230VACから±12VDCデュアル電源回路 - 回路図とガイド

230VACから±12VDCデュアル電源回路

名前が示す通り、この回路は約220V ACの商用電源電圧を、+12Vと-12V DCの2つの電圧に同時に変換するように設計されています。この回路の特徴は、両方の電圧を同時に得られることです。

回路が同じ大きさの正と負の電圧を同時に必要とする特定の用途があり、デュアル電源回路が活躍します。これは回路の機能と、デュアル電源が必要な場所での機器損傷防止に不可欠です。シンプルな回路でこの問題を解決でき、ここでこのレポートではデュアル電源回路の設計と構築を行います。

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デュアル電源回路図

以下の回路図とまったく同じようにコンポーネントを接続して、回路を正しく動作させてください。

必要な材料

1. センタータップトランスフォーマー
2. 電力用ダイオード
3. コンデンサ
4. 電圧レギュレーターIC（IC7812と7912）
5. トグルスイッチ
6. DC負荷またはモーター

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トランスフォーマー

汎用シャーシマウント電源トランスフォーマーです。トランスフォーマーは240V一次巻線とセンタータップ付き二次巻線を持ちます。トランスフォーマーは降圧トランスフォーマーとして機能し、AC 240VをDC 12Vに減らします。

トランスフォーマーはAC電圧を調整するために使用される電気デバイスです。トランスフォーマーは電圧を昇圧または降圧するように設計できます。トランスフォーマーの動作はシンプルで、互いに近接して配置された2つの巻線があります。

交流がそれらを流れるため、周囲に磁場が生成されます。2つのコイル間の相互誘導作用が、トランスフォーマーでの電力伝達を可能にする理由です。この変動する磁束が、二次巻線に変動する起電力または電圧を誘導します。トランスフォーマーで最も一般的に使用されるコアの1つは、高透磁率ケイ素鋼です。トランスフォーマーの概略図は以下の通りです。

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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

IC 7812電圧レギュレーター

2種類の電圧レギュレーターのうち、IC 7812は共通グランドに対して正の電圧を出力するタイプです。同様のICとして7912があり、これは共通グランドに対して負の電圧を生成します。

このレギュレーターはTO-3、TO-92、表面実装パッケージなど多くのパッケージタイプで販売されていますが、最も一般的なのはTO-220パッケージのバリエーションです。ICが正常に機能するための入力値の閾値があります。

ICに入力として印加される入力電圧は、推定出力電圧より高くなければなりません。その値は2.5V以上である必要があります。電圧に閾値があるように、電流にも閾値があり、この場合は出力電流より約1アンペア高い必要があります。

IC 7812の利点

• 7812は出力をバランスまたは飽和させるための他のコンポーネントを必要としません。
• 高電流サージから保護する機能がIC内部に組み込まれています。
• ICの過熱と潜在的な回路全体のショートを防ぐ内蔵ヒートシンクがあります。

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IC 7812のピンアウト

ICには3つのピンがあります。「in」と表示されているピンがICへの正の入力です。「out」と表示されているピンがICから正の出力を生成する場所です。入力と出力の両方に共通の第3のピンもあります。

IC 7912電圧レギュレーター

7812 ICとは異なり、7912は出力電圧を一定の-12Vに制限する調整機能を持ち、+12Vではありません。すべての負電圧レギュレーターの中で、7912が最も一般的です。IC 7912は79**と名付けられた大規模な電圧レギュレーターICシリーズから来ています。末尾が12であるため、出力で-12Vを出力する電圧レギュレーターです。

IC 7812と似た特徴がたくさんあります。いくつかを以下にリストします：

• 入力に印加できる最小電圧は約-14.5ボルトです。
• 通過可能なピーク電流は約2Aです。
• 平均出力電流は最大1Aです。
• 過負荷と短絡に対する内蔵安全機構。
• 7812と同様に、IC 7912もTO-220パッケージのみで提供されます。

ICの3つのピンを示す概略図は以下の通りです。

このICの用途の一部を以下にリストします。

• 一定の-12V出力を必要とする回路、またアナログおよびデジタル回路の基準電圧として使用可能。
• 出力で一定量の電流のみを通すため、そのようなアプリケーションの電流制限器として使用可能。
• 正電圧レギュレーターICと組み合わせてデュアル電源回路を作成可能。
• 固有の過電圧と短絡問題に耐える機構を備えているため、出力極性反転保護回路として使用可能。

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デュアル電源回路の動作

デュアル電源回路の動作は4つのステップで説明できます：

1. 適切な降圧トランスフォーマーを使用して220V商用電源を12V AC電源に変換

回路の入力が商用電源からであるため、まず出力したい値に近い値まで電圧を下げる必要があります。この場合、降圧に使用するトランスフォーマーの出力を約12Vと見なします。

センタータップトランスフォーマーの一次側を商用電源に接続し、もう一方の側から取り出される出力は約24Vです。これは、この場合センタータップトランスフォーマーを使用しているためです。センタータップトランスフォーマーは、二次側の外側巻線端子間で測定すると24Vの電圧を生成します。

しかし、各端子をセンタータップに対して測定すると、12Vの電圧を示します。タップの各側は、同じ値だが異なる極性の電圧を生成します。したがって、最初の部分で、大きさが等しい（12V）が互いに180度位相がずれている2つのAC電圧を生成しました。

2. フルブリッジ整流器を使用して12V ACを12V DCに変換

逆極性の12Vを生成する外側の2つの端子をブリッジ整流器回路、この場合はフルブリッジ整流器に接続します。整流器はAC電圧をDCに変換します。これはダイオードで構成される一種のコンバーター回路です。

この特定の回路、デュアル電源回路では、ダイオードブリッジは6Aの電流定格を持つダイオードで構成されます。電圧定格は400Vです。これらの値は、回路の入力が電源からであることを考慮して選択されています。

3. 整流器出力からのリップルを除去

本質的に、整流器回路は出力にリップルを生成します。これらのリップルを含む出力では、回路を適切に駆動できません。そのため、リップルを除去する必要があります。この作業はフィルターとして機能するコンデンサによって行われます。回路で使用されるコンデンサの値は2200μFと25Vの耐圧です。これにより、リップル含有量が非常に少ない12V DC電圧が生成されます。

4. 12V DC電源を調整

コンデンサからの出力を駆動する回路に接続すべきではありません。コンデンサはフィルター回路のみに接続されているため、12Vの値まで充電されます。他の回路も接続されると、それに応じて変化し、適切な出力を与えなくなります。

そのためレギュレーターが必要です。この回路で使用される電圧レギュレーターは7812と7912です。これらは12Vの正と負の極性DC電圧を生成する電圧レギュレーターです。

デュアル電源回路の用途

• オペアンプは正と負の2つの電源を必要とします。オペアンプ回路はデュアル電源回路で駆動できます。
• DCモーターを負荷として使用する場合、半分の時間ずつ各極性で機能します。同様の動作をシミュレートするために、デュアル電源回路を使用できます。