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８ピンＰＩＣで作る　オペアンプ用　負電源　ＯＳ－ＣＯＮで追試

８ピンＰＩＣを使って作った負電源ですが、コンデンサにＯＳ－ＣＯＮを使って追試験をしてみましたので、 その内容をまとめていきます。あと、専用ＩＣのＬＴＣ１１４４とも性能比べをしてみます。

このページをご覧になる前に、電解コンで行った実験のページ を是非一度ザーッとご覧ください。回路図などはそちらのページに載っていますので。

経緯

前回の実験の疑問点

８ピンのＰＩＣにショットキバリアダイオードとアルミ電解コンデンサを組み合わせて負電源を作る 実験を行ってみまし。一応実用レベルという結果は得られましたが、結果の数値に少々納得行かない要因があったので、 ＯＳ－ＣＯＮを使って再実験を行ってみることにしました。

アルミ電解コンデンサはＥＳＲやＥＳＬが大きいため、電流が大きくなると発熱（電力消費）が大きくなったり、 高周波数ではインダクタンスが増大して性能が落ちると言われています。アルミ電解コンデンサでの実験で思ったほどの 効果が出なかったのは、アルミ電解コンの性能に因るものであろうと。

であれば、ＥＳＲもＥＳＬも優れたＯＳ－ＣＯＮなら、今回実験できなかった高周波域で発振させることで もっと大きな電流を取り出すことにも繋がるはず。

一方、アルミ電解コンデンサが１個約１０円程度なのに対して、同じくらいの容量のＯＳ－ＣＯＮは３０～５０円 程度と割高。２個分の値段で差額を計算すると４０～８０円といったところ。比率でいうと数倍ですが、 差額ではそれほどの上昇ではないですね。

ちなみに、専用ＩＣも同様の仕組みで動作しているわけだから使用するコンデンサが同じなら同様の結果にも なるはずですよね。（つまり、ＬＴＣ１１４４でもアルミ電解コンを使えばそれほど電流取れないだろうということ）

そうそう。発振回路にＮＥ５５５を使った場合、発振の振幅（電圧幅）が小さいので、多分ＰＩＣや専用ＩＣほどの 電圧幅を取り出すのは難しいだろうと思います。なのでこれはテスト範囲に含めません。

で、追試の範囲はどこかというと…

まず、まずは８ピンＰＩＣにＯＳ－ＣＯＮを繋いでどの程度の電流が取れるのか調べてみます。 あわせて可聴域以上の周波数ではどの程度の電流が取れるのか調べてみます。

加えて、ＬＴＣ１１４４にＯＳ－ＣＯＮやアルミ電解コンを組み合わせた時にどの程度の電流が取り出せるのか、 そしてＢＯＯＳＴモードを組み合わせたらどうなるのかを試してみたいと思います。

ただし、手間を省くためにある程度テストパターンを端折り、興味のあるところだけテストすることにします。

実験を行う前に

シミュレーターを使ってみました

８ピンＰＩＣ、ショットキ、電解コンの組合せではなんとも不可解な結果になったので、シミュレーターで 同じことやったらどんな結果が得られるのかを見てみたく、何年か前に買ったまま放置してたシミュレーター を使ってみました。

そしたらやはり、電解コンとはずいぶん違う結果…当初想定していたような結果が得られたので、やはり 原因は電解コンにあったんだろうと…。

なら、周波数特性の良いコンデンサ（ＯＳ－ＣＯＮ）を使ったらどんな結果になるのかなぁ？と思って、 冒頭に書いたように追試してみたいって話になりました。

シミュレーターで実験した回路

というわけで、ＣｉｒｃｕｉｔＭａｋｅｒでシミュレーションです。ＣｉｒｃｕｉｔＭａｋｅｒはブルーバックスの 電子回路シミュレータ入門（加藤ただし著） の付録ＣＤ－ＲＯＭ収録のものを使いました。こんな回路図を使ってテストしています。

右側にある四角いのが矩形波の発振装置で、ＰＩＣの代わりです。０Ｖと５Ｖを交互に出力します。 この図では３１２５Ｈｚで発振させてます。右側の出力部分に抵抗を繋いで、その両端の電圧を計測します（図の緑のＡ印の部分）。 シミュレーションを実行すると↓このような画面になって表示されます。横軸が時間、縦軸が電圧です。

この図では、電源オンから約１３ミリ秒後くらいに、－１．８Ｖ程度で安定出力になっており、また、 スイッチングの毎に小さいノコギリ状のリプルと、長いツララのように伸びたサージが発生しているのがわかります。

この図では、リプルとスイッチング時のサージがどんな風に表示されるのかが分かりやすいように 極端な条件に設定（確か負荷抵抗の値を極端に小さく設定）したものです。実際の回路でこんなに大きく 出力されるというわけではありません。念のため。

時間の経過につれて、ある一定の電圧値（図中のＣの電圧）に落ち着いていく経過がグラフ化されて見ることがお分かり いただけると思います。

今回始めてシミュレータなるものを使ってみましたが、やっぱり可視化できるって言うのはいいですねぇ。 部品を集めなくても回路が動かせるし、波形が微少時間で表示されてイメージが掴みやすいし、 パラメータをちょこっと変えるだけで色々なバリエーションがその場でテストできるので。

シミュレータの実行結果

周波数とコンデンサ容量に適当なバリエーションを設け、各パターンの出力電圧と出力電流のシミュレーションを掛けた結果を 記します。それをグラフにしたのが以下です。

電解コンの場合は６２５０Ｈｚあたりで頭打ちという感じでしたが、ＯＳ－ＣＯＮはやはり１０ｋＨｚを超えても 出力が落ちると言うことは無く、逆に高出力になっていってます。やっぱりそうだよねぇ。電解コンは周波数特性が 悪かったってことでしょうね。

容量が大きくなれば出力電圧も大きくなると言うのは想像の通りです。

ちなみに３００Ωの負荷で電圧は４Ｖちょっと。電流は１４ｍＡ程度取り出せそうです。ダイオード２個分の 電圧降下を考慮すれば、立派な数字ではないでしょうか？５Ｖ電源からダイオードの電圧降下分を引いたら 頑張っても－４Ｖちょっとが限界でしょうから、ほぼフルスペックの結果と考えて良いかと思います。

実験の方法

回路図について

電解コンのケースと全く一緒です。プログラムと使うコンデンサにバリエーションを設けて計測します。

バリエーションについて

コンデンサをＯＳ－ＣＯＮに変更して、再度実験をやり直します。なお、電解コンのときより高い周波数 （可聴域以上）についても実験してみたいので、久々にアセンブラを引っ張り出してみました。 ２５０００Ｈｚ出力と、５００００Ｈｚ出力の２つのプログラムを新造しました。ＯＳ－ＣＯＮは 「１０ｕＦ」「３．３ｕＦ」「１ｕＦ」の３種類を用意しました。負荷抵抗は、３００Ωと７５Ωを使用してみます。

なお、電源に３．３Ｖも使って見ました。ダイオードでの電圧降下が電源電圧に比べて大きくなるので 効率は期待できないのですが、一応テストしてみます。

使用プログラム

新たに２５０００Ｈｚ用と５００００Ｈｚ用と１０００００Ｈｚのプログラムを作りました。アセンブラで組んでいます。 ４ＭＨｚのＰＩＣでは１サイクル数十命令程度しか無いので、かなり原始的なロジックになっています。 （へなちょこプログラムです）

クリックしてダウンロードしてください。

さらに

負電圧生成の専用ＩＣ”ＬＴＣ１１４４”についても、ＯＳ－ＣＯＮと電解コンを使って出力電圧、出力電流を 調べてみました。ＢＯＯＳＴモードを使うと可聴域より高い発振も可能なので、どうせだからそれも試して 見ました。５Ｖ限定ですが、専用ＩＣとの性能くらべをしてみます。

実験結果

８ピンＰＩＣ、ＯＳ－ＣＯＮ、３００Ω負荷の場合

周波数１０ｕＦ３．３ｕＦ１ｕＦ
3125Hz-3.91v-3.25v-2.00v
6250Hz-4.03v-3.67v-2.67v
12500Hz-4.08v-3.90v-3.21v
25000Hz-4.11v-4.06v-3.82v
50000Hz-4.11v-4.10v-4.01v
100000Hz-4.10v-4.10v-4.07v

この表をグラフ化します。

電圧と抵抗値から電流に換算したグラフです。

８ピンＰＩＣ、ＯＳ－ＣＯＮ、７５Ω負荷の場合

周波数１０ｕＦ３．３ｕＦ１ｕＦ
12500Hz-3.00v-2.74v-1.94v
25000Hz-3.02v-2.92v-2.47v
50000Hz-3.03v-3.00v-2.80v
100000Hz-3.02v-3.00v-2.95v

この表をグラフ化します。

電圧と抵抗値から電流に換算したグラフです。

ＬＴＣ１１４４、ＯＳ－ＣＯＮの場合

周波数１０ｕＦ３．３ｕＦ１ｕＦ
３００Ω負荷 nomal mode-3.96v-3.14v-1.74
３００Ω負荷 boost mode-3.39v-3.37v-3.31
７５Ω負荷 nomal mode-2.20v-1.41v-0.61v
７５Ω負荷 boost mode-1.73v-1.71v-1.64v

この表をグラフ化します。

電圧と抵抗値から電流に換算したグラフです。

ＬＴＣ１１４４、電解コンの場合

動作モード33uF10uF
３００Ω負荷 nomal mode-4.07v-3.86v
３００Ω負荷 boost mode-3.31v-3.25v
７５Ω負荷 nomal mode-2.37v-2.11v
７５Ω負荷 boost mode-1.66v-1.61v

この表をグラフ化します。

電圧と抵抗値から電流に換算したグラフです。

その他の参考データ

ＯＳ－ＣＯＮ、３００Ω負荷、３．３Ｖ電源（実測３．４２Ｖ電源）の場合

周波数１０ｕＦ３．３ｕＦ１ｕＦ
50000Hz-2.40v-2.38v-2.36v

低ＥＳＲ電解コン、１０００００Ｈｚ、５．０Ｖ電源（実測５．１７Ｖ電源）の場合

いわゆる、茶色の電解コンです。東信工業５０Ｖ１０ｕＦを使用。

抵抗値１０ｕＦ
３００Ω-4.06
７５Ω-2.92

実験結果のまとめ

（１）８ピンＰＩＣの周波数について

ＯＳ－ＣＯＮを用いた場合は、２５ｋＨｚや５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚでも出力が低下するようなことが ありませんでした。これは普通の電解コンデンサーとは大きく異なる点でした。やはりＯＳ－ＣＯＮは 周波数特性がよいということが判りました。

周波数が高くなるほど出力電圧（負圧）・出力電流が大きくなりました。また負荷を大きくしても同様に、周波数に 応じて出力が大きくなりました。

（２）８ピンＰＩＣの容量について

３．３ｕＦ以上のＯＳ－ＣＯＮを使用した場合、３００Ωでも７５Ωでも負荷の大きさに関わらず２５０００Ｈｚ・ ５００００Ｈｚでも出力にほとんど違いが無いと判りました。周波数を５００００Ｈｚまで上げると１ｕＦについても 上記と同レベルに至りました。

（３）電解コンを使用した８ピンＰＩＣの出力電圧と比べて

電解コンと同容量のＯＳ－ＣＯＮは１０ｕＦタイプしかなかったため、他の容量については比較が出来ませんが、 １０ｕＦについては３１２５Ｈｚではほぼ同程度の出力が得られました。それ以上の周波数については ＯＳ－ＣＯＮの方が高い出力が得られました。

（４）専用ＩＣにＯＳ－ＣＯＮを繋いだ場合について

（グラフの軸が８ピンＰＩＣの場合と異なっており、少々わかりにくくてすみません。）

ノーマルモードの３００Ω負荷については、８ピンＰＩＣの３１２５Ｈｚとほとんど同じ出力になりました。

３００Ωブーストモードでは全域でほぼ３．４ｖ程度の出力となりましたが、８ピンＰＩＣの２５０００Ｈｚや５００００Ｈｚ では４ｖ以上が得られており、８ピンＰＩＣの方が出力が大きいとわかりました。

７５Ωについては、ノーマル／ブーストの各モードとも８ピンＰＩＣよりも出力が大きく劣るとわかりました。

（５）専用ＩＣに電解コンを繋いだ場合について

ほとんどのケースでは、ＯＳ－ＣＯＮよりも出力電圧（負圧）・出力電流が８ピンＰＩＣよりも低いことが判りました。 ３００Ω１０ｕＦでは、専用ＩＣのブーストモードと、８ピンＰＩＣ１２５００Ｈｚが同じくらいの出力になっています。 ８ピンＰＩＣの電解コンについてはそれ以上の周波数の実験を行っていませんが、出力は急落するだろうと予想しています。 専用ＩＣは、一般の電解コンデンサをブーストモードで使用した場合でも、出力が大きく落ちないような工夫がされている 匂いがします。

（６）その他

３．３Ｖ（実測では３．４２Ｖ）の電源を用いて負圧を発生させたところ、およそダイオード２個の電圧降下分 （負圧なので数値は上昇）だけのロスで、２．４Ｖ前後の負電圧が得られることが判明しました。大きな電流を取り出さない場合なら、 ３．３Ｖ電源でも広電圧対応型のオペアンプであれば使用できると考えられます。

一方、５Ｖ電源であっても、ＯＳ－ＣＯＮを使わずとも、低ＥＳＲの電解コン（茶色の電解コン）を使っても、 ＯＳ－ＣＯＮに近い結果が得られることも判りました。まぁ、ＯＳ－ＣＯＮより１～２割低い結果ではありますが、 ノーマルの電解コンに比べたら比較にならない高性能です。わたし的にはとても意外な結果だったんですが、 この低ＥＳＲ電解コン、もともとインダクタンスが相当小さいようです。値段に反して、かなり高性能と考えても よさそうです。

考察

総じて

０Ｓ－ＣＯＮを用いた場合、８ピンＰＩＣ＋ショットキダイオードの方が専用ＩＣ（ＬＴＣ１１４４）よりも 大きな出力が得られることが判りました。

３００Ω程度の負荷であれば４Ｖ１３ｍＡ以上の出力が得られ、７５Ωでも３Ｖ４０ｍＡ程度の電流が取り出せることが 判りました。

部品代は、ＰＩＣ・専用ＩＣともに同額だけ増加するので、相変わらずＰＩＣの方が安上がりと判りました。

これらのことから、使用する電源が５Ｖであれば専用ＩＣに置き換えても充分実用に耐えるスペックであると考えられます。

出力電圧について

専用ＩＣが１５Ｖまで対応しているのに対し、ＰＩＣは最大５．５Ｖまでしか使えないので、応用範囲は限定されると 考えられますが、ＰＩＣやＡＶＲなどのマイコンとオペアンプを組み合わせて使用する際には、専用ＩＣ以上の 出力が得られるこの８ピンＰＩＣを用いた方が有利と考えられると思います。

周波数について

可聴域を越える周波数（今回は２５０００Ｈｚ、５００００Ｈｚ、１０００００Ｈｚ）においても、ＯＳ－ＣＯＮを用いれば 充分な出力が得られることが判明したので、オーディオ用オペアンプへの応用も視野に入ったと考えられます。

電解コンデンサーの場合には１０ｋＨｚを越える領域では出力が低下気味になっていたことを考慮すると、 それなりの負荷を掛けるなら可聴域での使用を強いられることになってしまいますが、ＯＳ－ＣＯＮであれば 可能域以上で充分な出力が得られているので、特にオーディオ用途には都合が良いと考えられます。

ただし、ＰＩＣマイコンが放出するノイズ（電源ノイズ、電波ノイズ）の影響は目下不明なので、 応用に際しては何らかのテストが必要かと思われます。

８ピンＰＩＣの場合は発振の周波数が事前に明示されているため、電源ノイズについては事前に 対策を講じることが可能かという気がします。（ＰＩＣの電源や、パワー出力部分にフィルタなどを組んで ノイズを抑えるなど　…　専用ＩＣの発振周波数は周辺回路や動作状況によって変化するらしいので、対策に支障が想像される。）

実験結果には記していませんが、シミュレーターを用いて、パワーの出力部分と負荷抵抗の間に１００ｕＨ程度の インダクタを挿入してみたところ、劇的にノイズが小さくなったことが確認されました。どの程度のインダクタを 持ちいれば効果が高いのかは別途考える必要がありますが、小さなコイル１個でも効果は得られると思います。 その際に発振の周波数が判っていればフィルタの計算は可能だろうと考えられます。 （もしくは０．１～０．０１ｕＦ程度のパスコンでもいいかもしれませんけど。）

目下、そういったノイズの計測や低減化の方策といった技術や道具が無いため、それについては 今後の課題としたいと思います。

部品点数、面積について

電解コンからＯＳ－ＣＯＮに変わっただけであり、またこれらのコンデンサーは大きさが大体同じなので、 電解コンの場合と比べて大差無しと考えられます。（専用ＩＣより少し面積を取りますが、５５５などと比べれば面積も小さい）

コストパフォーマンスについて

電解コンを用いる場合については、元々の実験でも触れたとおり専用ＩＣよりコストパフォーマンスで優れているわけですが、 ＯＳ－ＣＯＮを用いた場合でも両者の差額は変わらないので、やはりコストパフォーマンスは優れていると考えられます。

ただ、両者とも総額が同じ額（数十円）増えることになるので、比率的には少し悪くなっているともいえます。 ＯＳ－ＣＯＮを用いた場合の部品代を以下のとおり表に纏めます。

部品８ピンＰＩＣ 専用ＩＣ 補足
使用ＩＣＰＩＣ　１２Ｆ６２９
１００円		 ＬＴＣ１１４４
３００円		 ８ピンＤＩＰタイプ
共に秋月価格
コンデンサ（２個）３０×２＝６０円 ３０×２＝６０円 ３．３ｕＦの場合
共に千石価格
ショットキダイオード２５×２＝５０円 不要 秋月の１０本２５０円パックから２本
パスコン５円 不要 セラコン０．１ｕＦ　千石価格
合計金額２２５円 ３６０円 差額：１３５円

参考までに、低ＥＳＲ電解コンデンサの場合

ＯＳ－ＣＯＮの代わりに、低ＥＳＲ電解コンデンサ（東信工業のいわゆる茶色の電解コン、５０Ｖ１０μＦ）を使って、 ３００Ω負荷１００ｋＨｚ発振でもテストをしてみたので、その結果を以下に記します。

出力電圧　：　－４．０６Ｖ　（電流：１３．５ｍＡ）

ということで、ＯＳ－ＣＯＮにはわずかに及びませんでしたがかなり近い出力が得られました。普通の電解コンデンサ とほとんど変わらないお値段ですが、性能は結構高いと判りました。オーディオ用途でもない限り、安価な低ＥＳＲ電解コンでも 充分使えると思いました。

その他、実験を通して判ったことなど

今回使用している回路図では、ご覧のとおり出力ピン５本を一つに纏めています。本当はこういう使い方って どう考えてもＮＧですね。極々短い瞬間、５本の出力ピン同士のどこかがＯＮとＯＦＦでショートしている 可能性がありますから。

でも、一応補足しておきますが、１時間くらい動かしっぱなしにしてもＰＩＣが熱を持ったりすることもなく、 またＰＩＣから取り出せる電流とＰＩＣが電源から入力する電流は、テスタで測った範囲ではほとんどイコール でした。もしショートしていれば発熱したり、その発熱の分が電流のロスとなって現れるはずだと思われます。

発熱も電流の浪費も見られないところを見ると、ひとまず想定どおりに動作していると考えて良さそうです。

各出力ピン同士が微少時間でショートしたりしていれば、入力電流と出力電流に大きな差（ＩＣ内部で ショートして浪費されると考えられる）が発生するだろうと思うので、Ｖｄｄ－Ｖｓｓに流れる電流と、 出力ピン5本から負荷抵抗に流れる電流の値を比較してみたいと思います。

１００ｋＨｚ、３００Ω、１０ｕＦの場合出力ピンからの電流は１３．６７ｍＡでしたが、このときの Ｖｄｄ－Ｖｓｓの電流は実測値で１４．４４ｍＡ。つまりＰＩＣのＣＰＵコアでの消費は約０．８ｍＡ程度です。

データシートに因ると、内蔵発振器４ＭＨｚの５Ｖでは代表値＝０．８ｍＡだそうです。おぉ、ビンゴ！ データシート通りです！　よかった、よかった。ご法度の使い方ではありましたが、どうやら心配していたような 出力ピン同士のショートは発生していないようです。（ＰＩＣの出力ピンは、各出力が出揃うまでの間にショート してしまうほど周波数特性が良くないということなのでしょうか？想像ですが）

よく、大きな電流を取り出すためにバッファー回路やインバーター回路の出力ピンを何本も束ねて 使用するケースを見かけることがあるので、もしかしたらそれほど恐れる必要は無いのかも知れません。 バッファーやインバーターだって、同じＩＣに同封された回路でもばらつきがあるはずなのに。 まぁ、バッファーやインバーターと比べると、マイコンの出力ピン回路はもっと複雑なので 一概に同レベルで考えてよいものでは無いと思いますが…。

次に、電力（ワット数）を元にしてエネルギー効率を見てみることにします。

この３００Ωの場合は、入力した電力は５Ｖ×１４．４４ｍＡ＝７２．２ｍＷ。一方、出力した電力は ４．１Ｖ×１３．６７ｍＡ＝５６ｍＷ。ということは、５６ｍＷ÷７２．２ｍＷ×１００％＝７７．６％という ことになりますね。この浪費（２２．４％）の大部分はショットキバリアダイオードのＶｆによるものと思われます。 上記のとおりＰＩＣ自体ではほとんど電力を浪費していないし、ＯＳ－ＣＯＮのＥＳＲは極めて小さいので。

そう考えると、なかなかの高効率と考えて良さそうです。負荷を変えた場合は効率が少し変わってくるかと思いますが、 この数値からそれほど大きく変わることもないでしょう。

まとめ

今回の実験を通して、負電圧回路としては充分な電流を高効率に取り出せるという結果が得られました。 また、テスターによる計測結果から、ＰＩＣの出力ピン同士がショートしてしまうことも無さそうだと 言うことが判りました。

±５Ｖ以下での使用に限定すれば、専用ＩＣ（ＬＴＣ１１４４）よりも大きな電流が取り出せることも判りました。 コストパフォーマンスでは専用ＩＣよりも有利であると言えます。

同じプログラムでもチャージポンプの方向を逆転させれば昇圧回路に使えるはずです。 昇圧回路については別途実験結果を纏めます。

あともう一点気になるのは、高周波（１００ｋＨｚとか）で使った場合に、オーディオアンプ用（ヘッドホンアンプ用）の 負電源として使い物になるのかどうか。これについても別途実験結果を纏めます。

以上でこの実験を締めくくりたいと思います。

フッター画像