電力増強回路に関して

質問

http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/outpow.html
を見ていました。
この出力増強回路の動作原理を理解したいと考えていたのですが、わからないことがたくさんあります。

この回路に正弦波を入力した場合、正弦波の＋側はNPN側で、正弦波の－側はPNP側で分けられるのかがわかりません。

(1)二つのNPNとPNPの二つのトランジスタのエミッタが下記の
http://www.gxk.jp/elec/musen/1ama/H15/html/H1504A07_.html
[1]のようにグランド接地であれば、理解できる気がするのですが、
上記の出力増強回路だと、何を基準にして、プラスならNPN、マイナスならPNPと考えたら良いのかがわかりません。

また、例えば、オペアンプに±15Vを供給して、コレクタへの供給電圧には
±30Vの電源を供給し、正弦波を入力信号として増幅したとして、出力はやはり、±15Vの正弦波が限界なのでしょうか。

結局は±30Vの正弦波を得たい場合、オペアンプにも±30Vを供給する必要があるのでしょうか。どのように考えたら良いのかがわかりません。

回答No.8

inara1

平日は仕事なので検討できませんが今日また実験しています。

回答No.7

inara1

今日、電力増強回路の部分を作って実験してみましたが、オフセット電圧（入力電圧を0Vにしたときの出力電圧）が大きいという問題が判明しました。トランジスタのバラツキが原因ですが、バラツキに強い回路を考えてみますのでしばらくお待ちください。

お礼

何から何まで申し訳ありません。

全く関係のないことなのですが、本が届き、読み始めました。
紹介していただいてありがとうございました。

回答No.6

inara1

＞10kHzで間に合うと思います
回路シミュレータで周波数特性を見たところ10kHzは大丈夫です。負荷抵抗が大きいほど電圧利得が大きくなるので周波数特性が悪くなりますが、無負荷でも10kHzは越えています。

＞近々定本　トランジスタ回路の設計が家に届く予定です
早いですね。本当はMOS-FETのほうが設計が楽なのですが、±50V電源だと100V以上の耐圧が必要で、そういうMOS-FETは通販では入手しにくいので、秋葉原の秋月電商で売っている2SC5198と2SA1941のコンプリメントのトランジスタを予定しています。

土日はお休みなので実験してみます。

お礼

何とお礼を言ったら良いのかわからないのですが、
本当にいろいろありがとうございます。。

教えていただいたトランジスタのデータシートなど目を通してみようと思います。

回答No.5

inara1

回路シミュレータでの設計は終わりました。
±50V電源で±49V出力できます（電力増幅段の電圧ロスが1Vくらいあります）。最大電流は2Aです（電流リミッタを入れています）。電力増幅段の電圧利得は10倍以上あるので、組み合わせるオペアンプの最大出力電圧は±5V程度あれば、最終的な出力電圧は±50V程度出ます。

すでに部品をそろえています（通販で入手できるものにしました）。これから実験してみてちゃんと動作したら回路を公開します。ところで、周波数帯域はどれくらい必要ですか？10kHz程度あればいいでしょうか。

補足

本当にありがとうございます。
今まで小信号を扱っていたため、正直大電圧、大電流を扱うのは非常に
知識がないと設計できないなと考えていました。
近々定本　トランジスタ回路の設計が家に届く予定です。
きちんと勉強して、回路の動作も理解しながら進めていきたいと思います。

周波数帯域に関してですが、私が扱う周波数は4kHzです。
なので10kHzで間に合うと思います。

回答No.4

inara1

＞最大負荷電流は1.5A程度
出力電圧（負荷に印加される電圧）の最大値は±30Vでよろしいでしょうか。負荷は抵抗ですか。負荷が抵抗だったら、最大負荷電流の 1.5A が流れるのは出力電圧が±30Vのときなので、最小抵抗値は20Ωになりますが、20Ωの抵抗負荷のとき、電力増幅段のトランジスタの損失（発熱量）は最大で ( 30V^2 )/( 4*20Ω ) = 11.25W になります。しかし、負荷が抵抗でなく、電子負荷のように、±30Vの出力電圧範囲内のどの電圧でも最大1.5A流れるような場合、トランジスタの損失の損失は最大で 60V*1.5A = 95W にもなります。トランジスタの最大発熱量が11.25Wと95Wでは使うトランジスタが変わってきます（95Wだと放熱もかなり大変）。負荷はどのようなものなのでしょうか。

＞トランジスタも組み込んだ回路設計ができるようになりたい
最近はアナログ回路の書籍が少なくなりましたが、以下の２冊は良い本だと思います（持っています）。「続」がついていないほうはバイポーラトランジスタ、「続」のほうはMOS-FET中心の内容で、２つの書籍の内容は全く違います。

定本　トランジスタ回路の設計　http://www.amazon.co.jp/%E5%AE%9A%E6%9C%AC-%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%B8%E3%82%B9%E3%82%BF%E5%9B%9E%E8%B7%AF%E3%81%AE%E8%A8%AD%E8%A8%88%E2%80%95%E5%A2%97%E5%B9%85%E5%9B%9E%E8%B7%AF%E6%8A%80%E8%A1%93%E3%82%92%E5%AE%9F%E9%A8%93%E3%82%92%E9%80%9A%E3%81%97%E3%81%A6%E3%82%84%E3%81%95%E3%81%97%E3%81%8F%E8%A7%A3%E6%9E%90-%E9%88%B4%E6%9C%A8-%E9%9B%85%E8%87%A3/dp/4789830489
定本　続トランジスタ回路の設計　http://www.amazon.co.jp/%E5%AE%9A%E6%9C%AC-%E7%B6%9A%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%B8%E3%82%B9%E3%82%BF%E5%9B%9E%E8%B7%AF%E3%81%AE%E8%A8%AD%E8%A8%88%E2%80%95FET-%E3%83%91%E3%83%AF%E3%83%BCMOS-%E3%82%B9%E3%82%A4%E3%83%83%E3%83%81%E3%83%B3%E3%82%B0%E5%9B%9E%E8%B7%AF%E3%82%92%E5%AE%9F%E9%A8%93%E3%81%A7%E8%A7%A3%E6%9E%90-%E9%88%B4%E6%9C%A8/dp/4789830470

補足

遅くなり申し訳ありません。。
最大値に関してですが、以前はオペアンプで高電圧を供給できる素子を探していたので、帯域やスルーレートなども考え合わせた上で、±30Vで考えていたのですが、教えていただいた回路であれば、オペアンプの供給電圧以上の出力を得られるので、最大電圧値は±50Vに変更しようかと思っていました。ですが、高電圧になればなるほど難しいのですね。

負荷は抵抗です。かけた電圧によって電流値が変わるものです。

定本　トランジスタ回路の設計　は以前から気になっていた本なので、是非勉強しようと思います。

回答No.3

inara1

＞いつも丁寧な回答
スルーレートと最大電源電圧で回答していましたね。高出力電圧のオペアンプは高価で入手しにくいのでトランジスタを使って高電圧化する回路のほうが汎用性があって良いと思います（勉強にもなります）。

＞Vout=-Vin*(R2/R1)とあるのですが、入力と同じ電圧しか得られないのでしょうか
この回路（http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/outpow.html）の場合、オペアンプの後ろのトランジスタ回路の電圧利得が1未満なので、オペアンプの最大出力電圧を超える出力電圧は得られません(R2/R1 > 1 としても）。参考URLに、このトランジスタ回路の入出力特性のシミュレーション結果を示します。トランジスタ回路の電源電圧が±30Vでも±50Vでも、電圧利得が1未満なので、入力電圧の範囲（±15V）を越える出力電圧は出ません。これはトランジスタ回路が単なるエミッタフォロアになっているからです。ダイオードと抵抗は、無信号時にもベース電流が流れるようにしているだけで、回路自身の電圧利得は1（未満）です。

最終的な出力電圧をオペアンプの出力電圧より大きくしたい場合、後ろのトランジスタ回路の電圧増幅率が、「最終的な出力電圧/オペアンプの最大出力電圧」より大きなるようにく設計しなければなりません（当然です）。ANo.2で紹介したサイト（http://www7b.biglobe.ne.jp/~kochan/workshop/analog/highvolt.htm）の一番上の 「(b)逆相アンプ」 なら、電圧増幅率を1より大きくできます。したがってこの回路の電源電圧を±30Vにすれば±30V（60Vpp）近くの出力電圧が得られます。負荷電流の大きさによって抵抗値を若干変える必要がありますが、最大負荷電流は何Aくらいですか。それが分かれば設計して、その結果をまたお知らせします。

補足

回答ありがとうございます。

＞トランジスタを使って高電圧化する回路のほうが汎用性があって良いと思います（勉強にもなります）。
私はオペアンプ中心の回路を設計、作製し始めたところなのですが、トランジスタも組み込んだ回路設計ができるようになりたいと考えています。トランジスタに限ってではないですが、回路を見て動作原理など理解することは非常に難しいですね。

＞オペアンプの後ろのトランジスタ回路の電圧利得が1未満
エミッタフォロアは電圧利得は高くないのですね。これは電流を大きくするための回路なのですね。

＞最大負荷電流は何Aくらいですか。
最大負荷電流は1.5A程度を考えています。ただ、この回路の出力の負荷の大きさがその都度変わるため、その辺も考慮しなくてはいけないのかと考えていました。

回答No.2

inara1

＞これはオペアンプの＋入力の電圧の上昇ではないのかと思ったのですが
質問を横取りするようで申し訳ありません。
オペアンプの反転入力端子（－）の電圧が上がる（＋側に大きくなる）というのは、オペアンプ側から見れば、非反転入力端子（＋）の電圧が下がるというのと同じです。ですから、オペアンプの出力電圧は下がる方向（－の電圧側）に動きます。

＞グランド接地であれば、理解できる気がするのですが
本当ですか？この回路（Fig.HD0106_a）は間違っています。
エミッタが接地されていたら負荷に電流が流れません。回路図には示されていませんが、負荷の右側も接地電位です（でないと負荷に直流電流が流れ続けてしまいます）。抵抗の両端が接地電位では電流は流れません。正しい回路はエミッタを接地しないものです。ただし、この回路は、クロスオーバ歪が出るからよくないという例です。

より改善された回路がそのページ（http://www.gxk.jp/elec/musen/1ama/H15/html/H1504A07_.html​）の一番下にある Fig.HD0106_c です（こちらはエミッタが接地されていません）。この回路にはダイオードを使ったバイアス回路があるため、無信号（入力電圧が0V）のときでも、２つのトランジスタのベース電流は流れます（Fig.HD0106_a では -0.6V < 入力電圧 < 0.6V のときはベース電流が流れません）。 ２つのトランジスタの特性がそろっていれば、NPN側とPNP側の電圧は入力電圧に対して対称になるので、エミッタ電圧と入力電圧は等しくなります。したがって、この回路の電源電圧が±30Vでも、入力電圧の範囲より大きくなりません。質問文の最初の回路（http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/outpow.html）も同じで、電圧に関しては増幅作用はありません。この回路の動作についてはANo.1さんが書かれている通りです。

オペアンプの出力電圧を超える電圧を出したい場合は、ここ（http://www7b.biglobe.ne.jp/~kochan/workshop/analog/highvolt.htm）の一番上の 「(b)逆相アンプ」 ようにします。この回路では1kΩとR1の働き（電圧シフト）によって、トランジスタQ1のベース電圧は電源電圧（+150V）の近くまで引き上げられます（そのベース電圧は入力電圧と同じように変化します）。トランジスタQ2も同じで、ベース電圧は負の電源電圧（-150V）の近くまで引き下げられます。そのため、Q1とQ2のコレクタ電圧は大きな範囲で動くことができます。Q1とQ2のコレクタ電圧が大きく動けばQ3とQ4のエミッタ電圧も大きく動きます。そのためこの回路では入力電圧より大きな出力電圧範囲が得られます。この回路の電圧増幅率は R2/R1 になります（この回路では1M/100kΩ = 10倍）。入力と出力の位相は逆です。

この電圧ブースターをオペアンプと組み合わせたのが上から３つ目の回路です。Q5とQ6は出力電流を制限するためのものです。電圧ブースター回路で位相が反転しているので、オペアンプの「非反転端子」に帰還をかけています。回路全体の電圧利得は、オペアンプの増幅回路と同じで（電圧ブースター回路を含めて全体を１つのオペアンプと考える）、入力信号端子と直列に入っている抵抗を Rs、帰還回路に入っている抵抗を Rf とすれば、電圧増幅率は Rf/Rs となります。入力と出力の位相は逆です。 「(b)逆相アンプ」 ではNPN側とPNP側の回路がバランスしていないと無信号入力でも出力にDC電圧（オフセット電圧）が出てしまいますが）。この回路ではオペアンプで入出力信号間の誤差を補正されるので、オフセット電圧はオペアンプ自身のオフセット電圧（数mV）程度に収まります。この回路ではオペアンプの入力端子（＋）の電圧が常に0Vになるようになっているので、電圧ブースタ側の電源電圧がいくら高くてもオペアンプが壊れることはありません（もちろん電圧ブースタ側の回路があまりに上下非対称になっていると、オペアンプの出力端子に大きな電圧がかかるので壊れることはあります）。

補足

いつも丁寧な回答をありがとうございます。
非常に勉強になります。

質問なのですが、
＞エミッタ電圧と入力電圧は等しくなります。したがって、この回路の電源電圧が±30Vでも、入力電圧の範囲より大きくなりません。

http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/outpow.html
の電力増強回路の入出力の関係なのですが、
Vout=-Vin*(R2/R1)とあるのですが、入力と同じ電圧しか得られないのでしょうか。この回路で電圧の増幅度を上げて入力信号が20Vppから60Vppにまで上げられるのではないかと考えていました。

回答No.1

maccha_neko

”分けている”というイメージをまず捨ててしまいましょう。
で、オペアンプも「コンパレータ」すなわち、＋と－の電圧を比較して＋の方が高ければ出力はひたすら＋側に、－側の方が高ければひたすら－側に振れようとするものだと考えましょう。

さて、正弦波を加えたとします。＋側だとすると、オペアンプの－入力の電圧の上昇になります。（まずはトランジスタから戻っている抵抗側は無視してください）
すると、出力はどんどん－側に向かいます。するとダイオード経由で上側のトランジスタのベース電流を横取りする形になりますので、上側のトランジスタのエミッタ電流は減る方向に向かいます。
一方、下側のトランジスタはというと、ダイオード経由で流れていた電流が減りますので、その分トランジスタのベース電圧が下がり、ベース電流（エミッタ＝＞ベースに流れる電流）が増えて、エミッタ電流も増える方向に向かいます。

Tr1、Tr2を抵抗と考えるとTr1の抵抗値が増加（エミッタ電流が減る）、Tr1の抵抗値が減少するのですね。
（負荷として抵抗をつないで抵抗の反対側をGNDとして考えても良いと思います）

このため、出力電圧もVee側（マイナス側）に振れていきます。これがぐるーっと回ってオペアンプに戻っていますよね？オペアンプのー入力は入力電圧と（トランジスタ経由の）出力電圧が分圧された電圧になっていますから出力電圧が下がれば－入力の電圧も下がってきます。
どんどん下がってもし＋入力電圧より低くなると、今度は逆向きになって元に戻ろうとしますので、結局＋とーがつりあったところで出力電圧も安定するわけですね。
入力が－側になったときはこれとは逆の動きです。

正弦波を入れられると、こんな「おいかけっこ」しながら出力が出てくるのですね。

＞また、例えば、オペアンプに±15Vを供給して、コレクタへの供給電圧には
＞±30Vの電源を供給し、正弦波を入力信号として増幅したとして、出力はやはり、±15Vの正弦波が限界なのでしょうか。

限界ではないですけど、出力がオペアンプの電源電圧を越えている場合には、フィードバックを工夫して、万が一にもオペアンプの入力電圧がオペアンプの電源電圧を越えないように設計してやらないとオペアンプを壊してしまう可能性があるでしょう。

今は無償の回路シミュレータもありますから、いろいろ試してみると良いと思いますよ。LTSpiceなんかは有名ですね。
http://www.linear-tech.co.jp/designtools/software/

補足

ご回答ありがとうございます。
「＋側だとすると、オペアンプの－入力の電圧の上昇になります。」
これはオペアンプの＋入力の電圧の上昇ではないのかと思ったのですが、
なぜ、－入力電圧の上昇になるのかがわかりません。

知識不足で申し訳ありません。。