リニア・レギュレーターを低コストDC-DCコンに：Design Ideas パワー関連と電源

高効率の電源を必要とするものの、高価なDC-DCコンバータICを使いたくない技術者に向けて、リニア・レギュレーターを使った安価なDC-DCコンバータを紹介する。

[Susanne Nell，オーストリア在住]

　高効率の電源を必要とするものの、高価なDC-DCコンバータICを使いたくない技術者に図1に示した回路を推奨したい。この回路の中心はIC₁「LM7805」で、一般的で安価なリニア・レギュレーターICである。これに外付けのスイッチ素子としてpnpトランジスタを接続するだけで、1A以上の出力電流を供給できるようになる。このスイッチング回路は、負荷電流がゼロもしくは数mA程度になると、自動的にオフになる。すなわち、この場合はリニア・レギュレーターとして働く。

図1　リニア・レギュレーターを使った安価なDC-DCコンバータ。リニア・レギュレーターにスイッチング回路を追加することで、DC-DCコンバータを構成できる。一般的なDC-DCコンバータICを使う場合に比べて、安価に実現できる （クリックで拡大）

　この回路の動作の様子は以下の通りだ。まず入力電圧を印加すると、電流は抵抗R₁を通過し、その後IC₁を通って出力へと流れていく。さらにこの電流は、Q₁のエミッタ‐ベース接合を通過し、トランジスタをオンにする。この結果、インダクターL₁に電流が流れ始め、そして出力コンデンサーC₂を充電する。出力電圧がリニア・レギュレーターの定格値（LM7805では5V）に達すると、リニア・レギュレーターは自らの出力を断つ。従ってIC₁は、トランジスタQ₁のベース電流も切ってしまう。このためスイッチQ₁はオフに切り替わる。Q₁がオフに変わると、インダクターにかかる電圧の極性が変化する。すなわち、電流はダイオードD₁を通って流れることになる。この電流は、L₁に蓄積されたエネルギーがすべてC₂に移るまで、C₂に電荷を供給し続ける。出力に負荷が接続されている場合は、負荷電流をC₂の放電で賄う。出力電圧が定格値である5Vから数mV低下すると、IC₁は再び負荷に対して電流を供給し始める。その結果、Q₁がオンに変わる。以上のサイクルを繰り返す。

　負荷が軽いか、もしくは負荷がない場合は、出力電流はIC₁を通って流れ、Q₁はオフのままだ。スイッチ動作の開始電流はR₁の値を選ぶことで調節できる。この回路は5Vよりも大きな出力電圧にも対応できる。LM7805を「LM7812」や「LM7815」に置き換えれば、12Vや15Vの出力が得られる。こうした高い電圧の場合は、抵抗R₂やR₃を追加する必要がある。これらの抵抗を入れると、いくらかのヒステリシスが回路に与えられることとなり、スイッチング周波数が減る。R₂、R₃の標準値はそれぞれ2.2Ω、2.2kΩである。

　図1の回路では、24Vを12Vに変換した場合、効率は約75％になる。5Vに変換した場合は65％に下がるが、それでもリニア・レギュレーターに比べれば良好な結果だ。

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※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事の中から200本を厳選し、5つのカテゴリに分けて収録した。