PCB技術 - インバータの動作原理及び製作過程

ここで紹介したインバータは主にMOS電界効果管、普通電源変圧器で構成されています。その出力電力はMOS電界効果管と電源変圧器の電力に依存し、煩わしい変圧器の巻き取りを免除し、電子愛好家のアマチュア製作に適しています。次に、このインバータの動作原理と作成過程を紹介します。

2.1　方形波信号発生器は下記のようになります。

ここでは、6インバータCD 4069を用いて方形波信号発生器を構成します。回路中R1は、電源電圧の変化による発振周波数の不安定性を改善するための補償抵抗です。回路の発振は容量C 1の充放電によって行われます。その発振周波数はf=1/2.2 RC.図示回路の最大周波数は：fmax=1/2.2？3.3?103?2.2?10-6=62.6Hz;最小周波数fmin=1/2.2？4.3?103?2.2?10-6=48.0Hz.構成部品の誤差により、実際の値は少し異なります。他の余分なインバータ、入力端は接地して他の回路に影響を与えないようにします。

2.2　電界効果管は下記のようになります。

方形波信号発生器が出力する発振信号電圧zuiは0 ~ 5 Vの大振幅で、電源スイッチ回路を十分に駆動するため、ここではTR1、TR2を用いて発振信号電圧を0 ~ 12Vに増幅して図2に示します。

2.3　MOS電界効果管電源スイッチ回路は下記のようになります。

次に、C−MOS電界効果管（強化型MOS電界効果管）からなる応用回路の動作過程を簡単に説明します（図３参照）。回路は1つの補強型PチャネルMOS電界効果管と1つの補強型NチャネルMOS電界効果管を組み合わせて使用します。入力端が低電力の場合、PチャネルMOS電界効果管が導通し、出力端が電源正極にオンします。入力端がハイレベルの場合、NチャネルMOS電界効果管が導通し、出力端が電源に投入されます。この回路では、PチャネルMOS電界効果管とNチャネルMOS電界効果管は常に逆の状態で動作し、その位相入力端と出力端は逆です。この動作により、大きな電流出力を得ることができます。同時に、ドレイン電流の影響により、ゲート電圧はまだ0Vに達していないが、通常、ゲート電圧が1 ~ 2V未満の場合、MOS電界効果管はオフにされています。異なる電界効果管のオフ電圧はわずかに異なります。このため、2本の同時オンによって電源が短絡することがありません。

以上の分析から、原理図におけるMOS電界効果管回路部分の動作過程を描くことができます（図5参照）。動作原理は前述と同じです。このような低電圧、大電流、周波数50Hzの交番信号が変圧器の低圧巻線を通過すると、変圧器の高圧側に高圧交流電圧が誘起され、直流から交流への変換が完了します。ここで注意したいのは、発振部が停止した場合など、変圧器の低圧側に大きな電流が流れることがあるので、この回路のヒューズは省略やショートはできないことです。

インバータ用の変圧器は、2次が12 V、電流が10 A、1次電圧が220 Vの完成品電源変圧器を採用しています。PチャネルMOS電界効果管（2 SJ 471）の最大ドレイン電流は30 Aであり、電界効果管が導通している場合、ドレイン−ソース間抵抗は25 m欧です。このとき10 A電流を通電すると2.5 Wの消費電力が発生します。NチャネルMOS電界効果管(2 SK 2956)zuiの大ドレイン電流は50 A、電界効果管が導通するとドレイン-ソース間抵抗は7ミリオームとなり、このとき10 A電流を通過すると消費する電力は0.7 Wとなります。このことからも、同様の動作電流の場合、2 SJ 471の発熱量は2 SK 2956の約4倍であることがわかります。ヒートシンクを考慮する際には、この点に注意してください。

インバータの性能試験

試験回路の入力電源は内部抵抗が低く、放電電流が大きい（一般的に100 Aより大きい）12 V自動車バッテリーを採用し、回路に十分な入力電力を提供することができます。試験用負荷は通常の電球です。試験の方法は負荷の大きさを変え、その時の入力電流、電圧、出力電圧を測定することです。出力電圧は負荷の増大に伴って低下し、バルブの消費電力は電圧の変化に伴って変化します。計算によって出力電圧と電力の関係を見つけることもできます。しかし、実際には電球の抵抗は両端に印加される電圧によって変化し、出力電圧、電流も正弦波ではないため、この計算は推定としかみなされません。

負荷60 Wの電球を例に：電球の抵抗は電圧の変化に応じて変化しないと仮定します。Rランプ=V 2/W=212/60=735Ωであるため、電圧が208 Vの場合、W=V 2/R=282/735=58.9 Wとなります。これにより、電圧と電力の関係を換算することができます。テストにより、出力電力が約100 Wの場合、入力電流が10 Aである場合の出力電圧は200 Vであることがわかりました。