前回はCdSを半導体式の照度センサに交換しました。今回は昇圧型DCDCを昇降圧型DCDCに改良します。
昇圧型の問題
昇圧はするが...
昇圧型のDCDCコンバータは、低い入力電圧を、高い電圧へと変換してくれる回路です。上の写真は、電源の電圧が2Vで、昇圧型のDCDCコンバータによって3Vに変換して、白色のLEDが光っています。
入力電圧を3.5Vに上げてみましょう。出力電圧が3.3Vと設定電圧以上になってしまいました。
入力電圧を5Vにしてみましょう。すると出力電圧は4.6Vへとさらに上昇してしまいました。
昇圧型のDCDCコンバータは、入力電圧が出力電圧よりも低い時には正常に動作しますが、入力電圧が設定した出力電圧以上になると、正常な電圧が出力されません。
昇圧型DCDCコンバータの動作原理
昇圧型のDCDCコンバータの最もシンプルな回路は、上のようになっています。
DCDCコンバータICの内部のスイッチがONすると、電源からコイルを通って、グランドへ電流が流れます。これによってコイルが磁化します。
磁化したコイルは電池と同じ働きをします。DCDCコンバータIC内部のスイッチがOFFすると、電流は電源から電池化したコイルを通って、出力へと向かいます。電源と電池化したコイルが直列になっているので、出力される電圧は、電源電圧＋電池化したコイルの電圧となり、電源よりも高い電圧を作り出すことができます。
スイッチのON,OFFの比率を変えることで、コイルの磁化する量を調整し、電池化したコイルの電圧が調整できるので、目的の出力電圧に昇圧させることができます。
昇圧型DCDCコンバータICは、フィードバック端子(FB)があり、この端子が一定の電圧(0.6Vや1.25Vなどが一般的)になるように、スイッチのON,OFFの比率を自動で調整し、出力電圧を一定に保つよう動作します。
降圧はできない
入力電圧が設定した電圧よりも低い場合には、スイッチのON,OFFの比率が調整され、出力電圧が設定した電圧に制御されますが、入力電圧が設定した電圧を超えるとスイッチがOFFのままになります。
スイッチがOFFになると、コイルは単なる電線となります。電源から電線化したコイルを通って、出力へと電流が流れます。出力電圧は、電源電圧からダイオードD1の電圧降下分(順方向電圧:Forward voltage)だけ低下した電圧が出力されます。
例えば電源電圧が5Vで、D1の電圧降下が0.4Vだった場合、設定した電圧が3Vだったとしても、出力電圧は、5V - 0.4V = 4.6Vとなります。この結果は、先ほどの実験と同じです。
OFFもできない
同じ理由で、DCDCコンバータICにイネーブル端子(EN)があって、DCDCコンバータICをOFFした場合も、出力がOFFできません。電源から電線化したコイルを通って、出力に電流が流れ出ます。出力には、電源電圧からダイオードD1の電圧降下の分だけ低下した電圧が出力されてしまいます。
このように、設定した電圧がどうであれ、イネーブル端子をOFFしても電気は止められません。
昇降圧型DCDCコンバータに改造
そこで登場するのが、昇降圧型のDCDCコンバータです。上の回路図のように、コイルL1の後に、コンデンサC2とコイルL2が追加してあります。
この追加によって、入力電圧が設定電圧よりも低い場合には昇圧型のDCDCコンバータとして動作し、逆に入力電圧が設定電圧よりも高い場合には降圧型DCDCコンバータとして動作します。入力電圧がどんな値でも、出力電圧には設定した電圧が出力されます。
また、コンデンサC2が直流カットの役割をするために、DCDCコンバータがOFFすると、入力と出力がコンデンサC2で遮断され、出力もOFFします。
この昇降圧型DCDCコンバータの動作原理や設計についてはこちらをご覧ください。
コイルとコンデンサを追加して、ナイトライトDCDCを昇降圧型のDCDCコンバータにしてみました。
ナイトライトDCDCの出力には、以前購入したミニチュアLED電球をつけました。ミニチュアLED電球についてはこちらをご覧ください。
DCDCコンバータの出力は5Vになるように設定してあります。電源電圧が3Vの時、出力電圧が5Vとなって昇圧動作しています。
入力電圧が5Vの場合、出力電圧も5V。
入力電圧が10Vになった場合でも、出力電圧は5Vとなり、降圧動作していることがわかります。
光センサが光に反応してイネーブル端子をOFFすると、出力電圧もOFFになります。
これで、ナイトライトDCDCは、入力電圧がどんな電圧であろうと設定した電圧を出力することができるようになりました。また、センサが光を検知すると、出力をOFFにすることもできます。
次回は太陽電池の電気を貯めるバッテリーを改良しようと思います。
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