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ＤＣ６Ｖを電源とする真空管ラジオの電源をカーバッテリーから取ることを考えてみました。
今までヒーター電圧６．３Ｖの傍熱管を使用したラジオを何点か製作しました。
電源電流０．５Ａ以下のものは単３電池４本を直列にしています。
連続動作時間は最短で４時間です。
それ以上のものはＡＣ電源としています。
ＡＣ電源のものもヒータートランスでＤＣ６Ｖを作り、これをヒーターとＤＣ／ＤＣコンバータに供給しているスタイルは
同じです。
現在、最大規模のものは６ＡＪ５又は６ＡＫ５を６本、６ＢＨ６と６ＡＫ６を各１本使用しました。
電流値はヒーターに１．３５Ａ、ＤＣ／ＤＣコンバーターに０．２８Ａの合計１．６３Ａとなります。
カーバッテリーの電圧は１２Ｖ〜１４Ｖに変化しますが１３．５Ｖ程度の場合が多い様です。
そこで入力１３．５Ｖのとき負荷に６Ｖ１．７Ａを供給する電源を考えてみました。
現在、この電源が必要になっている訳ではありません。
必要ないものを作るのは基本的な精神に反するのですが、今後、実際的に使用する事を想定し、真面目に製作してみました。
ただし、現状では、この電源で動作させるラジオが無い為、実用に適しているかは確認出来ていません。
入力がＣＶＣＣ電源、負荷が固定抵抗での実験結果です。
ドロッパー式は回路が簡単でノイズも少ないのですが効率が４０％程度になってしまいます。
約１０Ｗの出力を得るのに１０Ｗ以上の発熱があります。
又、出力を絶縁することが出来ません。
一般的なスイッチング電源用ＩＣは強烈なノイズを発生するのでラジオの電源としては、まず使えません。
入出力が絶縁出来る品種が殆ど無く、あっても使い方が面倒です。
結局、完成された電源ユニットという事になりますが１２Ｖ〜１４Ｖ入力で出力６Ｖ１．７Ａ程度のものは見たことが
ありません。
ここでは電池管ラジオで多用したロイヤー回路を変形したものを使いました。
定電圧動作は考えていません。
電池を電源とする以上、電圧変動は想定内です。
定電圧化にするとノイズレベルが大きくなります。
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最初の２ＳＪ３４４は逆流防止のダイオードです。
次に過電流を検出して出力を遮断する回路が続きます。
自動復帰にするとオンオフを繰り返すのでＳＣＲでラッチします。
復帰させるには一旦、電源を切って再投入します。
２番目の２ＳＪ３４４は出力を遮断するスイッチです。
あとは簡単なロイヤーの回路です。
トランジスタの選定は重要です。
ベースバイアス抵抗の値も効率に大きく左右します。
ベースバイアス抵抗とノイズ吸収用コンデンサーは半田付けではなく丸ピンＩＣソケットに装着して調整時に
最適な値を決定しています。
トランスの２次側は両波センタータップの整流回路です。
ブリッジにするとダイオードのＶＦによるロスが２倍となります。
２ＳＤ２０７５Ａは大電流スイッチング用のトランジスタでコレクタ耐圧６０Ｖ、最大コレクタ電流１０Ａ、コレクタ損失３０Ｗ
のトランジスタで図のようにダイオード、ツェナーダイオードが内蔵されています。
コレクタ飽和電圧が小さくコレクタ電流１Ａ時の電流ゲインが５００〜１５００と非常に大きくなっています。
正常動作時は放熱不用と思いますが調整中のトラブルに備え放熱しています。
ＨＲＦ５０２Ａは以前、秋月電子で４個１パック２００円で期間限定で販売されていたのを見つけ、１０パック程購入しておいた
ものです。
５Ａ２０Ｖのショットキダイオードで順方向電圧降下が非常に小さいのが特徴です。
低い電圧の整流では効率を大きく左右します。
発振トランスは最も結果を左右する部品ですが知識が乏しいので勘と経験に頼っています。
フェライトコアの＃７７にウレタン線を巻いています。
コアのサイズは１１４で外径２９ｍｍです。
小さいと磁気飽和の可能性があるしコイルが巻きにくくなります。
＃７７コアは導電性があります。
絶縁されたウレタン線を巻くので問題無いような気がしますがコア自体も絶縁したほうが良いと思います。
まず０．６ｍｍのウレタン線をバイファイラ巻きで３０回＋３０回巻き、２次巻き線としました。
この上に０．５ｍｍのウレタン線で１次巻き線を巻きました。
バイファイラ巻きで６２回＋６２回巻き、出力電圧を確認しながらすこしずつ巻き戻します。
現状は５７回＋５７回程度になっています。
１次巻き線の巻き数を減らすことは出力電圧が上がる事を意味します。
注）２次巻き線の上に１次巻き線を巻いている。
巻き数の多い方を調整した方が細かく調整できる。
最初に出力電圧６Ｖの時１，７Ａの電流が流れるダミー負荷を製作します。
抵抗値は３．５Ω程度になります。
０．５１Ω２Ｗの酸金抵抗が多数あったので７本直列にしたところ３．６４Ωでした。
これに５０Ω１／２Ｗの抵抗をパラにして３．３９Ωにし、負荷に接続します。
入力はＣＶＣＣ電源にして電流を絞り１０Ｖ程度から通電します。
問題なければ１３．５Ｖにして負荷電圧を測ります。
最初は６Ｖより低いはずですので１次巻き線を１巻きずつ減らしながら負荷電圧を６Ｖに近づけます。
作業は面倒ですのでトランスは長いリード線のまま半田面に仮配線します。
巻き戻した巻き線は再度、巻き足す可能性もあるので切り詰めないでおきます。
もう一つ合わせ込む要素があります。
それはベース抵抗の値です。
ベース抵抗が低いとコレクタ電流が増えます。
コレクタ電流はトランジスタを確実に飽和させる程度は流す必要があります。
ただし流し過ぎると効率が下がりノイズが増えるので最適値があります。
ベース抵抗は丸ピンＩＣソケットで簡単に交換出来るようにしてあります。
ベース抵抗の最適値はコレクタ波形で判断します。
具体的にはトランジスタがオフする時のオーバーシュートの大きさで判断します。
ここら辺は経験的な要素が大きく一言では言えません。
絶えず効率を計算し波形と見比べます。
最後に両コレクタ間に小容量のコンデンサーを入れて波形を少し鈍らせます。
これで空中伝搬ノイズが減ります。
とは言っても１０Ｗを超える出力ですので、そこそこのノイズは発生すると思います。
今回の電源ははラジオ内部に組み込む訳ではないので多少のノイズは目をつぶり、効率優先で進めました。
それでも一般的なスイッチング電源やＡＣアダプターよりはノイズレベルが低くないといけません。
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| 製作したコンバータ | ケースに収納 |
基板サイズにピッタリのアルミケースがあったので収納しました。
取り扱いが便利になり、空中伝搬ノイズが低減しました。
入力に３Ａのヒューズ、出力に電源表示ＬＥＤを取り付けました。
負荷に３．３９Ωの抵抗を接続した時の効率は１１．５Ｖ〜１４．５Ｖの入力電圧範囲で７７％以上です。
グラフは負荷抵抗３．３９Ωの時と無負荷の時の入出力電圧を示しています。
実際の負荷は３．３９Ωより軽いのでグラフは青線と赤線の間の位置になります。
例えば入力電圧１３．５Ｖの時、負荷抵抗６．１５Ωを接続した場合。負荷電圧は６．２４Ｖになりました。
保護回路は出力側には付けていません。
効率が大きく落ちる為です。
入力の過電流検出だけです。
これで例えば出力をショートしたときは瞬時に出力が遮断されます。
過電流はＳＣＲでラッチします。
自動復帰にするとオンオフを繰り返します。
再起動は一旦、電源を落としてＳＣＲをオフさせた後、再び電源を入れます。
入力電圧の過大に関しては検出していませんが過電流になるので出力が遮断されます。
検出電流はＶＲで調整出来ますが、現状、入力電圧１５Ｖ以上で遮断されます。
検出電流はＶｂｅの温度特性の影響を受けます。
冬になれば遮断電圧が若干、上がる可能性があります。
ただし、アルミケース内は少しの発熱があるので温度差が緩和されるかもしれません。
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|---|---|---|---|---|
| コレクタ（ＡＣ） | コレクタ（ＤＣ） | ベース（ＤＣ） | 出力（ＤＣ） | 出力拡大（ＡＣ） |
１枚目の写真は２つコレクタ電圧をＡＣ結合で重ねて表示させたものです。
２枚目の写真は上の写真をＤＣ結合で表示したものです。
コレクタ電圧はオンの時０Ｖオフの時電源電圧の２倍になっています。
オフの時のオーバーシュートが空中伝搬ノイズの発生源ですのでベース抵抗でコレクタ電流を調整してオーバーシュートを
押さえます。
ただし、減らしすぎると動作が不安定になり、効率も落ち、ついには発振が止まってしまいます。
適度にオーバーシュートを残し、シールドで対処します。
両コレクタ間に入れたコンデンサーも波形を鈍らせノイズを減らしますが今回は扱う電力が大きく、この程度の容量では効果が
少ないです。
両コレクタ波形のオンオフの切り替わり時に隙間が発生し、効率が低下しリップルノイズが増えるので痛し痒しです。
３枚目の写真はベース電圧の波形をＤＣ結合で撮影したものです。
両トランジスタの波形を重ねると見にくくなるので片側だけ表示しています。
逆側のトランジスタは位相が１８０度ずれます。
ベースに負電圧が加わらないか心配したのですがオフからオンに切り替わる時０．８Ｖ程度のアンダーシュートが加わるだけ
ですので特に対策はしていません。
アンダーシュートの後０．６５Ｖの平らな部分はトランジスタがオンしている期間のベース飽和電圧です。
電圧は逆側トランジスタのコレクタ電圧（電源電圧の２倍）から供給され大部分はベース抵抗に吸収されます。
４枚目の写真は出力電圧を写したものです。
やや、もやっとしているのでＡＣ結合で拡大すると（５枚目の写真）１２０ｍＶｐ−ｐくらいのリップルが見られます。
３．３９Ωの負荷に１．７Ａ以上流しているので仕方ないとは思います。
実際の負荷は傍熱管のヒーターとＢ電圧用のＤＣ／ＤＣコンバータですので問題無いと思います。
直熱管のヒーターに供給すると入力信号となり問題があるかもしれません。
いずれにせよ問題があれば負荷側で対処します。
１３．５Ｖ入力の時出力に３．３９Ωの負荷を接続した状態でケースにポケットラジオを密着します。
ＦＭ放送は影響を受けませんがＡＭ放送は影響を受けます。
ただし、放送は聞き取れます。
同じラジオを９Ｖ６６０ｍＡのＡＣアダプターに近づけると放送が飛んでノイズ音だけになります。
小型のＡＣアダプタよりずっとノイズは少ないと言えます。
今回はこの程度で良しとします。
入力電圧１３．５Ｖの時、負荷に３．３９Ωを接続すると入力１３．７Ｗ、出力１０．７Ｗとなり、３Ｗが損失になります。
損失はトランジスタ、電流検出抵抗、整流ダイオード、トランスの励磁電流、コイルや配線抵抗、ＰＭＯＳのチャンネル抵抗が
発生源です。
アルミケースに蓋をした状態で長時間通電するとほんのり暖まります。
長時間触っても熱いと感じることは無く全く問題ありません。
発熱に関しては各部品には余裕があるはずです。
製作後、ヒーターの突入電流で過電流保護が動作するのでは？と悩みました。
今回の実験では負荷が純抵抗ですので突入電流はありませんでした。
突入電流は短時間ですので、とりあえず電源投入から一定時間は保護回路が働かないようにしました。
下記の回路図の定数では電源投入から約２０秒は過電流保護が動作しません。
間に合わせ的な対処です。
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ＣＶＣＣ電源でタイマー動作は確認しましたが実際の環境での動作は確認していないので問題が残っているかもしれません。
突入電流で発振が止まるようであれば２ＳＤ２０７５Ａのベース抵抗を小さくする必要があります。