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』について解説します！
・ 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
・ 実際の設計例
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MOSFETを使用した定電圧電源の定番回路図
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。
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
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。
PNMO1は『Vgs：1.2V ～ 2.5V』において『Id：0.001A ～ 10A、Vds：-10V』となる。
Vds：10Vとなれば、Vout = 5V (= Vin – Vds = 15V – 10V)に変換できますね。
R2の役割
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。
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
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。
NNMO1は『Vgs：1.0V ～ 2.5V』において『Id：0.001A ～ 10A、Vds：10V』となる。
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
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。
VfVfが無いとNMOS1のゲート電位を固定できません。
R1の役割
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。
VfVfは、Ifの値によってVfが決まる。
VfVfに一定の電流を流すために、R1があるのです。
R3の役割
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。
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
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。
常にVoutを監視しているのです。
NMOS2の役割
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。
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。
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。
実際の設計例
今回紹介した回路について、『実際に存在する素子を用いた設計例』を下記で紹介しています。
シミュレーションソフト『LTspice』を用いた動作確認まで実施しているため、ぜひご覧下さい。
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MOSFETを使用した定電圧回路の動作原理まとめ
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。
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