MOSFETを使用した定電圧回路の動作原理

【MOSFET使用】定電圧回路の動作原理について解説します!

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困っている人

MOSFETを使用した定電圧回路があるらしい。
どんな動作原理なのかな?

こんな疑問を解消します。

『MOSFETを使用した定電圧回路』は難しいため、動作原理が分かっていない方も多いですよね。

そこで今回は、『MOSFETを使用した定電圧回路の動作原理』について丁寧に解説します!
 

本記事の内容・ 定電圧電源の定番回路図
・ PMOS1の役割
・ R2の役割
・ NMOS1の役割
・ VfVfの役割
・ R1の役割
・ R3の役割
・ R4&R5の役割
・ NMOS2の役割
・ まとめ
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MOSFETを使用した定電圧電源の定番回路図

https://toeic-research.com/wp-content/uploads/2021/05/MOSFETを使用した定電圧回路の定番回路図-1.jpg
上図が、MOSFETを使用した定電圧電源の定番回路図です。

『15V電源から5.0V-30mAの定電圧電源を作り出せる回路』であり、設計方法については別記事にて紹介します。

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もっぷ

初見ではどのように動作しているか分からないので、各素子の役割を1つずつ見ていきましょう。

 

PMOS1の役割

MOSFETを使用した定電圧回路の定番回路図(PMOS1)
まずは、PMOS1の役割を説明します。

PMOS1の役割は『15V⇒5V変換』です。

Id-Vgs特性図を見ると、下記のことが分かります。

【Id-Vgs特性図から分かること】

PNMO1は『Vgs:1.2V ~ 2.5V』において『Id:0.001A ~ 10A、Vds:-10V』となる。

 
PMOS1のId-Vgs特性図
 

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もっぷ

Vds:10Vとなれば、Vout = 5V (= Vin – Vds = 15V – 10V)に変換できますね。

 

R2の役割

MOSFETを使用した定電圧回路の定番回路図(R2)
次に、R2の役割を説明します。

R2の役割は『PMOS1のVgs生成』です。

R2に電流が流れると、PMOS1のゲートソース間電位差が発生します。

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もっぷ

R2が無いと、ゲートソース間電位差は0Vになってしまうのです。

 

NMOS1の役割

MOSFETを使用した定電圧回路の定番回路図(NMOS1)
次に、NMOS1の役割を説明します。

NMOS1の役割は『R2通電電流のコントロール』です。

R2の通電電流は、NMOS1のゲートソース間電位差によって決まります。

Id-Vgs特性図を見てみましょう。

【Id-Vgs特性図から分かること】

NNMO1は『Vgs:1.0V ~ 2.5V』において『Id:0.001A ~ 10A、Vds:10V』となる。

 
NMOSのId-Vgs特性図
 

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もっぷ

NMOS1は電流値のコントロールを担っているのです。

 

VfVfの役割

MOSFETを使用した定電圧回路の定番回路図(VfVf)
次に、VfVfの役割を説明します。

VfVfの役割は『NMOS1のゲート電位固定』です。

『NMOS1のゲート電位 = Vf + Vf』で固定されます。

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もっぷ

VfVfが無いとNMOS1のゲート電位を固定できません。

 

R1の役割

MOSFETを使用した定電圧回路の定番回路図(R1)
次に、R1の役割を説明します。

R1の役割は『VfVf通電電流の生成』です。

If-Vf特性図を見ると、下記のことが分かります。

【If-Vf特性図から分かること】

VfVfは、Ifの値によってVfが決まる。

 
VfVfのIf-Vf特性図
 

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もっぷ

VfVfに一定の電流を流すために、R1があるのです。

 

R3の役割

MOSFETを使用した定電圧回路の定番回路図(R3)
次に、R3の役割を説明します。

R3の役割は『NMOS1のソース電位生成』です。

R3に電流が流れると、NMOS1のソース電位が上昇します。

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もっぷ

R3の抵抗値によって、NMOS1のゲートソース間電位差を調整できます。

 

R4&R5の役割

MOSFETを使用した定電圧回路の定番回路図(R3)
次に、R4&R5の役割を説明します。

R4&R5の役割は『Voutの監視』です。

VoutのR4&R5による分圧値が、NMOS2のゲート電位に入力されています。

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もっぷ

常にVoutを監視しているのです。

 
 

NMOS2の役割

MOSFETを使用した定電圧回路の定番回路図(NMOS2)
次に、NMOS2の役割を説明します。

NMOS2の役割は『NMOS1通電電流の調整』です。

差動増幅回路を構成するための素子であり、最重要ブロックなので、しっかり理解して下さい。

【差動増幅回路の動作】

1.Voutが上昇した際、NMOS2のゲートソース電位差が大きくなるため、R3の通電電流が増加します。

2.NMOS1のソース電位が上昇するため、NMOS1のゲートソース電位差が小さくなる。

3.NMOS1の通電電流が小さくなるため、R2による電位差が小さくなる。

4.PMOS1のゲートソース電位差が小さくなるため、PMOS1のドレインソース電位差が大きくなる。

5.Voutが小さくなる。

 

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もっぷ

Voutが上昇しても、差動増幅回路によってVoutは小さくなります。
つまり、Voutは一定に保たれるのです。

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『MOSFETを使用した定電圧回路の動作原理』まとめ

まとめ
いかがでしたでしょうか。

『MOSFETを使用した定電圧回路』は使用例が増加しています。

『MOSFETを使用した定電圧回路』の動作をしっかりと理解しましょう。

この記事が、皆様のお役に立てば幸いです。

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