アリスのＶ．Ｒｅｇ２ の巻 その２
（ＡＬ４３１搭載型 可変 定電圧安定化電源基板、入力ＡＣ、ＤＣ両用）
【 使い方考察 】
アリス 「Ｖ．Ｒｅｇ２（＋）＆（－）はセッティング自由度の高く応用範囲の広い可変・定電圧安定化電源基板です。
しかし、自由度が高いということはセッティングを詰める為の方法論があったほうが良いですし、
応用範囲についても具体例があった方が発想の参考になるかもしれません。」
みみずく 「回路技術としては基礎的なものだし、ひとつひとつ計算を積み上げていけば難しいことではないんだけどね。」
アリス 「最近は勉強しに来てくれる人も多いようなので、みみずく先生にも手伝ってもらいながら、
Ｖ．Ｒｅｇ２の使い方について参考になりそうなことをまとめてみたいと思います。」
【 Ｖ．Ｒｅｇ２（＋） 回路図 】
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【 Ｖ．Ｒｅｇ２（－） 回路図 】
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【最初にやること(出力の決定) → トランジスターの選定】
アリス 「最初にやることって何ですか？」
みみずく 「まぁ、電源なんだから何かに使うわけだけど、用途が決まれば電源に必要とされる出力電圧と出力電流が決まる。
これが最初にやることだね。」
アリス 「ここで、出力電圧と最大出力電流をかけたものが最大出力と定義されます。」
電源の最大出力（Ｗ）＝出力電圧（Ｖ）×最大出力電流（Ａ）
みみずく 「さて、次には入力電圧を決める。Ｖ．Ｒｅｇ２はシリーズ型レギュレーターやドロッパー型レギュレーターと呼ばれる電源方式だ。
この電源方式は入力電圧から出力電圧を取り出すときに、余分な電圧を熱として内部で消費する特徴がある。
だから、入力電圧、出力電圧、出力電流の三要素が決まれば発熱量を計算することができる。これが次にやること。」
アリス 「シリーズ型電源の発熱量は次のように定義されます。」
電源の発熱量（Ｗ）＝｛入力電圧（Ｖ）－出力電圧（Ｖ）｝×最大出力電流（Ａ）
みみずく 「ここで大事なことは最大出力（Ｗ）と発熱量（Ｗ）を混同しないこと。
出力が小さくても入力と出力の落差が大きければ発熱量は大きくなる。
シリーズレギュレーターはローノイズかつ追従性に優れた電源なのだが、
この発熱の問題があるために変圧トランスと組み合わせて使用されるケースが多いわけだ。」
アリス 「変圧トランスを使うことで、入力電圧と出力電圧の落差を抑えているんですね。」
みみずく 「そういうこと。ところで、電源の発熱量（Ｗ）のほとんどは出力トランジスターで発生している。
このトランジスターの発熱のことをコレクター損失という。」
電源の発熱量（Ｗ）＝出力トランジスターのコレクター損失（Ｗ）
アリス 「ここまでくればトランジスターの選定ができます。」
みみずく 「トランジスターのデータシートを眺めて、
最大コレクタ・エミッタ間電圧（Ｖｃｅ）
最大コレクタ電流（Ｉｃ）
最大コレクタ損失（Ｐｃ）
に注目する。だいたい最初のページに載っている。
これは絶対定格の数値なので、文字通り一瞬たりとも超えてはならない。
具体的には以下の条件を満たしていれば基本的には大丈夫。」
Ｖ．Ｒｅｇ２の入力電圧 ≦ 最大コレクタ・エミッタ間電圧（Ｖｃｅ）
Ｖ．Ｒｅｇ２の最大出力電流 ≦ 最大コレクタ電流（Ｉｃ）
Ｖ．Ｒｅｇ２の発熱量 ≦ 最大コレクタ損失（Ｐｃ）
アリス 「小売店の販売リストとデーターシートを交互にじーっと見つめながら採用するトランジスターの候補を選び出します。」
みみずく 「さて、少しわかり辛いだろうから具体例で検討してみよう。
出力電圧９Ｖ、最大出力電流０．５Ａの電源を作りたいとしよう。
そして、たまたま２４Ｖの電源アダプターを持っているからこれを入力に使ってみようと思ったとしよう。」
２４Ｖ電源アダプター → Ｖ．Ｒｅｇ２（＋） → ９Ｖ、０．５Ａ
アリス 「計算してみるとこうなりますね。」
Ｖ．Ｒｅｇ２（＋）の出力 ＝ 出力電圧９Ｖ×出力電流０．５Ａ ＝ ４．５Ｗ
Ｖ．Ｒｅｇ２（＋）の発熱量 ＝ ｛入力電圧２４Ｖ－出力電圧９Ｖ｝×出力電流０．５Ａ ＝ ７．５Ｗ ＝ コレクター損失
みみずく 「実際に手元にあるトランジスターが使えないか検討してみよう。」
アリス 「ここで、具体例としてパワートランジスターに２ＳＣ３４２１と２ＳＣ３４２２を考えます。
小信号用トランジスターには２ＳＣ１８１５ＧＲを使います。」
２ＳＣ３４２１Ｙ Ｖｃｅ＝１２０Ｖ Ｉｃ＝１Ａ Ｐｃ＝１．５Ｗｔａ、１０Ｗｔｃ
２ＳＣ３４２２Ｙ Ｖｃｅ＝４０Ｖ Ｉｃ＝３Ａ Ｐｃ＝１．５Ｗｔａ、１０Ｗｔｃ
２ＳＣ１８１５ＧＲ Ｖｃｅ＝５０Ｖ Ｉｃ＝１５０ｍＡ Ｐｃ＝４００ｍＷ
みみずく 「ここで、Ｐｃにｔａ、ｔｃと２種類あるが、ｔａは２５℃の空気中でのトランジスター単体での数値で、
ｔｃは２５℃の空気中でトランジスターを大きな放熱器に取り付けたときの数値。
ともに定格値だから実際のコレクター損失はこれ以下である必要がある。
Ｖ．Ｒｅｇ２（＋）の発熱量は７．５ＷでどちらのトランジスターもＩｃ＝１０Ｗｔｃだから、大きな放熱フィンを使えば何とかなりそうだが、
やっぱりちょっと発熱量が大きすぎて無駄が多い。」
アリス 「と、いうわけで１５Ｖのアダプターを買ってきたので、計算結果は次のように修正されます。」
１５Ｖ電源アダプター → Ｖ．Ｒｅｇ２（＋） → ９Ｖ、０．５Ａ
Ｖ．Ｒｅｇ２（＋）の出力 ＝ 出力電圧９Ｖ×出力電流０．５Ａ ＝ ４．５Ｗ
Ｖ．Ｒｅｇ２（＋）の発熱量 ＝ ｛入力電圧１５Ｖ－出力電圧９Ｖ｝×出力電流０．５Ａ ＝ ３Ｗ ＝ コレクター損失
みみずく 「コレクター損失３Ｗであれば小型の放熱フィンでも対応可能だ。
また、Ｖ．Ｒｅｇ２の性能を活かすためにも入力と出力電圧の落差（ドロップ電圧）は５Ｖ以上が望ましいから、その点でも合格だな。」
アリス 「第一段階はクリアできたようなので、２つのパワートランジスター候補のどちらかに決定したいと思います。」
みみずく 「定格をクリアーしてトランジスターの候補を選び出したら、コレクタ電流と直流電流増幅率（ｈＦＥ）の関係に注目する。
データシートにグラフが載っているからＶ．Ｒｅｇ２に想定している最小出力電流と最大出力電流の範囲でｈＦＥを読み取る。
これは実は重要な作業なんだ。」
アリス 「データシートのグラフを読むと２ＳＣ３４２１はコレクタ電流３ｍＡ～１００ｍＡの範囲でｈＦＥは１２０くらいありますけど、
５００ｍＡでは１００以下に落ちてます。２ＳＣ３４２２は１０ｍＡ～５００ｍＡの範囲でｈＦＥは１２０くらいあります。」
みみずく 「そうだね、２ＳＣ３４２１は３００ｍＡ以上でｈＦＥの低下が始まっている。
２ＳＣ３４２２は１Ａ以上でｈＦＥの低下が始まっている。
ｈＦＥが低下するということはトランジスターの性能が低下していることを意味する。」
アリス 「ということは、今回の電源では２ＳＣ３４２２Ｙを採用するのがいいんですね。」
みみずく 「それがよいと思う。最大定格だけを見ていると、どちらのトランジスターも使用可能なように見えるし実際に使うことができる。
トランジスターを選定する上で大事なパラメーターは最大定格だけではないということがここまでの要点だよ。」
アリス 「ところで、出力が３００ｍＡまでの場合はどちらを選んだらいいんですか？みみずく先生？」
みみずく 「お、いい質問だねぇ。その場合はコレクタ出力容量（Ｃｏｂ）やトランジョン周波数（ｆＴ）に注目しよう。
大雑把に言うと、これらはトランジスターの反応速度と関係がある。品種によってはグラフも載っているんだけど今回は一元の数値だけだね。
同じ条件でのデータが載っているのはＣｏｂ。この数値が小さいほど高速動作が得意だと考えてよい。
２ＳＣ３４２１は１５ｐＦ、２ＳＣ３４２２は３５ｐＦ。
これだけで比較すると３００ｍＡ以下の領域では２ＳＣ３４２１を使った方が良い結果が出るかもしれない。
但し、２ＳＣ３４２１のＶｃｅは１２０Ｖ、２ＳＣ３４２２のＶｃｅは４０Ｖなので低い電圧で使う分には２ＳＣ３４２２の方が良好な可能性もある、
ということは頭の片隅に入れておいても損はない。」
アリス 「やはり最終的には実際に使ってみての判断もあり、と言うことですね。」
みみずく 「そうだねぇ。特にオーディオの電源に使用した場合の音質などについては、やはり聴いてみるまでわからないことが多いかな。」
アリス 「とりあえず、めぼしいトランジスターの基本パラメーターを列挙しておきます。」
2SC1815 GR (50V , 150mA , 400mW , hFE200-400) NPN小信号用トランジスター、汎用、TO-92、コンプリ2SA1015
2SA1015 GR (50V , 150mA , 400mW , hFE200-400) PNP小信号用トランジスター、汎用、TO-92、コンプリ2SC1815
2SC2240 GR (120V , 100mA , 300mW , hFE200-400) NPN小信号用トランジスター、ローノイズ、TO-92、コンプリ2SA970
2SA970 GR (120V , 100mA , 300mW , hFE200-400) PNP小信号用トランジスター、ローノイズ、TO-92、コンプリ2SC2240
2SC3421 Y (120V , 1A , 1.5/10W , hFE120-240) NPNパワートランジスター、TO-126、コンプリ2SA1358
2SA1358 Y (120V , 1A , 1.5/10W , hFE120-240) PNPパワートランジスター、TO-126、コンプリ2SC3421
2SC3422 Y (40V , 3A , 1.5/10W , hFE120-240) NPNパワートランジスター、TO-126、コンプリ2SA1359
2SA1359 Y (40V , 3A , 1.5/10W , hFE120-240) PNPパワートランジスター、TO-126、コンプリ2SC3422
2SC5200 O (230V , 15A , 150Wtc , hFE80-160) NPNパワートランジスター、TO-3、コンプリ2SA1943
2SA1943 O (230V , 15A , 150Wtc , hFE80-160) PNPパワートランジスター、TO-3、コンプリ2SC5200
【ＡＬ４３１の発熱量を考慮する】
アリス 「続いてＡＬ４３１の定格についての検討ですよね。」
みみずく 「ＡＬ４３１のキット付属パーツでは、最大定格は最大電圧５０Ｖ、最大電流１５０ｍＡ、最大発熱量１５０ｍＷになる。」
アリス 「Ｖ．Ｒｅｇ２が設計範囲で動作しているときに、当然、搭載されたＡＬ４３１もこの定格内で動作している必要があります。」
みみずく 「このなかで最も注意を払わなくてはならないのが発熱量。これは定格を超えやすい。」
アリス 「そもそもシャントレギュレーターは発熱量が多いことが特徴のひとつですものね。」
みみずく 「特に使用電圧を高めにとった場合には、適当な定数設定をすると簡単に発熱量が定格オーバーしてしまう。
ＡＬ４３１は出力トランジスターをＳＣ５９パッケージとした場合、最大定格１５０ｍＷなので、
実際には１００ｍＷまでの発熱量で使うのがよいだろうね。」
アリス 「ということは、仮にＡＬ４３１に５０Ｖがかかっていた場合には
０．１（Ｗ）÷５０（Ｖ）＝２（ｍＡ）
なので、Ｖ．Ｒｅｇ２を入力５０Ｖ以下で使用する場合には、ＡＬ４３１には２ｍＡ以下しか流れないようにしておけば、
定格オーバーはない、と言うことですね。」
みみずく 「そういうこと。話は前後するけど、ＡＬ４３１に駆動電流を供給する場合、
Ｊ－ＦＥＴ（２ＳＫ３０）とＲ４＝３３０Ωを使った定電流回路からは約２ｍＡ前後の定電流が供給されるから、そういう面でも都合が良い。」
アリス 「ジャンパー（ＪＰ１）を使った機能ですね。定電流(ConstC)ではなく抵抗のみ(R)＝Ｒ３を選択した場合はどうなりますか？」
みみずく 「その場合はＲ３の抵抗値によるけれども、
ＡＬ４３１が最大に発熱するのはＶ．Ｒｅｇ２への入力電圧の半分の電圧がＡＬ４３１にかかっているときだと大雑把に考えてよい。
例えば、Ｖ．Ｒｅｇ２への入力が５０Ｖだとして具体的に考えてみよう。」
アリス 「キットではＲ３＝２．２ｋΩですから、Ｒ３に５０Ｖの半分の電圧がかかった場合に流れる電流は
｛５０（Ｖ）÷２｝÷２２００（Ω）＝０．０１１４（Ａ）
その電流の全てが２５Ｖを発生させているＡＬ４３１の中を流れたとすると
２５（Ｖ）×０．０１１４（Ａ）＝２８５（ｍＷ）
あれ？ＡＬ４３１の最大定格の１５０ｍＷをオーバーしてます！」
みみずく 「そうだね。定格オーバーだ。このくらいのオーバーだと間違いなく壊れる。
この場合、ＡＬ４３１の出力トランジスターをＳＣ－５９パッケージから交換用予備として付属している
ＴＯ－９２パッケージのものに交換した方が良い。そうすると３００ｍＷくらいの発熱なら許容できるようになる。
それと、忘れがちなのが抵抗の許容発熱量。
キット付属の抵抗器は１／４Ｗ定格だから、つまり２５０ｍＷが最大定格。実際にはその半分くらいで使う。
Ｒ３＝２．２ｋΩに２５Ｖかかっていると、その発熱量は
｛２５（Ｖ）＾２｝÷２２００（Ω）＝２８４．１（ｍＷ）
となり、定格をオーバーしている。この場合は１／２Ｗ定格以上のものに交換する必要がある。
以上をまとめると、ＡＬ４３１への電流供給を抵抗のみ（Ｒ３＝２．２ｋΩ）とした場合は、だいたいの目安としてこのように考えると良いことになる。」
●Ｖ．Ｒｅｇ２への入力が３０Ｖ未満 … ＡＬ４３１の出力トランジスターはＳＣ－５９パッケージでＯＫ
●Ｖ．Ｒｅｇ２への入力が３０Ｖ以上 … ＡＬ４３１の出力トランジスターをＴＯ－９２パッケージ以上の大型のものに交換
●Ｒ３（２．２ｋΩ）にかかる電圧は１７Ｖか多くても２０Ｖくらいまで。それ以上の場合には１／２Ｗ以上のものに交換
【再びトランジスターのｈＦＥをチェック】
みみずく 「ところで、ＡＬ４３１の動作の検討を進めるうえで、先に出てきた出力トランジスターのｈＦＥが重要になってくる。」
アリス 「ほんのりと専門的になってきました。」
みみずく 「別に難しくはないよ。トランジスターはベース電流をｈＦＥ倍した電流をコレクター電流に流せる仕組みだから、
逆算して必要なベース電流を求めようということ。」
アリス 「もう一度データシートを見てみると、２ＳＣ１８１５ＧＲのｈＦＥは２００～４００、２ＳＣ３４２２ＹのｈＦＥは１２０～２４０のようです。」
みみずく 「Ｖ．Ｒｅｇ２は出力トランジスターＱ２をＱ１でコントロールする二段ダーリントン接続になっている。
ダーリントン接続の場合、ｈＦＥは２つのトランジスターの数値を掛け合わせたものになる。」
アリス 「ということは、Ｑ１に２ＳＣ１８１５ＧＲ、Ｑ２に２ＳＣ３４２２Ｙを使った場合、そのｈＦＥは最低でも２００×１２０＝２４０００ということになりますね。」
みみずく 「そうすると、出力電流０．５Ａの電源の場合、Ｑ１に供給するベース電流は０．５（Ａ）÷２４０００＝０．０２１（ｍＡ）ということになる。
このベース電流はＡＬ４３１に供給される電流の一部をおすそ分けするように供給される。
ＡＬ４３１へ供給されるアイドリング電流がベース電流の１０倍以上あるときには、まあ、あんまり気にする必要は無い。」
アリス 「通常の使用ではあんまり問題にならないみたいですね。」
みみずく 「そうだね。あとは逆にＡＬ４３１に流すアイドリング電流を絞りすぎてしまうと、
ＡＬ４３１の性能が発揮できなくなる場合があるので別に注意が必要かな。
ＡＬ４３１に使うトランジスターにもよるけど、基本的には０．５～１ｍＡ以上流しておけば大丈夫だとは思うが。」
アリス 「いろいろ考えることがあるんですねー。」
【ＣＲフィルターのセッティング】
みみずく 「続いて入力のＣＲフィルターのセッティングについてだな。」
アリス 「やっと来ました！みみずく先生の大好きなＣＲフィルターですね。」
みみずく 「そのとおりだ。良くわかってるじゃないか、アリス。」
アリス 「みみずく先生から折に触れて説明を受けるので、あたしも感化されてきました。」
みみずく 「いいことだ。いいことだ。」
アリス 「Ｖ．Ｒｅｇ２が入力にＣＲフィルターを備えていることには以下のメリットがあります。」
①スイッチング電源や整流ダイオードから発生するパルス状の高周波ノイズを減少させる。
②整流直後のリプルを減少させる。
③デカップリングの作用によって下流の回路の独立性を高める。
④過電流保護作用がある。
⑤スロースタート作用がある。突入電流を防ぐ。
みみずく 「まさに、そのとおりだ。Ｖ．Ｒｅｇ２の入力ＣＲフィルターは電力回路の一部なので、
定数の決定には電圧降下量と発熱量を考慮して、とり得る値の範囲を検討するというのが基本的アプローチになる。
そして、ＣＲフィルターは伝達特性を持つのでそのセッティングは音に影響する。
つまり、チューニングできる箇所でもある。定数の決定は試聴のうえ慎重に行いたいところだね。」
アリス 「入力ＣＲフィルターは抵抗（Ｒ１）とコンデンサー（Ｃｉｎ）で構成されています。
Ｒ１の値は比較的制限があり、Ｃｉｎの値は比較的任意です。」
みみずく 「Ｖ．Ｒｅｇ２の出力電流をＩｏｕｔ（Ａ）とすると
Ｒ１の電圧降下（Ｖ）＝Ｒ１（Ω）×Ｉｏｕｔ（Ａ）
Ｒ１の発熱量（Ｗ）＝Ｉｏｕｔ（Ａ）＾２×Ｒ１（Ω）
となる。配慮することはＲ１以外のドロップ電圧の余裕を４Ｖ以上残しておくこと。
入力電圧（Ｖ）－Ｒ１の電圧降下量（Ｖ）－Ｖ．ｒｅｇ２の出力電圧（Ｖ）≧ ４（Ｖ）
発熱量については、その倍以上の定格を持つ抵抗を使えばＯＫ。大事なことはこのくらい。
アリス 「では、Ｒ１＝３．３Ωとして実際に計算してみたいと思います。
入力１５Ｖ、出力９Ｖ、０．５Ａの電源では
Ｒ１の電圧降下（Ｖ）＝３．３（Ω）×０．５（Ａ）＝１．６５（Ｖ）
Ｒ１の発熱量（Ｗ）＝０．５（Ａ）＾２×３．３（Ω）＝０．８２５（Ｗ）
入力電圧１５（Ｖ）－Ｒ１の電圧降下量１．６５（Ｖ）－Ｖ．Ｒｅｇ２の出力電圧９（Ｖ）＝４．３５（Ｖ）≧ ４（Ｖ）
ということになります。Ｒ１は３．３Ω２Ｗ品が適合と言うことですね。」
みみずく 「そんなカンジでいいと思うね。それと、計算してわかると思うけど、入力ＣＲフィルターのＲは、
電源回路の発熱と電圧の一部を引き受けることができるので、出力トランジスターなどの負担を肩代わりできる。
慣れてくるとその辺の帳尻併せもできるようになってきて、それはそれで面白いことなんだよ。」
アリス 「後はＣｉｎの静電容量についてですね。」
みみずく 「Ｃｉｎはどんな値のものでもちゃんと動くけど、それぞれに音には違いが出る。
ＣｉｎとＲ１はＣＲフィルターの中でもローパスフィルター（ＬＰＦ）というものを構成している。
カットオフ周波数は以下の式で計算できる。
カットオフ周波数（Ｈｚ）＝１÷｛２×π×Ｃｉｎの静電容量（Ｆ）×Ｒ１（Ω）｝
通過する信号は、ちょうどこの周波数で－３ｄＢになり
それ以上の周波数については－６ｄＢ/oct（周波数が倍になるたびに信号レベルが半分）になる。」
アリス 「その作用によって高周波ノイズやリプルを減少させてるんですね。」
みみずく 「まあ、そんなところ。ＣＲフィルターは奥の深い回路だから、いろいろと工夫してみるといいんじゃないかな。
ちなみに、Ｃｉｎ（Ｆ）×Ｒ１（Ω）の値を『時定数』というんだけど、
この数値が大きいほどカットオフ周波数が下がり、また、スロースタートがよりゆっくりかかるようになる。」