こんばんは。最大１２Ｖを出力できる電源を作りたいのですが、お勧めの回路

Question

こんばんは。最大１２Ｖを出力できる電源を作りたいのですが、お勧めの回路があれば教えてください。入力７Ｖの時は出力も７Ｖ、１０Ｖの時は１０Ｖ、１３．８Ｖの時は１２Ｖのように、出力の上限を１２Ｖに制限できる回路やＩＣを探しています。できれば、少しの部品で作れる回路があればいいのですが、やはりＰＩＣなどマイコンで制御するのが手っ取り早いでしょうか?
よろしくお願いします。

inara · Accepted Answer

添付回路で作ってみたところちゃんと動作しました。
右下のグラフは、回路シミュレータで見た入出力特性です。入力電圧が4Vから12Vまでの範囲なら 入力電圧 = 出力電圧、入力電圧が12Vを超えると 出力電圧 = 12V となります。この機能だけならオペアンプ1個で済むのですが、安価な2個入りオペアンプを使って、余った1個でLEDが点灯するようにしました。このLEDはリミッタが働いたとき（入力電圧が12Vを超えたとき）にだけ点灯します。逆にリミッタが働いたときにLEDが消灯するようにするには、抵抗R4の上側をオペアンプの出力端子（7）に接続し、LEDのカソード（K）をGNDに接続します。

可変抵抗VRは、リミット電圧を正確に12Vに合わせるためのものです。入力電圧を12V以上にしたとき、出力電圧が12Vとなるように調整します。抵抗は高精度のものは必要ありません（誤差±5%、1/6W～1/4Wのカーボン抵抗で可）。

MOS-FET（2SJ334）にはヒートシンクをつけてください。入力電圧が12V未満のときは、2SJ334のソース（S）－ドレイン（D）間は低抵抗（0.1Ω未満）なので、大きな電流が流れても発熱は小さいですが、入力電圧が12Vを超えたときは、ソース－ドレイン間には、入出力電圧差がかかるので、出力電流が大きいほど発熱します。発熱量（Ｗ）は　（ 入力電圧（Ｖ）－12V ）*負荷電流(A) 　になります。入力電圧が 13.8Vで、負荷電流が 1A のとき、発熱量は1.8Wになります（こちらではヒートシンクをつけて実験しましたが、外したところ触れないくらい熱くなりました）。

出力のコンデンサ（C2）は必ず入れてください。これがないと、リミッタが動作したときに出力電圧に大きなリップル電圧が乗ります（オペアンプが発振気味になっている）。220μFという容量はこちらで実験したとき、負荷抵抗10Ω（負荷電流1.2A）でリップルが消える最低の値です。出力電流が大きいほどリップル電圧が大きくなるので、実際の動作条件で適切な容量を決めてください。

部品は秋月電商（http://akizukidenshi.com/catalog/default.aspx）に売っているものにしましたが、オペアンプはLM358でなくても、汎用オペアンプならほとんど何でも使えると思います。NJM431Lは 6V の電圧を作っているものですが、他の可変三端子レギュレータ（LM336Z-2.5やLM317など）でも構いません。MOS-FETはON抵抗が0.1Ω未満のものにしてください（これが大きいと、入力電圧が12V未満のときの入出力電圧差が大きくなります）。ON抵抗が0.1Ω未満なら、添付写真のような TO-220パッケージで、最大ドレイン電流が1A以上の Pチャンネル型であれば何でも使えると思います（2SKタイプは使えません）。C1 はパスコンですが、オペアンプの端子近くに最短距離で配線してください。C2（電解コンデンサ）は極性（±）と耐圧（16V以上）に注意してください。

[1]　LM358N（5個200円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01012/
[2]　NJM431L（30円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00431/
[3]　2SJ334（150円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02846/
[4]　半固定抵抗（50円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-03277/
[5]　コンデンサ　0.1μF　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-02211/

10451198 · Answer

まず出力電流を決めましょう。話はそれからです。
また、入力・出力電圧の最小値も必要です。これはゼロでない方が楽です。

大まかな考え方は、まず可変出力電源を用意して、その入力を電圧で受けられる形にしておいた上で入力を１２Ｖでクリップすれば目的は達成できると思われます。

電流値がある程度大きいなら、スイッチング電源を加工する方向で考えなきゃいけないのですが、こうなると部品がかなり増えてくるでしょうね。アナログで処理できる範囲なら、ＯＰアンプとＴＲとツェナーダイオードでで比較的簡単にできると思われます。電源用のＩＣで使えるものがあればいいんだけれど。
最後に悩むのは応答特性かな。

多分マイコンの出番はないでしょう。

inara · Answer

作りたい電源というのは、入力の電圧で負荷を直接駆動するものでしょうか（それ以外に電源はない）。それとも、別に12V以上の電源があって、その電源を使って負荷を駆動する（制御電圧が12V未満のときそれと等しい電圧を出し、制御電圧が12Vを超えると12Vに制限する）ようなものでしょうか。

前者だと、制御回路の電源電圧も入力電圧から取ることになるので、入力電圧が低くなると（3V未満など）オペアンプが動作しなくなります。また、入出力電圧の差を小さくする必要があるので、電圧制御素子にON抵抗の小さなMOS-FETを使うことになりますが、FETのゲート電圧は3V程度は必要なので、やはり入力電圧が低くなると動作しなくなります。チャージポンプ等で入力電圧を昇圧する方法も可能ですが回路が複雑になります。後者だと、一般的な可変電源回路にリミッタをつけるだけなので簡単になります。

ANo.1さんの質問と重複しますが、以下の情報も教えてください。
　　・最大出力電流と最低出力電圧
　　・許容される入出力電圧差
　　・入力電圧は安定化されているか（その電圧をそのまま出力電圧としていいのか）

10451198 · Answer

NO1です。
入力側の13.8Vの安定化電源を改造したほうが早いような気もしますが、まあそれはなしとします。
であれば、整流用ダイオードを３つシリーズにかませて使えばよいのではないかと。

800mA流れるのがわかっているなら、それに十分対応できるモノを使いましょう。
ダイオードの順方向電圧降下はおおむね定電圧で、約０．６Ｖです。これを３個直列に使い、
１．８Ｖ降下させます。１３．８から１．８をひいて、出てくるのは１２Ｖになります。

こんどこそＰＩＣの出番はありません。

inara · Answer

＞出力が１２Ｖを超えなければ良く、入力電圧が１２Ｖより低ければそれと同じなら問題なしです
それは前者の回路だと思います。0V からは無理ですが、3V くらいからなら以下の電源は可能かもしれません。
　　　バッテリー電圧が 3V～12V のとき 出力電圧 = バッテリー電圧
　　　バッテリー電圧が 12V 以上のとき 出力電圧 = 12V
設計してみますので少しお時間を下さい。電子部品は入手可能ですか？こちらに回路シミュレータと若干の部品があるので試作してみます。当方は平日は仕事なので土日になりますがよろしいでしょうか。

こんばんは。最大１２Ｖを出力できる電源を作りたいのですが、お勧めの回路

まず出力電流を決めましょう。

この回答への補足

作りたい電源というのは、入力の電圧で負荷を直接駆動するものでしょうか（それ以外に電源はない）。

この回答への補足

NO1です。

＞出力が１２Ｖを超えなければ良く、入力電圧が１２Ｖより低ければそれと同じなら問題なしです

添付回路で作ってみたところちゃんと動作しました。

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