熱器が必要になってくる。秋葉で手に入りそうな40V10A程度のショットキバリアダイオードを調べてみると、Vf 0.55V程度のものは結構あるようだ。さがせば0.4V程度のものはありそうだ。どうしようかな、ま、いいか...
というわけで、昨夜はここまで。
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節分である。豆まきをやって、晩飯は予想通り、恵方巻きだ。太巻きは好きなのでよいが、こうどこもかしこも太巻きだと、天邪鬼な気持ちがもたげてくる。オレがケーキ屋だったら、「恵方ロール」を売り出してみるゾ!っていうか、あるじゃん


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