DC-DCコンバーターの実験

トランジスタで無理なことを思い立つ

2006年3月末ぐらいに組み立てたデジタルディレイPCBを組み立てたきり放置してあるので、動作チェックをしなきゃいけない。あ、そーいや、組み立てるとき12Vの3端子レギュレータ付けた気がする、と見直してみたらやっぱり、電源は15Vぐらい(12Vの3端子レギュレーターがついてるので、降下分の3V)必要そう。
ギターのエフェクタとして使うのなら、9Vの乾電池1発で動いて、足元にゴロっと転がしておくのがかっこいいかなというのが、前提条件としてあって、組み立ててみてから気が付いたけど、こいつACアダプタとかでそれなりに高い電源圧を供給しなきゃだめじゃん、で、ちっともコンパクトエフェクタじゃなくなるのがやだなと..最終的な狙いは9Vの乾電池で動かせるデジタルディレイ。うんうん。

オリジナルの記事をさらに見直してみたら、MAX1044というチャージポンプで電池を昇圧してることに気が付いて、そのチップをちょっと探してみたけど、いつも遊びに行くショップには売ってないみたい。
「無きゃ作っちゃえが信条」ということで、これで何とかならねーかな、と無理な事をしてみた。

はじめに結論を書いてしまうけど、このプロジェクトは完全に失敗。如何に失敗の道を転げ落ちたかを紹介したもの。追試は歓迎するけど、結果は出せない前提なことをよろしくご了承ください。

レイチャールズの歌声が聞こえる

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最初に実験した回路はこれ。
ワラワンダホーワー(waht a wonderful world ね)とか唄ってたら、いきなり失敗。結論から言えば、32kHzぐらい発振させるのに20mAぐらい電源食っちゃう。見る間に電池が減っていくー!(ちょっと嘘)
無負荷で16-7Vぐらい出るんだけど、10kの負荷(たったの1mA強)で12Vぐらいまで落ちちゃうし、効率悪すぎ。このままでは、使い物にならん。
回路は、初心者向けの工作などに良く紹介される、トランジスタ2発の非安定マルチバイブレーターを発信源にし、トランジスタのスイッチング回路で振幅を確保し、それを2倍圧整流回路に突っ込む形。発振器の部分、参考にさせていただいたページはこちら。
参考にさせていただいたページには何の問題もない。これを参考にしたが、手の加え方が悪くて思った動作が得られなかっただけで、改造した僕の回路が「使い物にならない」という意味。誤解のありませんよう。

動作としては.. こちらにも詳しい説明がある。有名な回路なので、Webでさがせば幾らでも解説は出てきそうだ。

課題としては、

  1. スピードをだしたい。(少なくとも20kに余裕を持った数字)
  2. 発振器の消費電流を押さえたい。
オリジナルの回路の定数を変更するに当たっては、周波数を上げる方向。源発振器の周波数が十分たかければ、リップルがあっても無視できるだろう、という根拠。とりあえず、発振したのでわーいとかやってたけど、まずは、発振器自体が電流食わないようにしなきゃいけなさそう。
無負荷では、狙いどおり16-17V程度の電圧はでるので、2倍圧整流回路の動作的には問題なさそう。

CMOSで無理をする

あべさんの掲示板で、shin さんに示唆頂いて、そういえば昔、試した真空管プレートにほんのチビットの電流だけど、50V必要なシーンがあって、CMOSでチャージポンプを組み立てたのを思い出す。 ただ、このプロジェクトは、エフェクタのちいさなケースの片隅にちびっとあって、適当に15Vぐらい出たりしてほしいので、CMOSの16PINのICがででーんとあると、それだけで、スペース食うしやだなあと。欲しい電圧は、当時の試した4倍とかじゃなくて、ほんの2倍だし、トランジスタだけで何とかならねーかな、というのがこのプロジェクトの隠れた狙い。(この時点では自分の甘さに全然気が付いてない)

最初に実験した回路のQ3はただのスイッチのつもりだっただけど、これをちゃんとドライブする(それなりの電流が取れるようにする)には、ベースにそれなりのバイアス電流を掛けなきゃいけないことが分かってくる。で、そーすっと、発振器側の電流も増やさなきゃになっちゃう。片側だけふやすわけにも行かないし。ちゃんとカップリングしてバイアス掛けなおすのではパーツ点数がかさんじゃうから、直結を前提に無理をする。
Q3ベースに掛けられるビビたる電流でQ3のコレクタを0V-9Vきっちり振るには、そんな電位差が出るようなそれなりの抵抗を負荷にしないとだめ。要するにQ3は波形整形と、発振器との分離の役目までで、9Vの電池のスイッチング(エミフォロ)にはもう1本トランジスタが必要になりそうなことがわかってくる。
トランジスタ4本、抵抗8本とかになると、もう16pinのICのサイズが怖くないので、素直にCMOSで試してみる。

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最初に実験した回路はこれ。

ブレッドボードで、まずは、MC4049の2素子を使って発振させると、それだけで20mA食っちゃう。バッファを通して2倍圧検波。無負荷で16-7Vぐらい出る。さらに、5.6kの抵抗をぶら下げると、14V程度まで電圧降下が出る。(電流は2.5mAぐらいまで?)
さらに、出力のインバーター並列にすれば、電流一杯取れるはず、のつもりだったんだけど、なんか、コンデンサの容量の問題なのか、並列にするだけで、無負荷時の電圧が落ちる。当然負荷を掛けて引張るともっと落ちる。使ったインバーターが、UB(アンバッファード)タイプじゃないからかな?とにかく、発振器だけで20mAも食われちゃタマラン状態、深追いする気力がうせる。(ココは嫌に成っちゃって逃げたところだけど、突っ込むべきところのような気が、後からひしひしとしてるけど...)

発振器部分だけ、最初に試したトランジスタ2発の非安定マルチバイブレーターに差し替えて、色々定数を変えて、コレクタ100k、ベース470k、コンデンサ100pで1mA以下の消費電流で26kHzぐらい出たので、勿体無いなと思いつつ、16pinのICのうち1発だけバッファに使ってみたのだけど、結局のところ、インバータ一つ動かすだけでも、それなりに電流食っちゃうみたいで、全部CMOSでやってもあんまり全体の消費電流は変わんない。此の辺の実験は寝る前に少しずつやってたので、ミスがありそう。
だんだん面倒臭くなってきたことも手伝って、結論としては、ダメな感じ。実験に使ってた電池がなくなりそうなので、さっくり実験終了。(ここまでの実験につかったコンデンサは積層セラミックタイプ、ダイオードは普通の小信号スイッチングの奴)
CMOSでやるときには、それなりに電気食ってもいいんだけど、妙な高圧(コンデンサマイクのファンタム電源とか)欲しいとか、電流取れなくてもいいから両電源とか、ミュージックシンセのVCOのアンチログ回路とか、なにか凝った事をする時の裏技のような気がする。ギターのエフェクタ向きじゃないと。
あえてやるのなら、CMOSのインバーターの替わりに、MOSFETを2本でディスクリートで組み立ててみるとかありそうだけど...。

CMOS版555ででんぐり返る

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555版
さすがに、ここまで実験してくると、トランジスタ2個には無理がある事が分かってきて青くなり始める。
そういえば、発振器の定番IC、555。しかも、勘違いして50こまとめて買ったバイポーラ版がある。
さっそく仕様書調べてみたら、出力の振幅は電源圧の60-70%とかなので、この用途には向か無そう。ため息をつくまもなく、ちょっと前に555のCMOS版がバーゲンになってて、ツイ、買ってしまった奴があったはずと部品箱をかき回して、ニヤリ。
CMOS版は、出力振幅が、電源の90%程出るので、何とか成りそう。で、試してみて、びっくり。ほとんど電流食わないローコストな発振器と、タフなバッファ付いて(バーゲンで)50円。しかもDIP8ピン。

実験してた当初、色々勘違いしてたんだけど、効率は、70%強。悪くは無いと言いにくいけど、たいしてよくもない。

ナショナルセミコンダクタからダウンロードした、555 の仕様書、10ページ目のデューティー比50%の回路の文章間違ってて、回路のほうが正しい。R2はR1の半分より小さくないとダメ。(でかいとダメって書いてあんの)綺麗な矩形波が出てムフフな感じ。
図面では、1nで54kHz発振させてるが、470pの小さなセラミックコンデンサに差し替えると、周波数は100kHzオーバーになって、チビット効率も上がって、同じ負荷で15Vオーバー出る。電池も5.5mA程度、ちょっと流れるかなって感じだけど見る間になくなっちゃう感じでもない。 が、問題はこれ以上負荷をきつくすると電圧降下がひどくて、素直に9Vで使ったほうがよくなっちゃう。2.5mAぐらいまでが限界。チビットすぎて何にも使えんー!うん、正しい展開。

LM386でそっくり返る

発振器は、工夫すれば消費電流どんどん下がるらしい。最終的に変換効率を決めるのは、タフなバッファ。低い抵抗(重い負荷)をぶら下げても、電圧降下が大きくない。たっぷり電流を供給できる。それって、普通にパワーアンプだよねえ。実は、このネタは、シンセのオッショさん(masa921さん)とメールで何度かやり取りさせて頂いて、386をバッファ代わりにする手もあるねえ、という話は何度か出ていたのを思い出す。

ナショナルセミコンダクタからダウンロードできるLM386の仕様書、5ページ目に出てる矩形波の発振器、図面の下に小さくf=1kと出てるが、実は、回路の定数のまま組み立てても1k出ない。500Hz弱とか。
最近、細かい字が読みにくくなってて、386と356間違って載せて、ウゴカネーとか吼えたのは内緒だけど、このネタはバラしちゃう。
そういえば電源圧で変わるのかもしれない、チェックしなかった...逆にいえば、電源圧が変わると発振周波数が変わるのなら、それはそれで使いにくそう。
部品点数が少なくてピースだけど、デューティー比は50%にならないみたい。この回路、正帰還かけて思いっきり発振させてクリップさせてるだけ。矩形波発振器というより、むしろ、パルス波発振器。
発振周波数をいじろうとして、2番ピンの0.1uを10nに、30kは5.6kぐらいまで下げても周波数はほとんど変わらない。間違って470Ωつけたらいきなり300kHzオーバー。え?4.7kで800Hz、3.3kで8kHz、2.2kで180kHzとか、もう、めちゃくちゃ調整しズライ。なんとかそれっぽい周波数に設定できても、デューティー比は、どーやっても50%にはならないみたい。部品点数少ないので何もかんがえずにとっかえひっかえ。どーすんだよ、壊したら...
あべさんの掲示板で、houshuさんから、発振器直後のコンデンサ、を大きくせよ、というアドバイスを頂いて、22uにしたら電流取れるようになった。6mA取っても14V弱ぐらいでる。12Vの3端子つけるつもりで15V以上欲しいとろだけど、これなら、なんとかオペアンプの回路も楽勝。
変換効率は、取り出す電流が2mA以下だと、発振させるためのコストが安くないのか、あまり効率は上がらなくて30%弱、これ以上だと、60%ぐらい。6mAぐらいまではギリギリ電池で動かせる感じかしら。これ以上だと、電池では実用にならないかも。効率はともかく、一番タフ。

プッシュプルですべりおちる

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Cmosゲート版がまじってる
左上のトランジスタ2発で発振させるパターンは、発振器の出力が0Vから5Vぐらいのかなり鈍った矩形波で、これを1k介して次の波形整形のつもりのトランジスタに渡す。1kが小さすぎると、こっちにも電流流れちゃって、発振が止まっちゃう。でも、小さいと、Q3のコレクタに劇的に電流が流れない。(R7の両端の電位差が大きくならない)R7はでかすぎると、電位差がちゃんとでなくなっちゃう。
Q7がミソ。電池をオンオフするスイッチのつもり。Q3のコレクタが9V近い状態がデフォルトとして、Q3のベースが変動して、R7に電流が流れ、この電位差が、R5モ含めて、0.6Vよりでかくなると、Q7がオンして、回路に電流が流れる仕組みのつもりだったんだけど、C3で直流経路が切れちゃってて、流れない。(トランジスタがダイオード的に動くんだと期待したんだけど)
10kとかで、Q7のコレクタをグランドに落すと、思ったとおりの動作をするんだけど、C4に負荷の抵抗をなんかつけたとたんに、Q7がスイッチできなくなちゃう...
動かないけど、なぜ動かないかはちょっとだけ分かってきた。
さらに、あべさんの掲示板で、houshuさんや、オッショさんから、「そんな場合には、プッシュプルにしてみては」とアドバイスいただく。
ああ、なるほど、その手か、そのためにプッシュプルってのはあるのか。さっそく、 をパクってみた。もともとは、スプリングリバーブをドライブする回路で、要するにパワーアンプ。僕が必要なのは、矩形波の出力なので、アンプがバンバン歪んだとしてもOKなので、バイアスのダイオード省略できる。さらに、バイアスもかけない。ベース電流を制限する抵抗1本だけ。もー、どんどん省略しちゃうもんね、知らない者の大胆さ。

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プッシュプル版
ただ、波形整形無しでちゃんと矩形波出るように発振器側の定数をちょっと工夫してプッシュプル段に突っ込んでみる。
100k、470k、100pの組合わせだと、発振はするけど、立ち上がりが電源圧の50%ぐらいまでしかあがらない。
10k、47k、680pの組合わせなら、電源圧まで立ち上がるけど、立ち上がり部分の波形が甘くなってて一つおきに歯が欠ける鋸歯状波になってしまう。
これで正しい動作なのかしら。トランジスタ、オンになった瞬間にスカンとたちあがるんじゃないかしら。狙いの周波数が比較的高いからとか、コンデンサが電気貯めるのは苦手なセラミックだから??ここはわからない所。
5.6k の負荷(2.4mA)まではなんとかなるけど、これ以上引張ると、Q3、Q7が引張るベース電流が、Q1の動作に影響を及ぼすのか、発振が止まる。デューティー比が50%にならない、368より、気持ち効率良いみたいだけど、矩形波の立ち上がりが(それなりに)きちんと立ち上がる386のほうがまだいい感じかな。少なくとも、電流取れる。
R6の場所にもう1発トランジスタ入れて波形整形というか、をバッファリングすれば、もっと安定した動作になるかしら。

動作によって流れる電流が変動する前提の回路ってのは前後の影響とかで読みが難しい。
ここまで実験してきて、スピードも(比較的)自由に換えられて、上から下まできっちりの矩形波がでて、デューティー比も50%のCMOS555のチャージポンプが一番効率いいのかしら。

メーカー製のICに転ぶ

でーっとか言ってるうちに、こんな記事見つけちゃう。というかプロジェクト始める前にちゃんと調査しろよって感じ。

MAX1044 ($2.68 )
http://japan.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1017
ICL7660CPA
TLC7660CPA($1.58)
LMC7660 ($1.19)
http://www.national.com/JPN/ds/LM/LMC7660.pdf
NJU7660D ($0.46)
http://w3.kunsan.ac.kr/~ards/pdf/aj/aj06045.pdf
最初見つけられなかった、MAX1044は結構その筋では有名で、差し替えができる別ICとか、それのセカンドソースとか沢山あるらしい。カッコ内は、海外通販サイトでのある日の参考価格。安いぢゃねーか。
新日本の奴なら、アキバのラジオデパート内、サンエレクトロで200円。サトー電気でも扱ってる。
ちゃんと仕様書見てみたら、20mA(え!!)取り出したときの内部抵抗が100Ω(え!)ちょっと..やっぱ、プロの設計は違うなあ、うんうん、とかうなずきながら200円だすのが正しい気がするけど、内部の簡略化した回路みると、やっぱ、分周器いれて、50%をだすのが正しいらしいとか..方向としては間違ってなかったみたい。いやあ、血肉になったかはどうか、トランジスタの勉強になったなあという感じかしら。

なんてな事言ってたら、あべさんの掲示板のanalogさんから以前ICを頂戴していたことが判明。部品箱を改めて調べなおして、さっそく実験。頂いたやつは、LTC1144という、1044のアップグレード版で、内部抵抗56Ωとか。

shinサンに拠れば、その素材に猛毒を使っているという理由で、国内では入手の難しいタンタルコンデンサと、(特に、コンデンサーのESR(等価直列抵抗値)に高い性能が要求されるそうだ)と、高速スイッチング可能なショットキーダイオード、さらにゲートのチャージが小さいもパワーMOSFET、を使うのが高効率を上げる定番テクニックなのだそうだ。DC-DCコンバーターは、回路形式はそんなに難しいものではないので、部品の性能が変換効率に直に出るタイプの回路で、まずは、マトモなタンタルコンデンサを手に入れろ!手に入ったコンデンサから、回路形式や、発振スピードなどを検討しろ、というのが自然な流れなのだそうだ。
氏のご紹介のマキシム社のMAX668,669のデーターシートはこちら コンデンサの情報ネタ。 で、思いがけず手元にちゃっかりあった、LTC1144を簡単に評価してみる。成績はこんな感じ。2電源の時。(これまでと同様の評価方法で計測したらなんかヘン?) 倍圧時。回路は、データシートのそのまま。 まあ、27.5mAも食われたら、電池あっという間に無くなるから、7mA以下で考えれば、まあ、実用かな。
ココに上げた数字は、基本的に素人が寝ぼけながら取ったものでなんの保障も無い数字。誤解のありませんよう。

最後にちゃぶ台がひっくり返る

もともと、12V必要な回路に(3端子レギュレーター入っているので降下分3V割り増しの)15Vを供給したいと言う要求だったんだけど、狙いの回路はPT-2399というデジタルディレイのチップ

を使ってて、これが5Vで30mA食っちゃう。さらに、オペアンプと、コンパンダを単電源で動かすべく中点をバイアス用に出したりしてる回路である事に、組み立てて電源の心配を始めてから気が付いたりして。
一般論として受け止めていいのかどうかはともかく、普通にエフェクターに使う乾電池は006pという四角い電池。 によれば、50mA/hだそうで、こいつ、マンガン電池じゃ1時間程度しか動かない。練習終えてさて、本番行くか、って時にはもう電池切れ。
オペアンプの方も普通に2電源にすればにすれば、1144でそれなりの効率でドライブできるのに。なんか、勢いで組み立てたけど、ちょっと電源回りに豪勢さを要求するエフェクタになってるみたい。
PCBがあってそれを組み立てるちょっと安易な工作を楽しもうと思ったんだけど、やっぱ、チャラから組み立てなおして、電源は2電源、乾電池の+と、1044や、1144で負電源だけ生成。デジタルチップは3端子レギュレーター、みたいな構成なら、無理な昇圧せずに済んだ気がする。
結論としては、電源で無理するより、エフェクタ本体の回路を無理なく変更するほうが、トータルとしては、自然になるんじゃねーの?ということで。