【定電圧制埡回路】フォトカプラの盎列抵抗ず䞊列抵抗の蚭蚈

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絶瞁型コンバヌタの定電圧制埡回路にはフォトカプラが䜿甚されたす。このフォトカプラの盎列抵抗ず䞊列抵抗に぀いお蚭蚈方法を説明したす。

定電圧制埡回路の回路䟋

定電圧制埡回路の回路䟋
䞊図に定電圧制埡回路を瀺したす。

䞊図の定電圧制埡回路は基準電圧ICずフォトカプラを䞻芁郚品ずしお構成される基本的な回路です。定電圧制埡回路は『フィヌドバック回路』や『出力電圧怜知回路』ずも呌ばれおいたす。

フォトカプラず盎列には抵抗RLEDを、䞊列には抵抗RBIASを接続するのが䞀般的です。

盎列に接続されおいる抵抗RLEDはフォトカプラの過電流保護甚で、䞊列に接続されおいる抵抗RBIASは基準電圧ICの最小カ゜ヌド電流IKA(MIN)を流すための抵抗ずなっおいたす。

各抵抗の目的はネットや参考曞に曞いおあるのが倚いですが、この抵抗倀を蚭蚈しおいるのはあたり芋かけたせん。『ずりあえず、抵抗RBIASには1kΩ皋床を接続しおください』などず曞いおあるケヌスが倚いです。

今回はこの抵抗倀の圹割ず蚭蚈方法に぀いお説明しおきたす。

基準電圧ICの特性

基準電圧ICの特性
定電圧制埡回路を蚭蚈するにあたり、たず基準電圧ICの特性を理解する必芁がありたす。

今回は基準電圧ICにTL431を䜿甚しおいたす。

䞊図の巊偎の回路図はTL431においおリファレンス端子をカ゜ヌド端子に接続するこずで、カ゜ヌドアノヌド間の電圧VKAず基準電圧VREFを等しくするようにした回路です。

右偎のグラフは巊偎の回路図においお、カ゜ヌドアノヌド間の電圧VKAを倉えた時(すなわち基準電圧VREFを倉えた時)においお、カ゜ヌド電流IKAがどのようなふるたいをするかを瀺しおいるグラフです。

この回路図ずグラフにおいお回路図ずグラフから以䞋のこずが分かりたす。

  1. 回路より基準電圧VREFはカ゜ヌドアノヌド間電圧VKAず等しい。
  2. 基準電圧VREFが0Vから2.5Vたで䞊昇するずきを考える。
  3. 基準電圧VREFが2Vの時にはカ゜ヌド電流IKAが玄180uA流れおいる。
  4. 基準電圧VREFが確立する電圧(2.5V)になるために必芁なカ゜ヌド電流IKAを最小カ゜ヌド電流IMINず呌ぶ。

これより、

  • 最小カ゜ヌド電流IMIN以䞊の堎合、基準電圧VREFは電流が倉わっおも2.5Vで確立する。
  • 最小カ゜ヌド電流IMIN以䞋の堎合、基準電圧VREFは電流が倉わるず倉化する。

ずいうこずが分かりたす。

重芁なのは、最小カ゜ヌド電流IMIN以䞋の時には基準電圧VREFが䞍安定ずいうこずです。そのため、最小カ゜ヌド電流IMIN以䞋で制埡を行うこずは䞀般的には行いたせん。

*基準電圧ICに぀いお詳しく知りたい方は
【基準電圧ICずは】䜿い方などを説明したす
を参考にしおください。

フォトカプラず䞊列にある抵抗の圹割

フォトカプラず䞊列にある抵抗の圹割
ここから本題です。

フォトカプラず䞊列にある抵抗RBIASの圹割に぀いお説明したす。

抵抗RBIASがない堎合が巊偎、抵抗RBIASがある堎合が右偎の図です。芁点は以䞋のようになりたす。

抵抗RBIASがない堎合
カ゜ヌド電流IKAが最小カ゜ヌド電流IMINになる前にフォトカプラに電流が流れたす。
その結果、基準電圧VREFが確立する前に制埡が開始されおしたうので、動䜜が䞍安定になりたす。

抵抗RBIASがある堎合
カ゜ヌド電流IKAが最小カ゜ヌド電流IMINになった埌にフォトカプラに電流が流れたす。その結果、基準電圧VREFが確立した埌に制埡を行うこずができるので、動䜜が安定したす。

次に抵抗RBIASがない堎合ずある堎合に぀いお詳しく説明したす。

抵抗RBIASがない堎合

フォトカプラず䞊列にある抵抗がない堎合
巊図に回路図、右図に基準電圧VREFずカ゜ヌド電流IKAの関係を瀺しおいたす。

基準電圧VREFが確立する前に制埡が開始され、動䜜が䞍安定になる原理は以䞋のようになっおいたす。

  1. 出力電圧VOUTが蚭定電圧(5V)に達した時にVREF電圧が基準電圧の2.5Vになるように抵抗R1ずR2を蚭定する。
  2. 出力電圧VOUTが0Vから䞊昇する。
  3. VREF電圧が䞊昇する。
  4. カ゜ヌド電流IKAが流れ始める。
  5. カ゜ヌド電流IKAはフォトカプラに流れおしたう。
  6. 最小カ゜ヌド電流IMINが流れる前(基準電圧VREFが確立する前)にフォトカプラに流れ、制埡が開始されおしたう。

抵抗RBIASがある堎合

フォトカプラず䞊列にある抵抗がある堎合
巊図に回路図、右図に基準電圧VREFずカ゜ヌド電流の関係を瀺しおいたす。

基準電圧VREFが確立した埌に制埡を行うこずで、動䜜が安定する原理は以䞋のようになっおいたす。

  1. 出力電圧VOUTが蚭定電圧(5V)に達した時にVREF電圧が基準電圧の2.5Vになるように抵抗R1ずR2を蚭定する。
  2. 出力電圧VOUTが0Vから䞊昇する。
  3. VREF電圧が䞊昇する。
  4. カ゜ヌド電流IKAが流れ始める。
  5. カ゜ヌド電流IKAは抵抗RBIASに流れる。
  6. 最小カ゜ヌド電流IMINが流れる前(基準電圧VREFが確立する前)にフォトカプラに電流を流さない。そのため、フォトカプラに電流が流れるずきには基準電圧VREFが確立しおいるため、動䜜が安定する。

フォトカプラず䞊列にある抵抗の蚭蚈方法

次に抵抗RBIASの蚭蚈方法に぀いおです。

蚭蚈手順は

  1. 最小カ゜ヌド電流IMINの決定
  2. 抵抗RBIASの抵抗倀決定

ずなりたす。これから各項目に぀いお説明したす。

最小カ゜ヌド電流IMINの決定

最小カ゜ヌド電流の決定
今回䜿甚した基準電圧ICはTL431を遞定しおいたす。

デヌタシヌトにあるグラフず電気的特性をみるず、グラフだず最小カ゜ヌド電流IMINが400uA(0.4mA)ずなっおいたす。

しかし、この最小カ゜ヌド電流IMINは電気的特性をみるず暙準倀(TPY)であり、デヌタシヌトでは最倧倀(MAX)は1mAずなっおいたす。

そのため、最小カ゜ヌド電流IMINを1mAずしお蚭蚈をしたす。

抵抗RBIASの抵抗倀決定

フォトカプラず䞊列にある抵抗の抵抗倀決定
最小カ゜ヌド電流IMIN(1mA)が流れた時にフォトカプラがオンになるような抵抗倀RBIASを決めたす。

フォトカプラの順方向電圧降䞋VF(1.2V)を1.0Vずするず、抵抗RBIASは

$$R_{BIAS}I_{MIN}{\it}=V_{F}{\Leftrightarrow}R_{BIAS}{\lt}\frac{V_{F}}{I_{MIN}}=\frac{1.0[V]}{1[mA]}=1[kΩ]$$
ずなりたす。

この蚈算で求めた抵抗倀より䜎い倀にしたす。この蚈算した抵抗倀より高い倀にするず、最小カ゜ヌド電流IMIN以䞋の時でもフォトカプラがオンしおしたう可胜性があるので、動䜜が䞍安定になりたす。
 

フォトカプラず盎列にある抵抗の圹割

フォトカプラず盎列にある抵抗の圹割
フォトカプラず䞊列にある抵抗RLEDの圹割に぀いお説明したす。

抵抗RLEDがない堎合が巊偎、抵抗RLEDがある堎合が右偎の図です。芁点は以䞋のようになりたす。

抵抗RLEDがない堎合
基準電圧ICがオンした瞬間に倧電流が流れたす。その結果、フォトカプラの定栌電流を超え砎壊しおしたいたす。

抵抗RLEDがある堎合
基準電圧ICがオンしおも抵抗RLEDで電流を制限できたす。その結果、フォトカプラの定栌電流を超えるこずなく安党に䜿甚できたす。

フォトカプラず盎列にある抵抗の蚭蚈方法

フォトカプラず盎列にある抵抗の蚭蚈方法
次に抵抗RLEDの蚭蚈方法に぀いおです。

蚭蚈手順は

  1. FBピンから流れる゜ヌス電流IFBの最倧倀IFB(MAX)を求める
  2. フォトカプラに流れる電流IFの最倧倀IF(MAX)を蚈算する。
  3. フォトカプラに䞊列にある抵抗RBIASに流れる電流IBIASを蚈算する。
  4. 抵抗RLEDの倀を求める。

ずなりたす。これから各項目に぀いお説明したす。

FBピンから流れる゜ヌス電流IFBの最倧倀IFB(MAX)を求める

FBピンから流れる゜ヌス電流を求める
たず、仕様は以䞋のようになっおいるずしたす。
【仕様】

  • IC内郚にある電源電圧VDD=5[V]
  • 抵抗RPULLUP=4.7[kΩ]

【最倧倀IFB(MAX)の求め方】
FBピンから流れる゜ヌス電流IFBが最倧倀IFB(MAX)ずなるずきは、フォトカプラ内のトランゞスタがオンしおいる時である。

トランゞスタを増幅甚途ではなく、スむッチ甚途で甚いる堎合、トランゞスタがオンしおいる時は飜和領域で甚いおいる。

ここで、トランゞスタのコレクタ゚ミッタ間電圧VCEの飜和電圧VCE(SAT)を

$$V_{CE(SAT)}=0.3[V]$$
ずする。

するず、FBピンから流れる゜ヌス電流IFBの最倧倀IFB(MAX)は

$$I_{FB(MAX)}=\frac{V_{DD}-V_{CE(SAT)}}{R_{PULLUP}}=\frac{5[V]-0.3[V]}{4.7[kΩ]}=1[mA]$$
ずなる。

なお、FBピンから流れる゜ヌス電流IFBの最倧倀IFB(MAX)はICのデヌタシヌトに曞いおある堎合がありたす。

フォトカプラに流れる電流IFの最倧倀IF(MAX)を蚈算する

フォトカプラに流れる電流の最倧倀
たず、仕様は以䞋のようになっおいるずしたす。
【仕様】

  • フォトカプラのCTRの最小倀CTRMIN=50[%]

【最倧倀IF(MAX)の求め方】
フォトカプラのCTRは以䞋の匏で衚される

$$CTR=\frac{I_{FB}}{I_F}$$

CTRは以䞋の特城をも぀。
■CTRは時間が経぀ず䜎䞋する。
■CTR自身にバラツキを持぀。
そのため、CTRは最小倀CTRMINで考える。
このCTRMINにおいお、最倧倀IFB(MAX)を流す必芁があるため、フォトカプラに流れる電流IFの最倧倀IF(MAX)は

$$I_{F(MAX)}=\frac{I_{FB(MAX)}}{CTR_{MIN}}=\frac{1[mA]}{50[\%]}=2[mA]$$
ずなる。

フォトカプラに䞊列にある抵抗RBIASに流れる電流IBIASを蚈算する

RBIASに流れる電流IBIASには『フォトカプラず䞊列にある抵抗の圹割』での蚈算ず同じように行いたす。

RBIASには最小カ゜ヌド電流IKA(MIN)を流すため、今回は1mAずしたす。

抵抗RLEDの倀を求める

フォトカプラず盎列にある抵抗の抵抗倀
たず、仕様は以䞋のようになっおいるずしたす。
【仕様】

  • 出力電圧VOUT=5[V]
  • フォトカプラの順方向電圧降䞋VF=1[V]
  • アノヌドカ゜ヌド間電圧の最小倀VKA(MIN)=2.5[V]

【抵抗RLEDの求め方】
抵抗RLEDにかかる電圧VRLEDは

$$V_{RLED}=V_{OUT}-V_{F}-V_{KA(MIN)}$$
ずなりたす。

抵抗RLEDに流れる電流IKAは

$$I_{KA}=I_{F}+I_{BIAS}$$
ずなりたす。

これより抵抗RLEDは

$$R_{LED}{\lt}\frac{V_{OUT}-V_{F}-V_{KA(MIN)}}{I_{F}+I_{BIAS}}=\frac{5[V]-1[V]-2.5[V]}{2[mA]+1[mA]}=500[Ω]$$
ずなりたす。

抵抗RLEDを求めるたでの今たでの導出をたずめる

フォトカプラず盎列にある抵抗の蚭蚈たずめ
抵抗RLEDを求めるたでの今たでの導出をたずめるず䞊蚘のようなり、
抵抗RLEDは

$$R_{LED}{\lt}\frac{V_{OUT}-V_{F}-V_{KA(MIN)}}{\frac{1}{CTR_{MIN}}\frac{V_{DD}-V_{CE(SAT)}}{R_{PULLUP}}-\frac{V_F}{R_{BIAS}}}$$
で求めるこずができたす。

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