単一電源（+5V）からオペアンプ用の両電源を作る

質問

お世話になります。
5Vの電源からオペアンプ、ADコンバーター用の両電源を作る方法を検討しています。
電圧の計測をしたいので極力安定した電源にしたいのですが趣味の範囲なので安価に済ませたいです。
その一方で高精度の計測に使えるような極力安定した電源を作りたいです。
ネットで色々見つけたのですが結局どれが良いのか分からないのでお勧めを教えて下さい。
また、これ以外に良い方法があれば教えて下さい。

※記載した方法はチャージポンプが基本になっていますが、そもそもチャージポンプ自体が電源のノイズという点で気になってます。本当はディスクリートで組む電源の決定版みたいなのがあると嬉しいのですが・・・）

【条件】
１．5V、0.5A（ACアダプタ、USB）から＋５Ｖ（0.2～0.3A）、±１２Ｖ（0.1A以下。昇圧で厳しいなら±7V～±9Vも可。入力電源より高く、両電源になれば良い）を取り出したい
→＋5Vは入力をそのまま使用し、±１２Ｖの方をどうにかして作ることになると思っています。

２．なるべく専用のICは使わない（できればPICで済ませたい）
→負電源を作るICもありましたが秋月で買ったＰＩＣ１２Ｆ６７５－Ｉが余っているので・・・

【候補】
案１．チャージポンプで昇圧して+12Vを作り、その+12Vをチャージポンプで反転させて-12Vを作る

　　(A)チャージポンプによる負電源　http://analog-engineer.cocolog-nifty.com/blog/2011/11/post-1220.html

　　(B)８ピンＰＩＣで作る　オペアンプ用　負電源　http://picavr.uunyan.com/experiment_nega.html

　　(C)LTspiceでチャージポンプ負電源　http://gomisai.blog75.fc2.com/blog-entry-487.html

案２．チャージポンプで昇圧して+24Vを作り、オペアンプで分圧して±１２Ｖにする。

(D)オペアンプで分圧して両電源を作る　http://www.ccad.sist.chukyo-u.ac.jp/~mito/ss/Hardware/ANcircuit/opAmp2/image13.jpg
　　　元ネタ：http://www.ccad.sist.chukyo-u.ac.jp/~mito/ss/Hardware/ANcircuit/opAmp2/index.htm

素人考えでは何となく案2の方が良いような気がするのですがどうなのでしょうか？

【案２が良いと思った理由】
＋側も昇圧が必要だが案2はチャージポンプが1回で良い（案１は＋用と－用の2回）

【案２の不安な点】
案1、案２ともにノイズが心配。
5倍の昇圧はかなり無理があるような気がする。（オペアンプがドライブできれば良いが大丈夫か？）
GNDが安定するのか？（案１はGNDは変わらないと思うが案2はオペアンプで仮想のGNDを作っているから）
電流はどの程度取り出せるのか？

回答No.5

xpopo · ベストアンサー

今日は。

＞うまくやって7.8mAですか！

昇圧電圧を±２４Vで計算しましたが±１２Vでは倍の15.6mAになりますが、せいぜいこんなもんです。

＞ちなみにこのサイトの過去の回答で気になるものがあるのですがベストアンサーの回路図が見れません。（多分なくなってしまったのでしょう）
どのような回路になっていたか推測できないでしょうか？

こちらに推定回路をアップしましたので参照ください。多分これで合ってると思います。

　　こちら　→　http://yahoo.jp/4-O75D

お礼

回路図の記載ありがとうございます。
お手数をお掛けし申し訳ありません。
大変勉強になります。

もしかするとこの回路が最初にご指摘頂いた「オペアンプで分圧して両電源を作る」の問題点を解決した回路になるのでしょうか？

最初の目的である5Vからというのは昇圧段階で無理があるということが分かりましたので使えないと思いますが、ACアダプタ等で元々が高い電圧から両電源を作る回路として覚えておきたいと思います。

この回路に絡みもう一点教えて下さい。

前に少しお話しましたが電圧計を作るのにトランスから両電源を作る予定です。
手持ちのトランスはセンタータップが無いタイプの為、両波倍電圧整流回路とするつもりでした。
両波倍電圧整流回路は正負で負荷が偏ると反対側の電流は使えない欠点があるとのことですが、ブリッジ整流回路で整流し、この回路で分圧すれば電力を無駄なく使えるのではないかと思いますが如何でしょうか？
両波倍電圧整流回路に比べ安定性の面とか何か不安要素があるのでしょうか？

回答No.7

xpopo

今晩は。NO.6への回答です。

＞> 「両波倍電圧整流回路は正負で負荷が偏ると反対側の電流は使えない」という事は無い
＞
＞すみません、言い方が悪かったようです。
＞正負が各々半波分から作られるため、片側では最大半分の電力しか使えないということが言いたかったのです。
＞もしかしたらこれも間違っているかも知れませんが・・・

　そういう意味ですか。それならその通りですね。

＞推定して頂いた回路を見ていてQ1,Q2がなぜトランジスタなのか疑問になりました。
＞元の回路を推定して頂いたせいなのか、FETではダメだからなのか、FETよりトランジスタの方が優位（効率、安定性等）だからなのか教えて頂けませんでしょうか？

　Q1、Q2にFETを使おうとすると出来るだけゲート閾値（ドレイン電流をONさせるゲート－ソース間電圧）の小さいFETを使わなければなりません。FETでこの閾値が小さいものでせいぜい２V程度です。そういうFETを使ってもOPアンプの出力とFETのソースの間の電位差は大きくなってしまいます。出力をn-chのFETとp-chのFETの両方のトランジスタのドレイン電流を絞ってゆく時にこの閾値のために必ずp-chかn-chのどちらかのFETはOff状態になってしまいます。結果、最悪の場合、OPアンプの出力はソースに対してこの２つの閾値（n-chで＋２V、p-chで-2V）の間を行ったりきたりする状態（発振に近い状態）になってしまいます。トランジスタの場合でもこの閾値が0.6V程度と小さいのでOPアンプの出力はエミッタに対して±0.6Vの範囲では同じように行ったりきたりする状態が発生します。ただFETよりは程度はいいです。そしてこの対策として抵抗R6（330Ω）がベースとエミッタの間に接続されてます。これはOPアンプの出力がエミッタに対して±0.6Vの範囲に入ったときはこの抵抗R6を介して小さいですが負荷へ電流を流すようにして発振を抑えてます。
　それから、FETの場合はゲート容量の問題があります。ちょっと大きなドライブ能力のFETではゲート容量は数千pFにもなります。こんな大きな容量がOPアンプの出力につながれると、OPアンプは非常に発振しやすくなります。また、この発振を抑えるにはかなり難しい回路テクニックが必要になります。
　それから、FETはトランジスタに比べてゲイン（ｇｍ）がかなり小さい（1桁以上）ので、これもFETを使いづらくしている要因になります。

＞実はFETとトランジスタの使い分けがまだ良く分かっていません。
＞そういえば、モーター制御だとFETを使った回路の方が多いように思いますがドリルの方もトランジ＞スタでしたね。

　上の回答にあるFETの大きなゲート閾値や大きなゲート容量やゲイン（ｇｍ）の低さがアナログ回路への応用の難しさにつながってます。反面、スイッチングにはFETの方がトランジスタよりいろんな面で優れた点があり、向いてます。

FETをアナログ回路に使用することは可能ですが、

よろしくお願いします。

お礼

ご回答ありがとうございます。
まだ完全には理解できていませんが、とてもわかり易い説明ですので何度か読み直せば理解出来そうです。

回答No.6

xpopo

今晩は。
回答NO.5への質問への回答です。

＞もしかするとこの回路が最初にご指摘頂いた「オペアンプで分圧して両電源を作る」の問題点を解決した回路になるのでしょうか？

　そうです。この回路のQ2が最大のポイントです。あと、Q１とQ2の電力損失を軽減する為の抵抗R7とR8もそうですね。

＞両波倍電圧整流回路は正負で負荷が偏ると反対側の電流は使えない欠点があるとのことですが、ブリッジ整流回路で整流し、この回路で分圧すれば電力を無駄なく使えるのではないかと思いますが如何でしょうか？
＞両波倍電圧整流回路に比べ安定性の面とか何か不安要素があるのでしょうか？

　まず、「両波倍電圧整流回路は正負で負荷が偏ると反対側の電流は使えない」という事は無いと思います。ちなみにシミュレーションで確認した結果を添付しておきます。このシミュレーションでは正負の出力にそれぞれ負荷となる電流源IL1とIL2を接続してそれぞれ１０Hzの周期で変動させ、お互いに変動の位相を180度ずらせてます。電流の変動幅は200mAppです。添付のシミュレーション結果のグラフではこのような大きな電流の変動でも正負のそれぞれの出力、V(plus）とV(minus)は殆ど影響を受けていないのが分かると思います。

　正負の電源はこの「両波倍電圧整流回路」で作るのが良いと思います。分圧方式は出力のNPNとPNPのトランジスタで電力損失が発生してしまいますので負荷電流が大きくなるとこれらトランジスタの発熱も無視できなくなり、放熱対策も必要になってしまいます。

お礼

ご回答ありがとうございます。

> 「両波倍電圧整流回路は正負で負荷が偏ると反対側の電流は使えない」という事は無い

すみません、言い方が悪かったようです。
正負が各々半波分から作られるため、片側では最大半分の電力しか使えないということが言いたかったのです。
もしかしたらこれも間違っているかも知れませんが・・・

推定して頂いた回路を見ていてQ1,Q2がなぜトランジスタなのか疑問になりました。
元の回路を推定して頂いたせいなのか、FETではダメだからなのか、FETよりトランジスタの方が優位（効率、安定性等）だからなのか教えて頂けませんでしょうか？

実はFETとトランジスタの使い分けがまだ良く分かっていません。
そういえば、モーター制御だとFETを使った回路の方が多いように思いますがドリルの方もトランジスタでしたね。

よろしくお願いします。

回答No.4

xpopo

miruha2011さん、今晩は。風邪ですか？あまり無理なさらないで。お大事に。

＞0.1～0.15Aから両電源を作るとしたらどれぐらいのものが作れるのでしょうか？

まず元になる電源、この場合は５VのUSB電源の消費電力Ppを計算します。出力電流をIpとしてPpは

　　Pp＝５V×Ip＝5V×0.15A＝0.75W

がこのUSB電源から取り出せる最大の電力になります。
　次に、両電源の電圧を±Vd(V)とします。ここで電圧の変換効率をn(%)とすると両電源で取り出せる電流Id（A)は

　　Id(A)＝Pp(W)×n(%)／(2×Vd×100）

で計算できます。ここでPp＝0.75W、n＝50(%)（チャージポンプの場合）、Vd=24Vとして上の式で計算すると、

　　Id(A)＝0.75(W)×50(%)／(2×24(V)×100)＝0.0078(A)＝7.8mA

と計算されます。結局、昇圧比が大きいとそれに逆比例して取り出せる電流が小さくなってしまいます。また、電圧の変換効率が悪いと更に取り出せる電流が少なくなってしまうのがお分かりかと思います。

お礼

xpopoさん、こんばんは。
詳しいご説明ありがとうございます。

うまくやって7.8mAですか！
検討する価値なしという気になってしまいました（笑）
単電源のみでオペアンプをうまく使う方法を勉強した方が良さそうですね。
レールtoレールと言われてるオペアンプでもGND付近の値がおかしかったのでやはり両電源でないとダメなのかなと思い電源をなんとかする方向に走ってましたが単電源でちゃんと使う方法を勉強します。
やはりチャージポンプで作った電源はノイズが酷そうな気がするので結果的に無駄な努力になりそうですし。。。

※ドリルの方で質問があります。補足に記入させて頂きますのでお時間がある時にご回答をお願いします。

補足

ちなみにこのサイトの過去の回答で気になるものがあるのですがベストアンサーの回路図が見れません。（多分なくなってしまったのでしょう）
どのような回路になっていたか推測できないでしょうか？

http://okwave.jp/qa/q3745884.html

回答No.3

xpopo

今晩は。

　ＰＩＣ１２Ｆ６７５－ＩのI/Oポートの能力、VOHはIOH=-3mAでVDD-0.7V、VOLはIOL=8.5mAで0.6Vと非力すぎます。VDD=5Vから昇圧して24Vで100mA必要ならば、PICのI/Oポートの必要電流は500mA以上必要になります。効率が50％なら1000mA以上必要になりそうです。I/Oポートの外に１Aクラスのドライブ能力を持った強力なバッファーが必要になります。かなり条件が厳しいです。

　現実的には昇圧専用のDDCを用意されたほうが良いのではないでしょうか？

それから、オペアンプで分圧して両電源を作る方法は参考にされているサイトの回路ではマイナス側のドライブ能力がプラス側に比べてかなり劣りますのでマイナス側ドライブ用には抵抗の変わりにプラス側同様にPNPトランジスタを使用すべきです。

お礼

xpopoさん、ドリルの方でもお世話になってます。
実はあの後風邪をひいてしまいまして、あちらは進捗がありませんでした。
ご連絡したかったのですが補足しか残ってなくて連絡できず申し訳ありませんでした。
今晩から体調をみながら少しずつ再開しますので結果はもう少しお待ち下さい。

さてこちらの質問ですが、いつもながら数字の裏付けのある的確なご回答感謝いたします。

実は以前から回路の電圧を順次測るのが面倒なので多少の誤差はあっても良いので複数個所の電圧を同時に測れる電圧計を自作しようと考えていました。
今回二日ほど寝込んでしまいましたので電子工作の本を眺めていてそのことを思い出し、また挑戦してみようと思って以前問題となった電源の問題を解決すべく質問しました。

恐らく最終版ではトランスを使った両電源にすることになると思いますので、複数個所を測れる電圧計にはここで教わった方法はとらないと思います。
しかし、私の場合はUSBでつなぐ工作をしたいと思っているのですが、オペアンプを使いたい機会が多いと思いますので5Vから両電源を作る方法を知っておきたかったのです。

確かに専用ICを使うのが簡単でベストだとは思いますが、せっかく方法を示しているサイトもありましたので安定して使える回路が作れるならその方が楽しいので覚えておきたいと思いまして。。。

USBだと仕様上0.5Aが取り出せる電流のMAXになっていますが、安全を見て0.3A程度しか使わない、かつ両電源用以外で0.1～0.15A使うとして、USBから両電源を作りだすとしたら実用上何アンペアぐらいなら取り出せる回路を作れるのでしょうか？
※0.1～0.15Aから両電源を作るとしたらどれぐらいのものが作れるのでしょうか？

回答No.2

moochi99

市販のDC-DCコンバータで±15Vを作り、そこからLDOで±12Vに落とすのが良いのではないでしょう。
チャージポンプでも出来ない事は無いでしょうが、100mA取るのは大変だし効率も良くありません。

案2で何故OPAmpで分圧？するのかよく分かりません。
LDOで良いのではないでしょうか。

お礼

ご回答ありがとうございます。

> 市販のDC-DCコンバータで±15Vを作り、そこからLDOで±12Vに落とすのが良いのではないでしょう。

私も最初はそう考えました。
今回の質問は非常にケチ臭い話で、余ってる部品で何とかならないかなというのが出発点です。

秋月のDCDCを見ると100mAというのは確かにかなり大きな数字だったようです。
なので100mAを25mAにしたいと思います。

>案2で何故OPAmpで分圧？するのかよく分かりません。
「LDOで良いのでは」ということですが、これは「正負両方の電源を作ってそれぞれレギュレーターを通せば？」という意味でしょうか？
案2は分圧するために欲しい電圧の2倍の電圧を作っておいて分圧するという案です。
抵抗で分圧すると1mA位しか取り出せないけどオペアンプを使えばもっと電流が取れるということが案2のサイトに書いてありまして、それをやろうかなと思いました。
この回答が的外れな説明になっていたらご容赦下さい。

回答No.1

e_16

5VのACアダプタを買ってくるのが一番安定する、安いし
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-03679/

お礼

ご回答ありがとうございます。
入力の電源はACアダプタかUSBにしようと考えていますが、オペアンプ用の両電源をどうしようか検討しています。
USBを電源とした場合5Vの正電源しかありませんのでこれをどうにかしたいのです。