DIY 5V携帯充電器回路 - 230V ACを5V DCに安全変換

シンプルな携帯電話充電器の作り方 - 230V ACから5V DCの回路図

携帯電話充電器がどのように動作するか、または小さなデバイスがどのように220〜230ボルトのAC電源を5ボルトや必要な電圧に変換するかを考えたことはありますか？このプロジェクトでは、携帯電話デバイスを安全に充電するために、220ボルトのAC電源を携帯電話の電圧定格に変換する回路について説明します。

現在、携帯電話充電器はさまざまな電源で市販されています。このプロジェクトでは、220ボルトのAC電源から5ボルトの安定化DC電源を得るために使用される回路を作成します。この回路は、他のデバイス、ブレッドボード、マイクロコントローラー、ICの電源としても使用できます。

携帯電話充電器の製作には基本的に4つのステップがあります。第1ステップは、220ボルトのAC電源を低電圧に降圧することです。第2ステップは、フルウェーブブリッジ整流器を使用してACをDCに整流することです。第2ステップで得られるDC電圧にはACリップルが含まれているため、ろ過プロセスで除去します。最後のステップは電圧調整で、IC 7805を使用して5ボルトの安定化DC電源を提供します。

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携帯電話充電器回路

必要なコンポーネント

• 9-0-9 1A降圧トランスフォーマー
• ダイオード
• コンデンサ - 1000μFと0.01μF
• 電圧レギュレーターIC 7805

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9-0-9降圧トランスフォーマー

9-0-9はセンタータップ降圧トランスフォーマーです。センタータップトランスフォーマーでは、トランスフォーマーの二次巻線の正確な中点にワイヤーが接続され、中性電流に接続することでゼロボルトに保たれます。この9-0-9トランスフォーマーは、220ボルトのAC電源を9ボルトのACに変換します。

この技術により、トランスフォーマーは大きさが等しく極性が反対の2つの独立した出力電圧を提供できます。このトランスフォーマーの動作は、通常のトランスフォーマー（一次巻線と二次巻線）と非常に似ています。一次電圧が二次巻線に磁気誘導で電圧を誘導しますが、二次巻線の中心にワイヤーがあるため、2つの電圧を取得できます。

このタイプの降圧トランスフォーマーは、AC電源電圧をDC電圧に変換する整流回路で主に使用されます。

上図から、3本のワイヤーと中性線がグランドに接続されていることから、V_AとV_Bの2つの電圧を取得できることがわかります。このため、このトランスフォーマーは2相3線式トランスフォーマーとも呼ばれます。

ライン1とライン2を中性線に接続して負荷を接続することで1つの電圧を取得できます。負荷をライン1とライン2の間に直接接続すると、2つの電圧の合計である全電圧を取得できます。

Np、Na、N_Bを一次コイル、二次コイルの前半、二次コイルの後半のターン数とします。V_Pを一次コイルの電圧、V_AとV_Bを二次コイルの前半と後半の電圧とします。以下の式でV_AとV_Bを計算できます：

• V_A = (N_A / N_P) × V_P
• V_B = (N_B / N_P) × V_P
• V_Total = V_A + V_B

通常のトランスフォーマーとセンタータップトランスフォーマーの主な違いは、通常のトランスフォーマーでは1種類の電圧しか得られないのに対し、センタータップトランスフォーマーでは2つの電圧が得られることです。

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フルウェーブブリッジ整流器

フルウェーブブリッジ整流器は、交流（AC）を入力として受け取り、その周期の両半波を直流（DC）に変換するセットアップです。回路図に示すように、4つのダイオードがブリッジとして接続されています。交流の半波を直流に変換するこのプロセスを整流と呼びます。

ブリッジ回路の動作:

AC波の1周期（T）を考えてみましょう。入力ACサイクルの前半（0からT/2）は正、後半（T/2からT）は負です。負の半分を正の半分に変換したいとします。

したがって、サイクルの前半はそのままにし、回路図に示すように4つのダイオード（D₁、D₂、D₃、D₄）を使用して後半を正の半分に変換します。ダイオードは順方向バイアス条件でのみ導通し、逆方向バイアス条件では導通しません。

最初の正の半サイクルでは、ダイオードD₂とD₃が順方向バイアスになり導通するため、出力として同じ正のサイクルが得られます。負の半サイクルでは、ダイオードD₁とD₄が順方向バイアスになり導通し、最初の半サイクルと同様の正の半波が出力として得られます。このようにして、すべての負の半波が正の半波に整流されます。この出力はさらにフィルターに供給され、ろ過プロセスが行われます。

このフルウェーブブリッジ整流器にはさまざまな用途があります。主にモーターやLEDの駆動などの回路で使用されます。また、電気溶接における安定した偏極DC電圧の供給にも使用されます。さらに、変調無線信号の振幅検出にも使用されます。

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ろ過

ACの整流後、得られる出力は適切なDCではありません。高いリップル係数を持つ脈流DC出力です。この出力を携帯電話に供給することはできません。定常状態のDC電源ではないため、デバイスを簡単に破損させる可能性があります。

整流後の脈流DC出力は、AC電源入力の2倍の周波数を持ちます。この高リップル脈流DC出力は、平滑コンデンサを使用することで適切なDC出力に変換できます。負荷と並列にコンデンサを接続することで、リップルを減らし、平均DC出力レベルを上げます。

携帯電話充電回路の動作と操作:

高リップル脈流DC出力がコンデンサに供給されると、波がピーク位置に達するまで充電されます。波がピーク位置から減少し始めると、コンデンサは自己放電し、出力電圧レベルを安定させようとします。出力波は最低レベルまで下がらず、適切なDC電源電圧を生成します。

ろ過に使用すべき静電容量値を計算してみましょう。

静電容量は次の式で計算できます：C = (I×t)/V、ここで

• C = 計算する静電容量
• I = 最大出力電流（500mAと仮定）
• t = 時間周期
• V = ろ過後のピーク出力電圧

入力AC電圧が50ヘルツであるため、整流後の出力波形は入力AC電源の2倍の周波数を持ちます。したがって、リップルの周波数（f）は100Hzです。

時間周期（t） = 1/f = 1/100 = 0.01 = 10ms。

電圧レギュレーターに供給される出力は7ボルト（5ボルトDC出力 + 必要以上の2ボルト）で、ピーク出力電圧から差し引かれます。9-0-9トランスフォーマーは9ボルトのRMS値を与えるため、ピーク値は√2 × RMS電圧になります。1サイクルで2つのダイオードを使用します。1つのダイオードの電圧降下は0.7ボルトなので、2つのダイオードで1.4ボルトです。したがって、

ピーク出力電圧（V） = 9V × 1.414V - 1.4V - 7V = 4.33ボルト。

したがって、

C = Q / V …（ここで Q = I × t）

C = (0.5A × 0.01ms) / 4.33V = 1154μF（約1000μF）。

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電圧調整IC 7805

IC 7805は、安定化5ボルトDC出力を与える電圧レギュレーターです。IC 7805の動作電圧は7ボルトから35ボルトです。したがって、供給される最小入力電圧は少なくとも7ボルトである必要があります。出力電圧範囲は4.8ボルトから5.2ボルト、電流定格は1アンペアです。

入力と出力電圧の差が2ボルトと大きいため、この電圧差は熱として放出され、差が大きいほどより多くの熱が放散されます。そのため、電圧レギュレーターに適切なヒートシンクを接続して、その誤動作を防止する必要があります。

発生熱 = (入力電圧 - 出力電圧) × 出力電流

例えば、入力電圧が12ボルト、出力電圧が5ボルト、出力電流が500mAの場合、発生熱は(12V - 5V) × 0.5A = 3.5ワットです。したがって、ICが損傷しないように3.5ワットの電力を吸収できるヒートシンクを取り付けることができます。

7805電圧レギュレーターICは2つの意味を持ちます：「78」は正を意味し、「05」は5ボルトを意味するため、このICは正の5ボルトDC電源を供給するために使用されます。このICには入力用、グランド用、出力用の3つのピンがあります。この7805電圧レギュレーターの出力に0.01μFの容量を接続して、電圧の過渡変化によって生成されるノイズを除去します。

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結論

上記の手順を理解することで、望ましい出力の独自の携帯電話充電器を設計できます。トランスフォーマー定格の必要な変更が必要です。例えば、適切な電圧に降圧できるトランスフォーマーを選択する必要があります。

整流プロセスは同様で、負の半分を正の半分に変換するだけです。特に携帯電話充電器の場合、ろ過プロセスで必要なコンデンサの計算を適切に行う必要があります。電圧レギュレーター7805の入力と出力電圧の差を考慮に入れ、ヒートシンクを適切に設計する必要があります。