555タイマーICで作る信頼性の高い電圧倍増回路 - ステップバイステップ図解

基本電圧倍増回路の作り方

記事のタイトルが示す通り、今日は入力電圧の2倍の電圧を出力する回路の設計を支援します。例えば、電圧倍増回路に10Vの入力を供給すると、出力で20Vが得られます。

これは電圧変換にすぐに利用できる多くの回路の1つですが、小型アプリケーションではかさばり、時に不便なトランスフォーマーを使用するよりも、安価でより効率的な電圧倍増方法です。

これらの回路はエネルギーを蓄えるためにコンデンサを使用し、何らかの形で整流回路です。スイッチングダイオードは一般的にダイオードであり、MOSFETやBJTなどのより高価な対応部品の代わりに使用することでコストを削減できます。

電圧倍増回路は、電圧倍増回路ファミリーの一種です。この記事では、555タイマーとその他の重要なコンポーネントを使用して電圧倍増回路を作る方法と、それらの簡単な説明を学びます。

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電圧倍増回路図

以下の図と同じようにコンポーネントを適切に接続してください。

必要なコンポーネント

1. 555タイマーIC
2. ダイオード - 1N4007
3. 抵抗 - 10kΩと33kΩ
4. コンデンサ - 22μFと0.01μF
5. 電源

555タイマーIC

555タイマーICは、タイミング、パルス生成、発振器アプリケーションなど多様な用途で使用される集積回路です。1972年に導入された555タイマーICは、非常に低価格で安定性が高いため、現在でも広く使用されています。555タイマーICのピン図は以下の通りです：

555タイマーIC
ピン番号	ピン名	目的
1	GND	グランド基準電圧
2	TRIG	出力制御
3	OUT	VCCより約1.7V低い電圧またはグランドに駆動
4	RESET	タイミングインターバルのリセット
5	CTRL	内部電圧分割器へのアクセス提供
6	THR	タイミングインターバル停止の閾値として機能
7	DIS	コンデンサ放電用オープンコレクタ出力
8	VCC	正の電源電圧

タイマーICには、バイステーブル、モノステーブル、アステーブルの3つの動作モードがあります。

• バイステーブルモードでは、ロウとハイの2つの安定した状態の信号が生成されます。ロウとハイ状態の出力信号は、リセットと入力ピンのアクティブ化によって制御されます。
• モノステーブルモードでは、トリガーボタンの入力から指示を受けると、単一のパルスのみを生成します。
• アステーブルモードでは、外部回路に接続された2つの抵抗とコンデンサの値に基づいて、正確な周波数で連続パルスを生成します。

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1N4007ダイオード

1N4007はPN接合整流ダイオードです。これらのダイオードは電流を一方向のみに流します。1N4007には、フリーホイールダイオード用途、電源の汎用整流、インバーター、コンバーターなど、さまざまな実用応用があります。

1N4007ダイオードピンアウト
ピン番号	ピン名	極性
1	アノード	+Ve
2	カソード	-Ve

上記の図は、1N4007のシンボルと実物の写真を示しています。電気回路のコンポーネントの理解は、そのデバイスの電気的特性を知ることで大幅に向上します。

1N4007電気的特性
パラメータ	値	単位
順方向電圧（1.0A時）	1.1	V
逆方向電流（25°C時）	5	μA
総静電容量（1.0MHz時）	15	pF
最大全負荷逆方向電流（75°C時）	30	μA
平均整流順方向電流	1	A
ピーク繰返し逆方向電圧	1000	V

1N4007ダイオードの特徴は以下の通りです：

• 低リーク電流
• 低順方向電圧降下
• 高順方向サージ耐量

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このダイオードは組み込みシステムで多くの実用応用があり、主な応用を以下に示します：

1. コンバーター
2. 組み込みシステムでのスイッチング用途
3. フリーホイールダイオード用途
4. インバーター
5. 電源の汎用整流
6. ArduinoやPICマイクロコントローラーなどの逆電流防止と保護

電圧倍増回路の動作

回路図からわかるように、回路は互いに補完し合う2つの部分で動作します。555タイマーを使用する回路の最初の部分は、アステーブルモードで使用され、方形波パルスを生成します。

回路の第2部分は、回路図に示すように2つのコンデンサと2つのダイオードで構成され、実際に電圧を倍増させる部分です。555タイマーには複数のモードがありますが、今日はアステーブルマルチバイブレーターモードを使用します。

このモードでは、2つの抵抗と1つのコンデンサの組み合わせを使用して、約2kHzの方形波を生成できます。回路からわかるように、タイマーICのピン3がロー出力のとき、ダイオードD1が順方向バイアスになり、コンデンサC3がこれを通じて充電されます。

コンデンサが電源から直接充電されるため、コンデンサも入力電圧と等しい電圧まで充電されます。タイマーICからのパルスがハイになると、ICのピン3はハイ出力を示します。これによりダイオードD1が逆方向バイアスになり、入力電圧とほぼ等しい電圧まで充電されたコンデンサC3の充電がブロックされます。

ダイオードD1が逆方向バイアスになると、ダイオードD2が順方向バイアスになり、コンデンサC4がこれを通じて充電されます。C4コンデンサは、コンデンサC3に蓄えられたエネルギーでも充電されます。現在、コンデンサC4は、当初電源電圧まで充電されたコンデンサC3からの1つの経路と、電源から直接のもう1つの経路の2つの経路で充電されるため、入力電圧の2倍の電圧を持ちます。

理論上、この回路の出力は入力電圧の2倍の電圧を生成するはずですが、実際にはコンデンサの充放電は損失のないプロセスではなく、コンデンサに蓄えられたエネルギーが他のコンデンサに完全には伝達されず、コンデンサの充電も理想的ではありません。

5Vの入力電圧で実験した場合、理論上の10Vではなく、この回路での出力は約8.7〜8.8Vでした。

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欠点

この回路は入力電圧をその2倍の値に変換するシンプルで簡単な方法ですが、いくつかの欠点があります。利点と欠点を事前に知ることで、結果を適切に分析できます。欠点は以下の通りです。

1. この回路は低い値から高い電圧を生成する非常に有用なトリックですが、出力電流が50mA未満の用途でのみ使用できます。つまり、非常に低い電流定格を必要とするアプリケーションのみを駆動できます。
2. 出力がコンデンサの充放電とダイオードなどのスイッチングデバイスを含むため、回路の出力は一般的に不安定です。レギュレーターICを使用して出力波形を調整・平滑化できます。しかし、このICも独自の電流を消費するため、回路が電流通過の限界を超えて機能しないように、関連する計算と調整を行う必要があります。

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注意事項

回路の製作と作業時にはいくつかの注意事項があります。以下にリストします。

1. タイマーICの制限により、回路の入力電圧は12Vより大きく、3Vより小さくすることはできません。3〜12Vの間の電圧を選択することで、安全な動作が保証され、コンポーネントに損傷を与えません。

前述の通り、回路の動作はコンデンサの充放電に依存するため、回路を電源電圧で接続した直後に必要な出力値がすぐに得られるわけではなく、入力電圧の2倍の電圧に落ち着くまで少し時間がかかります。

2. 負荷電流は回路に依存する設定値を超えてはなりません。一般的に50〜70mA程度です。
3. コンデンサC4が電源電圧の2倍まで充電されるため、この特定のコンデンサの耐圧は、他のコンデンサ（耐圧が少なくとも電源電圧値と等しい）とは異なり、少なくとも入力電圧の2倍である必要があります。
4. 前述の通り、回路の出力電圧はコンデンサの充放電に依存します。コンデンサの充放電時間は不規則に変化するため、正確な測定値が理論値と一致しない場合があります。これは、コンデンサの充放電がエネルギー効率が良くなく、エネルギーロックされていないプロセスであるためさらに増大します。つまり、エネルギーが完全には伝達されず、損失が生じます。5V入力電圧の場合、出力値は約8.7V、12V入力電圧の場合、出力値は約18〜20Vになります。

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