窪田式FET定電圧電源にお詳しい方いらっしゃいますか？

質問

窪田式FET定電圧電源にお詳しい方いらっしゃいますか？
外付けCD-Rドライブ用に５V,12V各３Aで作ったのですが、電圧降下がひどいのです。
電流は余裕を見て３AとしたのでトランスはAC5Aのものを使い、
ブリッジダイオードも10～20Aクラスのを使っています。
定電圧回路は窪田式オリジナルのままで定数だけ変更し、
制御FETは適当にカタログから選んでK849(60V40A)とし、
補正用トランジスタは1775AEを使って1.5mAで動作させています。
今回はかつて作ったり壊したりしたアンプの残骸で、１０数年パーツ箱の中で眠っていたケミコンを多用した為、
本格運用の前に活を入れておくべきと考え、まず無負荷で所定の電圧に調整した後、負荷1Aで動作させてみたのですが、
12Vが1.2V、5Vが2Vの電圧降下で愕然としてしまいました。
とりあえず一昼夜運転して一日放置してからスイッチを入れるとかなり改善されているので、
これは古いケミコンの漏れ電流が作用したことではないか、
とりわけ基準電圧のZDに抱かせたノイズ吸収用のCに電流が流れてZDの電圧が定格に達していないためではないかと考え、
ほとんどのケミコンを新品と交換すると、かなり改善されたのですが、いまひとつというところで、
1A負荷で12Vが11.72V、5Vが4.36Vという結果です。
仮に負荷を2Aとしてみたところ、それぞれ11V、4Vとなってやはりこれは使えないな、と。
最初から気になっていたのはFETのON抵抗ということだったのですが、
調べてみると2SK849は38mΩと十分低く、問題はなさそうです。
ただ5Vの方はZD(05Z3.9)の電圧が3Vしかでておらず、これは849のカットオフ電圧のmax値ぎりぎりのところなのが気になるところで、ダイオードの固体差としても低すぎると思うのですが、別の同品番と取り替えて結果を見ようと思います。
にわか勉強ではゲート電圧の設定次第でON抵抗はかわるのですね。
12Vの方は05Z5.1を使っていて、これはカットオフ電圧は十分クリアーしているので、
ON抵抗が全体の問題ではないのは明らかです。
窪田氏の著書を読みかえしてみますと、この電源は負荷が0～150mAで電圧の変動がゼロだと自慢しておられますが、
氏の設計は2Aという電流を想定されておらず、どこかで原理的に無理があるのか、
あるいは窪田式電源というのはこの程度の安定度なのか、
電子回路をきちっと勉強していない私にはわかりません。
どなたかアドヴァイスをお願いいたします。

回答No.8

xpopo · ベストアンサー

こんばんわ。

　これまでの質問と回答のやり取りからほぼ重要な部分の回路がはっきりしてきましたので、こちらで回路図をまとめてみました。
　その結果、明らかになってきたことを下記にまとめました。

１）１２V電源
　　回路図中の定電流ダイオードD3(E152）の定電流動作に最低限必要な電圧（肩電圧Vk)はカタログ
　データ（添付のURLにあるｐｄｆファイルに載ってます。）より２V以上必要です。質問者はこの電圧
　を０．８Vと書いてましたが、２V以上必要です。

２）　１２V電源のダイオード整流後の必要最小限のDC電圧VDCminはQ3(K849）のゲートピンンチオフ電圧をVGSoff、D3（E152）の肩電圧をVk、抵抗R4に発生する電圧効果量をVR4としますと、

　　VDCmin　=　12V　+　VGSoff　＋　Vk　＋　VR4　=12V　+　2V　+　2V　+　1.5V　
　　　　　　=　17.5V
になります。この電圧以上出せるトランスを選択する必要があります。

３）　５V電源
　　こちらも同様に、ダイオード整流後の必要最小限のDC電圧VDCminは

　　VDCmin　=　5V　+　VGSoff　＋　Vk　＋　VR4　=5V　+　2V　+　2V　+　1.5V　
　　　　　　=　10.5V
　を出せるトランスが必要になります。

４）　５V電源のツェナーのバイアス用定電流ダイオードD8(E452)

　　D8(E452)のVkは3.9VですのでD8のアノード側を５Vにしてカソード側を３．９Vにしようとすると
　D8には差し引き1.1Vしか残りません。必要な3.9V以上をこの設計では与えることができません。

　　したがって、D8(E452）は定電流ダイオードとして機能させられません。

　　　回路変更が必要です。回路図にも描きましたが、D8を470Ωの抵抗に置き換えて、更にQ5のベース　　とGNDの間に１００uF程度のコンデンサを追加するという変更を行えば、問題は解決します。

以上です。

参考URL：

http://www.semitec.co.jp/products/crd/crd_e.html

お礼

トランスの出力電圧とCRDの使い方について大変良くわかりました。丁寧な図面までつけていただき本当にありがとうございます。早速試してみます。

回答No.9

KEN_2

>また２）の別電源をゲートのドライブに当てる方法はなかなか魅力的です。参考図例のURLなどありましたら教えていただけますか？

参考図例のURLは現在みつかりませんが、下記製品の取り扱い説明書と同梱の技術資料の動作原理に記載されていたのと、CQ出版社の「トランジスタ技術」の連載か「定電圧電源の回路設計」にも取り挙げられていました。
可変出力電圧で、0V～35V程度まで可変のシリーズレギュレータ方式の効率改善の方法の一方式で採用されている部分です。
ゲート電圧加算電源の為に、トランスに小容量の別巻線が必要になるのと、整流と平滑コンデンサが必要ですので、固定出力電圧の場合は回路部品が増加とコストの関係で積極的には採用されていない方式であるのは承知しておいてください。
もう一つの方法として、ＰチヤネルFETかPNPのトランジスタを使用することで回避している対処方法もあります。

高信頼性電源
PAD-L/LPシリズ　の技術資料の動作原理に記載がありました。
http://www.kikusui.co.jp/catalog/pad-l_j.html

簡単な方法ですので、文章で要点で書き出しますから参考にしてください。
<次の時定数回路は1k+100μです。>この入力電圧に以下の別電源を加算してVgの電圧をVddよりも5Vから7V程度高い電圧を印可します。
１．別巻線のAC3VからAC5V程度で、0.1A程度の容量のトランスを準備します。
２．ブリッジ整流回路と平滑コンデンサを接続します。
３．この平滑コンデンサの-側をMOS-FETのドレインの入力電圧側に接続します。
４．平滑コンデンサの+側を<次の時定数回路は1k+100μです。>に接続します。
以上でゲート電圧加算電源となり、入力電圧Vddを抑えて電源効率を向上させてドライブ側の動作電圧範囲を拡大します。

お礼

よくわかりました。早速実験してみたいと思います。なお、手元のAC12V定格のトランスの8VタップをDC5V用に使い、E452を抵抗220Ωに替えて試したところ、なお2A負荷時に0.1V程の電圧降下があり、E152の両端電圧はまだ1.3V程度なので,10Vタップを用いてようやくE152にかかる電圧を4.1Vとし,2A負荷時の電圧降下を0.02Vとすることが出来ました。ご指導どうもありがとうございました。

回答No.7

KEN_2

ANo.2,5 です。
一通り回路図の部品定数が読み取れました。
予想通りで、原因は2項目ありますが、主原因はCRDの利用の1原因です。
１．12V、5Vのゲートドライブ電圧が低い。（VGSが低下する。）
２．5Vの基準電圧にCRDを使っているが、5Vでは電圧不足である。
＊定電流回路用にCRDを使っているが、ピンチオフ電圧(肩特性)：3.7Vを考慮すると
　5V、12Vのゲート電圧は、Vgs(off)が1.5～3.5Vとピンチオフ電圧3.7Vを加えると5.2V～7.2V高い電圧が必要である。
　 5Vの基準電圧もZD電圧とCRD電圧のピンチオフ電圧3.7Vを加えると、出力電圧9V以下では安定しないい

参考：定電流ダイオード（CRD）の原理と使い方
http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/41/41241/41241_5syo.pdf

原因・対策：
１．5Vの基準電圧回路の問題
定電流ダイオード（CRD）：E-452
ピンチオフ電圧(肩特性)：3.7V
ピンチオフ電流：3.90～5.10mA
つまり、
　12Vの基準電圧側；E-452 + 05Z5.1　→　3.7V + 5.1V ＝ 8.9V　OK
　 5Vの基準電圧側；E-452 + 05Z3.9　→　3.7V + 3.9V ＝ 7.6V　NGで2.6V電圧不足
よって、5Vの基準電圧側は、CRDを止めて抵抗に置き換える。
Irを5mAとすると、5V-3.9V(ZD）/0.005A　＝220Ω　←これで5V基準電圧は安定します。

２．12V、5Vのゲートドライブ電圧の対処
方法に2通りあります。
1）CRDのピンチオフ電圧をVk；2.3V/2.7V　程度のE-202かE-272を使用する。（Ip；約1.68～2.32mA、2.28～3.10..）
2）ゲートドライブ電圧をDC+3～+5V増加させる追加簡易電源を、5V、12V電源入力電圧の上に
追加してドライブ電圧のみを増加させる。
＊この方法はトランジスタ式のシャントレギュレータの効率向上の常套手段で、電源トランスの出力電圧低下・MOS_FETの損失低下で発熱が低下しトランスも現有の物が使えます。

>ありがとうございます。直接JPGに変換した画像を作ったのですがアップするボタンがみつかりません。
一度画像などをアップしたら追加修正はできません。
新規に再度レスを立てるかアップ・ローダのサイトを利用するかしなければなりません。
ご参考に・・・・・

補足

CRDの使い方について大変良くわかりました。早速実行してみます。また２）の別電源をゲートのドライブに当てる方法はなかなか魅力的です。参考図例のURLなどありましたら教えていただけますか？

回答No.6

hs001120

No.1です。
トランスの選択を誤っているのはもっとも大きな問題です。

>12Vの方は16.6
無負荷でそれでは、負荷をかけた場合は致命的です。
平滑用Ｃが15000μ+1000μで2Aの条件で、地域を50Hz地域と仮定すると、概算で
一般的な平均値表示タイプのテスターで表示される直流電圧値でも15V前後、
実際にはその値を中心に10ms周期で1.5Vp-p程度変動している事になるはずです。
このタイプの定電圧回路の入力としては、その変動している状態の下限の電圧を
十分高く確保する必要があります。
無負荷で16.6VということはAC12V定格のトランスを選択してしまってるのでは
無いかと思いますが、出力電圧の安定性を要求する場合には選択誤りです。

お礼

おっしゃるとおりAC12V定格のをDC12V用としています。プラス３Vの余裕があればOKかと思ったのですが、そういうわけではないのですね。今週末、この12V用の8VタップをDC5V用として実験してみます。ありがとうございます。

回答No.5

KEN_2

ANo.2 です。
>１．誤差検出用の（トランジスタの）ゲインが低い、とはつまり2SC1775AEでは不適当だということでしょうか。あるいは何処かの定数を変えればよいのでしょうか。具体的な対策をご教示いただけますでしょうか。
2SC1775AEでは不適当ではありません。
回路定数と印可電圧が何Vかが重要です。

>２．ZDに流す電流、これは私も今朝思いついたことでした。一つ覚えで4.5mAにしていました。では適当な電流値はどのくらいなのでしょうか。
ZDに流す電流；約5mAで大丈夫です。

＊申し分け有りませんが、添付画像の部品常数が読み取れないので、雰囲気で読み取っています。
ANo.3,4 さんも同じ様な指摘をされていますが、電源の入出力電圧差とゲートバイアスの電圧が不明です。
もし宜しければ各電圧と抵抗値をお知らせください。
鮮明回路図を別途アップが可能なら、そちらも検討ください。

補足

ありがとうございます。直接JPGに変換した画像を作ったのですがアップするボタンがみつかりません。
文字で説明させていただきますと、平滑用Ｃは15000μ、以下を別筐体に入れる予定だったので定電圧基盤の頭に更に1000μいれています。次の時定数回路は1k+100μです。1775AEは1.5mA流すということでMosFETのゲートにつながる定電流ダイオードはE152を使っています。ここまでは12V,5V共通です。基準電圧の部分は12Vの方がE452(4.5mA)+05Z5.1、5Vの方はE452+05Z3.9です。共通エミッタ抵抗は12Vが1.5k、5Vが1kで、出力の分圧回路は4.5mA流したときにベース、アース間が12Vの方は5.1V、5Vの方は3.9Vになるように決定しています。出力にパラに入れたのは100μです。
これで何かのヒントになりましたでしょうか。

回答No.4

xpopo

はじめまして、横から失礼いたします。

回路図がとても重要なんですが、解像度が低くて、素子の名前や定数が読み取れません。できれば
鮮明な回路図をアップしていただくとアドバイスもより的確にできるんですが．．．。無理ですかね。

　では質問させてください。

１）　トランス出力をダイオードで整流後の電圧は何Vありますか？
　　この電圧は最低、安定化出力電圧（たとえば１２V)＋NMOSを動作させるのに必要なゲート－ソース間電圧（この場合、２～３V程度は必要のようです。）＋NMOSのゲートをドライブするための低電流ダイオードが定電流動作を行うのに必要なダイオードのアノード－カソード間の最低電圧（最低でも１V程度は必要か？）
＋（その定電流ダイオードのアノードに流れる体電流の値）×（定電流ダイオードのアノードとトランス出力の整流後の出力間に接続された抵抗の抵抗値、（たとえば定電流値が５ｍAで抵抗が1kΩの場合は5×1=５Vになる)）を求めます。この電圧がダイオード整流後の電圧より大きい場合はトランスの出力電圧が足りないことになります。もし、そうならば、NMOSのゲートに正常動作に必要な十分な電圧を供給できませんので、ゲインが大幅に低下してしまい定電圧制御性能が悪化してしまいます。もし、この電圧がダイオードで整流後の電圧より低ければ、ゲインは非常に大きくなり、負荷電流の１Aや２A程度の変動にはビクともしない定電圧性能が発揮されるはずです。

２）トランジスタの差動回路の共通エミッタの電圧Veはいくらありますか？
３）その共通エミッタとGND間の抵抗REの抵抗値はいくらですか？
　　REはNMOSのゲートにカソードが接続された定電流ダイオードの定電流値Igateの大体2倍流せるような値に設定するのが適切な設計です。すなわち　RE＝Ve／（２×Igate）で計算される値に近いですか？もしそうでなければ、REを変えてください。

それから、基準電圧のツェナーダイオードの電圧が低めなのはそのままにしておいて出力を分圧している抵抗分圧回路の下側の抵抗を少し小さくして出力電圧が予定の電圧になるように調整してみてください。
多分、それで十分だと思います。

補足

大変丁寧なご説明、ありがとうございます。まず１）ですが、無負荷状態で各電圧を実測してみました。おっしゃるとおりに合算してみますと、12Vの方は16.6＜(12+2.5(仮に）+0.8+1.5=16.8)となってちょっと苦しい感じです。また5Vのほうは8.6＜(5+2.5+0.27+1.5=9.27)となってさらに苦しいですね。トランスの選択を誤ったというところなのでしょうか。また現在使用しているK849はデータシートではVgs(off)が1.5～3.5Vとなっていますが、最近入手したK1298は1～2Vとなっています。こちらに交換すると改善される可能性がある思ってよいのでしょうか。また5Vの方の定電流ダイオードの両端電圧がやけに低いのが気にかかります。抵抗1KΩを220～330Ω程度にすべきなのでしょうか？　
２）と３）ですが、おっしゃるとおりの設計にしています。12Vの方は1.5mA(E152)*2*1.5kΩ=4.5Vのところ実測値は4.1V、5Vのほうは同様に3mA*1kΩ=3Vのところ、実測値は2.36Vとなってちょっと低いなという感じです。これは前出の1KΩを小さくすることによって改善されるのではないでしょうか。
画像は少しましなのをアップしようとしていますが、ボタンの場所がわからなくて難義しています。

回答No.3

xpopo

はじめまして、横から失礼いたします。

回路図がとても重要なんですが、解像度が低くて、素子の名前や定数が読み取れません。できれば
鮮明な回路図をアップしていただくとアドバイスもより的確にできるんですが．．．。無理ですかね。

　では質問させてください。

１）　トランス出力をダイオードで整流後の電圧は何Vありますか？
　　この電圧は最低、安定化出力電圧（たとえば１２V)＋NMOSを動作させるのに必要なゲート－ソース間電圧（この場合、２～３V程度は必要のようです。）＋NMOSのゲートをドライブするための低電流ダイオードが低電流動作を行うのに必要なダイオードのアノード－カソード間の最低電圧（最低でも１V程度は必要か？）
＋（その定電流ダイオードのアノードに流れる体電流の値）×（定電流ダイオードのアノードとトランス出力の整流後の出力間に接続された抵抗の抵抗値、（たとえば定電流値が５ｍAで抵抗が1kΩの場合は5×1=５Vになる)）を求めます。この電圧がダイオード整流後の電圧より大きい場合はトランスの出力電圧が足りないことになります。もし、そうならば、NMOSのゲートに正常動作に必要な十分な電圧を供給できませんので、ゲインが大幅に低下してしまい定電圧制御性能が悪化してしまいます。もし、この電圧がダイオードで整流後の電圧より低ければ、ゲインは非常に大きくなり、負荷電流の１Aや２A程度の変動にはビクともしない定電圧性能が発揮されるはずです。

２）トランジスタの差動回路の共通エミッタの電圧Veはいくらありますか？
３）その共通エミッタとGND間の抵抗REの抵抗値はいくらですか？
　　REはNMOSのゲートにカソードが接続された定電流ダイオードの定電流値Igateの大体2倍流せるような値に　　設定するのが適切な設計です。すなわち　RE＝Ve／（２×Igate）で計算される値に近いですか？もしそうでなければ、REを変えてください。

それから、基準電圧のツェナーダイオードの電圧が低めなのはそのままにしておいて出力を分圧している抵抗分圧回路の下側の抵抗を少し小さくして出力電圧が予定の電圧になるように調整してみてください。
多分、それで十分だと思います。

回答No.2

KEN_2

駄目出しになりますが、誤差検出用の利得が低いのと、基準電圧のZDに流している電流が少ないのも原因です。
原理的には定電圧電源の基礎回路ですので、回路常数の適・不適で安定動作に直結する部分があります。
また電流容量は必要以上に余裕を見過ぎている部分もあります。
1.過剰に電流容量の大きいブリッジダイオードも10～20Aクラス　←無用です。2倍の4／5Aで充分です。
2.制御FETは適当にカタログから選んでK849(60V40A)は必要ありません。　←許容PC電力です。
3.FETのON抵抗ということだったのですが、調べてみると2SK849は38mΩと十分低く、問題はなさそうです。　←本回路方式では関係しません。
4.１０数年パーツ箱の中で眠っていたケミコンを多用した　←液漏れなどで静電容量はほとんど期待できません。新しい電解コンデンサを使用してください。
＊シリーズレギュレータ方式ですので、整流出力電圧と12Vと5Vの電圧差が3Vから5Vを確保するのが重要です。

現在簡単で低コストで作成可能です。下記のキットや3端子ICで実現可能です。
検討してみてください。

実験室用　定電圧安定化電源キット（パワートランジスタ仕様）
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-00202/
http://akizukidenshi.com/download/kairo/データ/電源関係/実験室用精密級%20定電圧安定化電源キットVer3.pdf
大容量出力可変安定化電源キット ＬＭ３３８Ｔ使用 最大５Ａ
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-00096/
http://akizukidenshi.com/download/kairo/データ/電源関係/LM338T使用安定化電源キット.pdf

補足

アドヴァイスありがとうございます。２点わからないことがありますので質問させていただきます。
１．誤差検出用の（トランジスタの）ゲインが低い、とはつまり2SC1775AEでは不適当だということでしょうか。あるいは何処かの定数を変えればよいのでしょうか。具体的な対策をご教示いただけますでしょうか。
２．ZDに流す電流、これは私も今朝思いついたことでした。一つ覚えで4.5mAにしていました。では適当な電流値はどのくらいなのでしょうか。
以上よろしくお願いいたします。

回答No.1

hs001120

アドバイスですが、回路図を貼り付けする事をお勧めします。

参考にした回路図から色々変えているとは思いますが、
多分書き込みを省略されている変更ポイントが解り難いです。
例えば、基にした回路の負荷が0～150mAで、製作したものは3A想定と20倍なので
当然コンデンサー類も20倍の容量を用意していると思いますが
その様な基本的な部分を当たり前の事だからと言って書くのを省略されると
問題点がとても見え難いです。
ここの掲示板には図や写真を貼り付ける機能があるのですから、
有効に利用することをお勧めします。

補足

なんとか画像を貼り付けてみましたが、不鮮明で申し訳ありません。BMP-JPEGで直接変換できればもう少しきれいになるかと思いますが、、、