９Ｖ電池から５Ｖを作る

３端子レギュレーター

　９Ｖ電池から５Ｖを作る時、多くの場合、３端子レギュレータを使うと思います。
　手元に７８Ｌ０５、ＬＭ２９３１、ＬＰ２９５０の３種類の３端子電源があったので特性を比較してみました。
　これらは、いずれもバイポーラ構造で１００ｍＡ定格のリニアレギュレータです。
　他にも、ＣＭＯＳ構造の３端子電源があるようですが、入手出来ませんでした。
　７８Ｌ０５は３端子レギュレータの元祖的な存在で、古くからあり、いろいろなメーカーから供給されています。
　使用電流値にもよりますが、入出力の電圧差が１．６Ｖ以上は必要です。
　バイアス電流（内部消費電流）は標準で４ｍＡ程度とされていますが、無負荷時の消費電流は規定されていませんでした。
　ＬＭ２９３１は、入出力の電圧差が０．６Ｖ程度で動作する、低ドロップアウト型です。
　このＩＣは入力電源を逆接続しても壊れないとか、高いトランジェント耐性とかが謳われています。
　無負荷時のバイアス電流は１ｍＡ以下と規定されていますが、電流を流した状態でのバイアス電流は７８Ｌ０５と大差ないと 思われます。
　このＩＣは、一つ気になる事があります。
　入出力電圧差がドロップアウト電圧以下になると、消費電流が急増することです。
　このことはカタログのグラフで示されていますが、実験でも確認しました。
　無負荷でも２０ｍＡ以上が消費されてしまいます。
　充電型の電池を電源として、放電終了電圧以下になったのを放置した場合、電池にダメージを与えます。
　場合によっては、電池電圧の低下で負荷（ＬＭ２９３１も含めた）を切り離す回路が必要になるかもしれません。
　ＬＰ２９５０は低ドロップアウト、高精度、無負荷時の消費電流が非常に小さい等、非常に使い易いＩＣです。
　ただ、趣味で使う場合、現時点では多少、入手性に難があるかもしれません。

テスト回路

　負荷抵抗として、公称８０Ω、実測７７．８Ω、１／２Ｗのカーボン抵抗を使用しました。
　５Ｖの電圧を加えた時６４ｍＡ程度の電流が流れます。
　負荷が変われば、特性は変化しますが、今回は上記の負荷抵抗でのみテストしています。
　９Ｖ電池の負荷電流としては、せいぜい、この程度ではないでしょうか。
　以下に入力電圧を４Ｖ〜１０．８Ｖまで変化させた時のデータを示します。

７８Ｌ０５実測データ

ＬＭ２９３１実測データ

ＬＰ２９５０実測データ

入力電流の比較

　上のグラフは入力電圧を変化させた時の入力電流を示しています。
　６．８Ｖ以上では、ほぼ等しい電流値となっています。
　品種により、待機時の消費電流（カタログ値）には大きな差があるのですが、負荷に６３ｍＡ〜６４ｍＡの電流が流れている 時の消費電流は３ｍＡ〜４ｍＡで、大差無いと言えます。
　７８Ｌ０５とＬＰ２９５０ではドロップアウト電圧以下で入力電流が落ちていますが、出力電圧が下がって負荷電流が減少した 為です。
　ＬＭ２９３１ではドロップアウト電圧以下で入力電流が増えています。
　負荷電流は減っているはずなのに入力電流が増えているので内部消費電流が急増していることが分かります。

出力電圧の比較

　出力電圧は多少ばらついていますが、いずれもカタログの規格内には収まっています。
　特にＬＰ２９５０は高精度で、電圧の偏差が小さく押さえれています。
　今回、ランクの高いＬＰ２９５０ＡＣＺ５．０を使った関係で、出力電圧は４．９８Ｖと高精度ですが、これでも下限に近い 値です。
　ＬＭ２９３１とＬＰ２９５０は入力電圧５．６Ｖで立ち上がっていますが、７８Ｌ０５は６．８Ｖ以上の入力電圧が必要になって います。

効率の比較

　負荷抵抗で消費された電力を入力電力で割った値を効率にしています。
　ドロップアウト電圧以下は使用出来ないので、効率の意味は、ありませんが、数値としては出ています。
　今回の条件では入力電圧６．８Ｖ以上では、どれを使っても大差無いと言えます。
　入力電圧が５．６Ｖ〜６．８Ｖの範囲では低ドロップアウト型しか使えません。

どれを使うか

　電池が７素子のニッケル水素電池の場合、放電終了電圧が７Ｖ程度で、これ以下で放電させると電池を痛めます。
　この場合、６．８Ｖで入力電流が減り始める７８Ｌ０５が電池の為に優しいといえます。
　６素子のニッケル水素電池や、使い切ってしまうアルカリ電池、マンガン電池では、もう少し低い電圧まで使いたいので ＬＰ２９５０が良いと思いました。
　ＬＭ２９３１はドロップアウト電圧以下で消費電流が急増するので注意が必要です。

スイッチングレギュレータを作ってみる

　９Ｖの電池から５Ｖを作る場合、スイッチングレギュレータを使っても大きなメリットは有りません。
　９Ｖ電池を使う回路は小規模のものなので、小コスト、省スペースな３端子電源が多く使われると思います。
　ここでは、あえて、９Ｖ電池用のスイッチング電源を作ってみました。
　入手性の良い電源ＩＣが見つからなかったので、今回もＰＩＣマイコンでフライバックインバータを構成しました。

回路図

　回路図をクリックすると拡大表示されます。
　拡大図から本文に戻るにはブラウザの←戻る釦を使用してください。

　回路は今までと殆ど同じですが、電池電圧が高くなったので、マイコン用のローカルレギュレータを付加しました。
　それから、巻き線に発生するスパイク電圧を吸収するツェナーダイオードを付けました。
　４．８Ｖ電池の時、巻線には２５Ｖ〜３０Ｖのスパイクノイズが発生していました。
　今回、電池電圧が高くなったので、さらに高電圧が発生するはずですが、１５Ｖ程度に収まっています。
　トランスはＴ５０＃３コアに０．２６ｍｍフォルマール線（ポリウレタン線？）を１：１のバイファイラ巻きで１００回と しています。
　短絡保護に０．３Ａのポリスイッチ、電池の逆接続保護にＰＣＨ−ＭＯＳを付けてあります。

製作したレギュレータ

ソフトウエア

　「電池４本から±５Ｖを作る」で使ったソフトを相変わらず使い回しています。

 1 //////////////////////////////////
 2 //  SWREG+-5V    PIC12F683 8MHz //
 3 //               8BIT PWM       //
 4 //  2009/08/17   MikroC         //
 5 //////////////////////////////////
 6
 7 // _FCMEM_OFF, _IESO_OFF, _BOD_ON, _CPD_OFF, _CP_OFF,
 8 // _MCLEAR_OFF, _WDT_OFF, _INTRC_OSC_NOCLOCKOUT
 9 
10 unsigned char duty;     //デューティー格納用（８ビット）
11
12 void main(void){
13     T2CON = 0;          //WDT確認用
14     OSCCON = 0x71;      //8MHz
15     OPTION_REG = 0xcf;  //WDT 1/128
16     ANSEL = 0x3;        //アナログピンの設定
17     CMCON0 = 0x2;       //コンパレータ設定
18     GPIO = 0;           //出力を０に
19     TRISIO = 0xb;       //GP2,4,5 を出力に
20     WDTCON = 0x3;       //WDT ON  1/64 x (1/128)
21     asm CLRWDT;         //WDT CLR
22     CCP1CON = 0xc;      //PWM ACTIVE H
23     PR2 = 39;           //周期(39+1) x 0.5u = 20uS
24     duty = 0;           //デューティー０からスタート
25     CCPR1L = duty;      //デューティーをセット
26     T2CON = 0x4;        //T2 ON プリスケーラー無し
27     while(1){
28         asm CLRWDT;                 //WDT CLR
29         if(CMCON0.COUT){            //出力電圧が高い時
30             if(duty > 0) duty--;    //デューティーを下げる
31         }
32         else {                      //出力電圧が低い時
33             if(duty < 20) duty++;   //デューティーを上げる
34         }
35         CCPR1L = duty;              //デューティーをセット
36         Delay_us(40);               //40uS待つ
37         if(!GPIO.F3)break;          //遮断信号で終了
38     }
39     GPIO = 0;    //一応出力を全部落として
40     T2CON = 0;
41     WDTCON = 0;
42     asm SLEEP;   //スリープ
43 }
44

製作したレギュレータの入出力特性

入力電圧−入力電流特性

　３端子電源ＬＰ２９５０を使用した場合と比較してみました。
　６素子のニッケル水素電池の定格電圧が７．２Ｖ、７素子のものが８．４Ｖですので、使用領域ではＳＷ電源の方が 消費電流が少なくなっています。

入力電圧−出力電圧特性

　立ち上がり電圧はＳＷ電源と３端子リニア電源で、ほぼ等しくなっています。
　ＳＷ電源の場合は一次と二次の巻数比で立ち上がり電圧を変える事が出来ます。
　今回、巻数比は１：１（１００：１００）ですのでロスが無ければ入力電圧５Ｖで出力電圧５Ｖになるはずですが、入力側と 出力側にロスがあるので、入力電圧５．６Ｖで立ち上がっています。

入力電圧−効率特性

　入力電流計の分解能が１ｍＡですので、誤差が±１％程度あります。
　入力電圧５．６Ｖ以下は出力電圧５Ｖが維持出来ないので効率の意味はありません。
　電池の有効使用範囲ではＳＷ電源の効率が高くなっています。

まとめ

　効率の面でＳＷレギュレータが、やや高くなっていますが、スペース、コスト、ノイズ面で劣るので、通常は３端子電源で十分 と思います。
　今回、９Ｖ電池としては、やや重い負荷（６４ｍＡ）で比較しましたが、軽負荷では多少、結果が変わるかもしれません。
　１分でも長く動作させたい時はＳＷレギュレータの価値があるかもしれません。
　６素子の電池で１割、７素子の電池で３割程度、動作時間が増えると予想します。

検討事項

　今回もＰＩＣマイコンでレギュレータを作りましたが、探せば高効率の専用ＩＣがあるのかもしれません。
　ただし、たとえ、あったとしてもアマチュアには容易に入手は出来ないと思います。（特に田舎では）

　今回、トランスの巻き数を１００：１００にしましたが、これ以外の巻数で試していないので、合わせ込めば１〜２％程度、 効率を上げることが出来るかもしれません。
　使用したコアは今回も手持ちのカーボニル鉄のアミドンＴ５０＃３コアですが、ＡＬ値が小さいので巻数が多くなります。
　ＡＬ値の大きいフェライトのコアを使えば巻数を少なく出来るはずです。
　アミドンのＦＴ−５０＃４３材あたりを使えば、巻数は２０回程度で済むはずですので、比較してみたいと思います。