電圧を上昇させる不思議な回路「昇圧コンバータ」とは何？ 動作原理を解説
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- Опубликовано: 2 июл 2024
- 昇圧コンバータ(昇圧チョッパ)は実は色々なところで使われています。
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インダクタの設計は相当に奥が深く難しいとは思いますが
視聴者の皆様は磁気飽和にはどのように対応しますか？
(コア材料を使わない空芯インダクタは飽和しないので良さそうですがインダクタンス値が低くなってしまいます。)
追記1 もう少し詳しく説明している動画→ ruclips.net/video/dmzNZyL6Vpg/видео.html
インダクタ、トランスフォーマーの設計は本当に奥が深いですよね。
最近気付いたのは、メーカー標準のコア形状だとしても磁気的に最適な構造になっていない事が多いという事です。
ほんの少しコアの寸法を変えるだけで飽和電流が大きく増加したり、温度やノイズが小さくなったり、本当に面白いです。
また、巻線の構造(巻き方)によっては局所的に大きな発熱があったり、電流が偏ったりして、設計や評価時点で気付けない不具合も多く、気を付けなければいけないのも大きな特徴ですよね。
めっちゃ大きいコアを使う笑
電源の要件を満たす適切なインダクタを選定してかつ適切なスイッチング制御で定常状態で飽和しないようにするのは当然として、スイッチングに使用するトランジスタの固着とかも想定して過電流等を検出する制御をいれる感じでしょうか。
今どきは大変便利な石があるのでシンプルな電源では少ないのかもしれないですが、私がソフト屋なのでマイコンを使った制御で出力制御とかusオーダーで異常検出による出力停止とかが普通な感じです。
私の対策は、巻き数をとにかく増やしました。しかも手巻きで。
スイッチング電源メーカーの技術者です。
とてもわかりやすく、難しい式のところをうまく簡単化されていますね。
社内でもとても好評で、皆勉強させて頂いております。
当社とコラボできたらいいなぁ…と思っていますが、イチケンさんの興味がありそうな案件がなかなか無い状況です（泣）
すげぇ
メーカーの社員に認められてるとは、流石。
そういう自分も物理の電気分野で理解するのにお世話になってます！
工業高校電気科を卒業して早6年
イチケンさんの動画を見て高校生の時に熱中してたアンプとスピーカーの制作に
再び火がつき、今度は電源から作ってみようと思いついたので参考にさせてもらいます！！
提供がデジキーじゃなくてもしっかり態度変えずにいつも通り案件なら回路炎上・ショート・感電・部屋爆発のどれかをしてくれるのは助かる😂
電子工作経験者の悪夢😇
海外の提供っぽいよな。製品をめちゃくちゃ紹介というよりテレビみたいにコマーシャル挟む感じ。海外の会社からの提供だからってのもあるんだろけど。
@@user-oi8nw2iu4f 多分イチケンさんがElectroBoomっていう海外の電気系RUclipsrの動画の構成をリスペクトしてるからな気がします
(見てみたらわかりますけど、結構いろいろ似てます)
10年以上理解できなかった昇圧回路がようやく理解出来ました！やはり動画ベースだと分かりやすいですね。イチケンさん、ありがとうございます😉
高電圧回路（100㎸以上）を作るのに、共振回路をよく使っていました。高周波トランスの設計が難しく、重たいコア（フェライトから積層コア、アモルファス系など）を油の中に入れて調整したものです。結構悩みの種でした。良い動画をありがとうございます。とてもいい動画で、今の時代の良さを感じます。体に気を付けて頑張って下さい。
いつも勉強になります。カメラがゆっくりズームインするとき、素子が燃えたり破裂するんじゃないかと勝手にドキドキしてしまいます。ボリュームもすこし絞ったりします。そんで、何もなかった時には「何もないんかーい」って心の中で突っ込んでます。楽しいです。
いつも楽しく拝見させて頂いております！
なんとなく理解していた回路を一つ一つ丁寧に実回路を用いて説明してくれるイチケンさん最高です！
うぽつです。わかりやすい説明ありがとうございます。昇圧然りスイッチング回路はノイズがバンバン出るのでEMC設計者としては苦労する回路です。。
難しくて理解しきれなかったけど
すごく面白かったです！
有益な映像ありがとうございました。
「さらに電圧を高くしたいのが普通だと思います」
普通（真理）
電験三種の勉強していますがテキストだけでやってるので、動画がホントに参考になります。
本当に電検や電気工事士1種に出てくる6600v帯の付帯機器の仕組みがコンパクトに紹介されててわかりやすい
ノイズがものすごいんですよね
大変勉強になりました。ありがとうございます。
インダクタさんが無事で安心した
わかりやすく説明してもらってありがとうございます。
電気の事は全く知らないけど、
このスイッチを細かく入切して電圧を高くする仕組みは、電気を使わずに水管中の水撃作用を利用して高い場所へ水を運ぶ事ができる「水撃ポンプ」と似ているような気がする…
どこまで行けばアカン事になるのかまで見せてくれるので大変ありがたいです。
爆発ありがとうございます。
実はすごく待ってました
ありがとうございます
この間昇圧回路を初めて作ったらインダクタが磁気飽和して動かなかったのでタイムリーです 熱いですよね、磁気飽和
待ってたぞ！ 昇圧回路の動画を！
10:00以降は音量注意
最初の説明で分母と分子を逆に言うからビックリしましたがその後正しく説明したので安心しました！w
ちょうど昇圧回路を作りたかったので
なるほどわからんｗ🙃
わからないけど何故かいつまでも観ていられます！😅
VERY NICE THANK YOU ! a m from algeria
Excelente explicación.
いつも詳しい説明ありがとうございます。今回はインダクタのタンク回路ですね。理論が良くわかりました。
いつも通りのコンデンサーが破裂するシーン、今回は何故部屋の外からなのは何故なのでしょうか？
Очень доступно. Спасибо
なぜ昇圧するのかの説明がちょっと足りないと感じたので補足。
仮に回路上のダイオード・コンデンサ・抵抗の合成抵抗が100Ωで電池の電圧が10Vだとします。
スイッチを閉じてコイル(インダクタ)に1A電流が流れているときにスイッチを開いたとすると、コイルは磁束が発生している分の電流を流すように働くので回路構成が変わってもなにがなんでも1Aの電流を流すように働きます(もちろん磁束は徐々に減っていくので電流も減っていきます)。
当然、先の回路はオームの法則に従って動作するので100Ωの合成抵抗に対して1Aの電流が流れるのでコイルとダイオードの間の電位は100Vになります。100Vは電池の電圧10Vより高いので昇圧されたことになります。
コンデンサには(ダイオード分の電圧降下はあるが)この電圧で充電が行なわれるため、スイッチを閉じたあともこの電圧で抵抗に電力が供給されます。
定性的に大変分かりやすい説明ですが、
Vo = Vi / (1-D)
となる理由が分かりません。
@@sS000 横から失礼します。
今ダイオードやスイッチの電位差が無視できて、スイッチング周波数が十分に高速でコイルの電流変化が直線的になっている場合で考えます。
スイッチがonの時、コイルにかかる電位差はViなので、コイルの電流の変化量ΔIonはVi=L·ΔIon/Ton(V=L·ΔI/Δt)より、
ΔIon=Vi·Ton/L
スイッチがoffの時、コイルの電位差はVi-Voで、電流の変化量ΔIoffはonの時と同様に、
ΔIoff=(Vi-Vo)·Toff/L
回路が定常状態でVoの直流成分が一定の時、スイッチのオンオフが一周期分行われる前後でコイルに流れる電流の大きさは等しくなります。(スイッチがオフ→オンになった瞬間の電流の大きさは、次にオフ→オンになる瞬間のものと同じ。)このことから、ΔIonとΔIoffの関係はΔIon+ΔIoff=0となるので、上の2式を入れて整理するとLが消えて、
Vo=Vi·{(Ton+Toff)/Toff}
となります。
ここで、デューティー比Dは
D=Ton/(Ton+Toff)
であるので、1-Dは
1-D=Toff/(Ton+Toff)
と表されます。これはVoの式の{}の中身の逆数になっているので、Voは
Vo=Vi/(1-D)
となります。
@@zn2089 分かりました。ありがとうございます。
Sさん、本当に理解されたのでしょうか...
Znさんの解説で理解できたとすれば逆にZnさんの解説が無くても理解力のある方だと思われます、
実際にイチケンさん自身、他人に解説を丸投げするぐらい説明が難しい事象だと言えるでしょう。
インダクタの解説動画の時から昇圧回路の解説を待ってました!
このままいくといつか今日は人類を滅ぼすロボットを作っていきますとか言い出しそう()
トイレからピカッと光りましたね😂とても参考になりました。👍
インダクターがキュンキュン鳴いていて生き物のようで、おもしろかったです。
カメラが寄ったら爆発するんじゃないかとワクワクしてしまいます。
なるほどぉ〜....手が出ないなぁ
昔の電車の回生制動の昇圧チョッパの原理ですね
アナログ回路って面白いですね、磁気漏変圧器とか思い出しました。
わかりやすい解説である。
いつも楽しく拝見しております。今度 鉛蓄電池のデサルフェータを取り上げて下さい。設計のポイントなどを解説して下さい。
視聴者も参加実践出来る、簡単で面白い電子工作などの動画を、お願いします。
最近よく使われているLiDARのメカニズム解説をお願いします。
使う効果音とか、失敗の仕方が名前は出さないけどあの人に似てて日本人版みたいでちょっとうれしい。
画面がズームインしていくと、自然と身構えてしまうようになりました（今回空振り多めw）
コンデンサを外した際の思考実験がありましたが、負荷の１００オームを外した際の思考実験も面白い（超危険？）ですね。
デューティー比100％ホントにやるの？ってドキドキしてしまった
昇圧ってこうやってるのね
自作の基板は出来合の電源回路買ってそれで済ませてましたが、うまく出来てる・・・
段重ねて、コッククロフト・ウォルトン回路・・・
絶対にやると思いましたｗ
既出ですが、私も『エフイーティー』世代です。
『フェット』と聞いて『フェップ』（FEP:フロントエンドプロセッサ）=死語を連想してしまいました。
MOS−FETであっても必要性なければ『モス』は付けない感じでした。
でもよく考えたら、旧論法でいけば、『エムオーエス…』になりますね。
余談でした。でもいい時代の素晴らしい活躍、応援するます。（ｱｰﾆｬ）
MOT使って実験してほしいなぁ
インダクタの逆起電力を利用してるんですよね。
凄く勉強になりました
自動車の点火系や燃料噴射にも応用されている原理ですね。
自動車が12〜14vが 2万〜4万Vにどうやって昇圧しているのかという部分で理解できました
BMW車の燃料噴射装置(インジェクター)制御がもっと複雑な波形が出るので…チャンスが有れば解説して欲しいです…磁気飽和の後に横ばいするんです…それが毎分4000回程度迄ガソリンを噴射させるのです…当然ガソリンも5000psi迄加圧して居ますが流体をそこまで制御する不思議な世界です。
後半のD比が０％笑えました…最近の花火大会の発射制御は正にこの方式ですね😅コレで正確な打ち上げタイミングを合わせてミュージカルな花火大会をやっている様です
次は同期整流もお願いします。
解りやすいです。ありがとうございます。
ただ回路図に電解コンデンサが反映されてなかったので素人としてはその接続がどうなっているのか気になりました。
電力を電池に対して前借りするような仕組みなんですね
紙入れるだけで、あんなに綺麗なジグザクになるんだ
磁束の出力される表面積って大事だなぁ
8:48 electro boom here
Thanks, I was looking for that.
こっち先に見ちゃったので、本編にインダクタの話のふりがあってもいいかも
血圧は下げたいけど 電圧は上げたいのね。一日の寒暖差に 注意をして無理はせずに がんばってほしいです。
電源回路って説明してもなかなか理解してもらえないんですよね
Ｔシャツは色逆のＰｃｈが出たら買いますねｗ
全部は理解しきれんかったが、１つ長年の疑問が解決できた。
電源アダプターの中にあるトランスを分解して、こどものころよく遊んでいた。
あれに、乾電池をつなぐと一瞬だけ、高電圧が流れて手が感電するんだけど、これって8:15の解説の話ね。
なんで一瞬だけしか流れてくれないのか疑問だったけど、こう言うことだったのか。
This is quite simple. You must observe an SEPIC conventer.
インダクタが直列に入る物と並列に入る物が有りますが、理論が こんがらがり
ますね！。本編の場合は、逆起電圧では無い方式ですね？。
フライバック式とフライフォワード式が有る様ですが、アナログTVのフライバックトランスの昇圧回路が頭に浮かびまね！。
あれは、高調波共振方式だったと思います。
一種のテスラコイルですね。
잘 보고 가요👍
力率改善回路はもう少し詳しい説明動画が欲しいです。なぜ力率の改善が必要なのかとか改善回路がないとどういう動作になるのかとか。結構初めの頃に理解が難しいところかと思います。
何でもやってみるのが実験の楽しいところだけど、家燃やさんようにな。
インダクタ繋がりでコイルやトランスの設計を教えてほしいです！
(TDKあたりスポンサーしてくれないかなーチラチラ)
コイル・トランスはほぼ唯一自分で作るのが現実的な部品ですから出来るようになりたいです。
「スイッチング電源のコイル/トランス設計」
という本を熟読して、
「ゲートドライブトランスの巻き方」(←で検索)
で設計してみては如何でしょう。
これの応用で界磁添加励磁制御の説明を頂きたいです。
いまいち理解できなくて
電気素人です。インダクタ初めて知り、基礎シリーズで見てきました。
勉強になります。ありがとうございます。
素人の質問です。
・キャパシタのない思考実験で抵抗をすごく大きくする、あるいは絶縁すると、スイッチを開くとどうなりますか。
・抵抗が発熱体として、10Vを20Vに昇圧したら発熱量は4倍になりますか。
・スイッチ開いたとき逆電圧がかかってインダクタの電流が下がっていくとありましたが、インダクタ両端間の電圧はどうなりますか。
・電源が乾電池でも同じようになりますか。
専門の方には当たり前のこととは存じますがよろしくお願いいたします。
電子レンジを分解してスポット溶接機を自作する海外の動画があるのですが、解説をお願いしたいです。
昇圧回路ー！！！
ガソリンエンジンの点火システムに似ていますね。というか現象としては根本的には同じなんでしょうが、数万ボルトを得るためなのか、2倍とか小さく昇圧したいのかと言った利用法が違うって感じですかね。
昇圧コンバーターは自動車のエンジン点火が用途です。
昔、バッテリーで動く写真用フラッシュ(ストロボ)の電源を自作しようといろいろ調べてみたんだけど、ちゃんとした回路を作ろうと思ったらコイルかトランスの自作がどうしても必要になって、コイルの設計方法がさっぱりわからず断念したことがあります。まあ、作れたとしても出力が直流300～600Vで電流もそこそこなので何かあったら命にかかわるしね…
周波数下げた時の音ってなんで鳴るんでしょうか？
質問です
電池に昇圧回路を適用した場合、電池電圧は徐々に低下するが
出力は設定電圧を維持するような回路になっている、或いは出力
電圧も徐々に低下する、
どちらでしょうか
磁気飽和を避けるためにはVP管にコイルを巻いて超デカコイルを作るに限る。なお機器への実装
正確に言うと、電圧を昇圧するにはスイッチング動作だけではできません
なぜ、スイッチングにするかというと周波数の高い交流電源を作り出すためで
その周波数は高いほど効率的にトランスを通過する電磁誘導で１０KHzくらい
この時にトランスの巻き数比で入力に対する出力の電圧が決まってくるしくみ
こうしてできた、交流電圧を出力で使用するのに適正な電圧までコントロールするのが
解説に出てきたパルス幅になるわけです
ONしている時間が長ければ多く電流が流れるので負荷が一定なら電圧は上がる
この制御で負荷に必要な電圧と電流を供給するのがスイッチング電源
因みにシリーズ電源（５０/６０Hz）のままで直流電源をダイオードと制御トランジスタ
で電源を作り出す方式だと電源効率が３０％～５０％なのに対して
高級なスイッチング電源になると電源変換率は９０％を超えるので
同じ負荷でもそれだけ、電気代がかからない電源ができる
何言ってるのか
さっぱりわからないが。
イチケン氏が天才だと言う事だけは理解出来る。
天才にも種類があって並み外れて要領の良いという意味の天から与えられた才能のある方と言えるでしょう。
イチケンさん自身が世の中に役立つような何か新しいモノを発明しているというワケではありませんし。
極初歩で手巻きコイル電磁石を直流の乾電池につなぐ、でも単に一本の銅線なのだから
乾電池をショートさせてるんだよなと、電線抵抗だけなんだから爆発するんのじゃないかずーと悩んでいた中学時代。磁力渦をウニャウニャ、ジェットストリームしてた
よく死ななかったな～こえ～
オンオフ動作を繰り返すと何故に昇圧するのかまで説明して欲しかった…初級者なので。
ruclips.net/video/dmzNZyL6Vpg/видео.html
こちらの動画でかなり詳しい説明があります。
商用電源ならバンバン昇圧させられても、バッテリー電源だと昇圧にかかるエネルギーロスとのトレードオフがあるので極端なことは出来ないんでしょうね。
商用電源でも省エネとの兼ね合いがあるので、落とし所の検討があるんだと思います。まあ、初心者はとりあえず、線形性能の限界を知るところからでしょうか。
開始25秒でこんなに不安になるなんて…
日本製のスイッチング電源を使ってこの回路を構成していれば電源が壊れる事はありませんが
世界各地で問題起こしている中華製のバッテリ充電器などが燃えている事を考えると
中華製の電源を実験に使用したらスイッチやインダクタより先に中華電源が燃えるでしょう
因みに日本製が燃えないのは、過電流が流れた際の過電流保護回路が働いて出力をストップするから大抵の場合は安心です
疑問1.スイッチが閉じている間、電圧は全てコイルで消費されている？（ダイオード側には一切流れない？）
疑問2.スイッチを開くと（経路が変わりダイオード等を含めるため）回路全体のインピーダンスが変化することで、コイルで消費される電流値が下がるということ？
疑問3.duty比のオンがどちらを指しているか分かりづらい。（スイッチ閉がdutyオン？）※6:37の説明は逆
疑問4.（7:48,8:10）0.1Aや100Vは何処から出てきた数値？
疑問5.結局のところ昇圧の原理は、コイル経由で電流値をある程度（例.1A）貯めた後にスイッチを切り替えることで、瞬時に負荷抵抗（例.100Ω）に流す事で瞬間的に昇圧しているという理解で良い？（抵抗ではなくコイルを利用しているは電流位相差を利用しているため？）
疑問6.スイッチング周波数を上げるとは、何を指している？（PWMのdutyの1周期のこと？）
疑問7. （思考実験によれば）結局コンデンサ（キャパシタンス）は無くても回路として機能は成り立つ？
爆破芸が板に付いてきている
8:51 この扉、どう見てもトイレｗｗ
電気的なスイッチと水道のバルブ、開閉が逆ですね。
大学生の時にLEDを点滅させる回路をトランジスタ2つで作っていた時、スイッチを入れた瞬間、熱くなって、当時のブラウン管TVのモニターにカマボコを輪切りにしたような電波の映像が一瞬流れ、トランジスタが壊れてしまい、二度とLEDはつきませんでした。今回の回路に似た構造でしたが、LEDが点滅せずに、発信してしまったのが解せないです。何が起こったかわかりますか？ 丁度、オシロの周波数を下げると聞こえてくる可聴音の時の映像に似ていました。でもケーブルで接続していないTVのモニターが拾うってことは電波が出たって事ですよね。
2:33上が分子で下が分母ですよー
なぜこの式になるのか分からない。
@@sS000 自分も分からない
Vo ＝Vi ＊D
と説明している参考書はよくあるけど。これなら理解しやすい。
@@sS000 すまん中２だからまだ習ってない(そろそろ習うはず？)
6:32 ここでも「スイッチが閉じることによって」じゃなくて正しくは「スイッチが開くことによって」ですねぇ。
閉塞と開通というイメージと混同しているのかと。この動画では、イチケンさんお疲れだったのかな。
何故スイッチを閉じた時インダクタの後ろで電圧が0Vなのでしょうか？電流流れませんよね？？
コイルの一端はスイッチを介してマイナス側に接続されています。
よって、スイッチが閉塞されていたら、コイルをマイナス側に繋いでいるのと同じことです。
よって０Ｖになります。
ありがとうございます。
そうか、電池のマイナス側で0V、プラス側で10Vあるからコイルの先で0Vにならないとおかしいですね。
友基さんソコで躓いてて、肝心の「何故昇圧するのか」まで理解できてるのでせうか...
まだですね。一つ一つ疑問を解決し理解していきたいと思います。疑問を疑問のままにするのは愚かな人間のする事です。
事故部分がバンクなのがちょっと不満w
コイル鳴き怖い…
1:05ダイオードの右側の回路を説明し始めた時、最初に「キャパシタに適当な電圧があるとする」ことに違和感。通電前から負荷が接続されてて電荷は抜けてるのが自然だし、電圧が無かったものとしても説明は可能。一旦ON/OFFした後の状態として説明が先になるか後になるか順番が変わるだけ。
キャパシタに電圧がない状態というのは回路の動作としては存在しません
電源電圧を0Vから大きくしていく場合、Cが小さい場合はキャパシタの電圧が0Vになる期間は存在しますが回路の動作を説明するのにそう言った条件設定は不適切です
この説明はコンデンサが充電しきって安定動作している事、いわゆる定常状態を仮定した場合のものですね。電源開始時は当然ゼロから充電されてある所で安定しますが、そこからの変動から考えると大変です。安定動作時にはスイッチON時に充電される電気量とOFF時に放電される電気量が同じになっていると言えるので、コンデンサの静電容量を「十分大きい」と仮定した場合、スイッチング1周期程度ではコンデンサ全体に蓄えられた電荷はほぼ一定となり、両端電圧がほぼ一定になるので、出力電圧を計算するのが簡単です。もちろん、スタート時からの動的な充電動作を考えることも難しいですが意味なくはないです
@@iwango_system 僕とイチケンさんの両者の意図を汲んでくださりありがとうございました。今回イチケンさんはあくまで定常状態を前提としているのですね。僕が勝手に「話の初めは回路を起動するところ（過渡状態）から説明するんだろうな」と思ってただけだったのですね。
@@user-sn3nq1hk5v 僕も専門ではなく自分の趣味で以前実験しただけなので詳細はイチケンさんのほうがお詳しいと思いますが、そういう事です。実際の昇圧チョッパはもっと奥深く、スイッチやコイルの抵抗が絡んでくるのであの理論式通りにはいかなかったりしますね。これを設計される方は素晴らしいです
2:39 分母と分子が逆かもしれません(既出でしたらすみません)
最初の電解コンデンサーがでっかいコンデンサーに聞こえた
昔のサイリスタチョッパ電車のブレーキは、モーターの発電電圧が架線電圧を上回ると回生ブレーキが機能しない、それはこの昇圧チョッパを利用するからだという説明を昔受けたのだが…
いまでも半分しか納得できていない。
０で割ったら壊れるのか
ほんと、このイチケン氏や、ものづくり太郎氏の頭ん中って、一体全体ど〜成ってんだ❗️❓😳🤔…と、動画見るたび思ってしまう。もしかして、お二人とも🛸〜👽だったりして❓😅。
良くもまぁ、こんな難しい事(仕組みや動作原理)を、スラスラと解説できるもんだ❗️と、…😱。
俺の記憶が確かなら、俺も工高:電気科を卒業してる筈なのに、折角の解説内容ももはやパッパラパ〜のパ〜だ❗️🤤🤣🤣🤣。
だが然し、MOSFET(ﾒﾀﾙ ｵｷｻｲﾄﾞ ｾﾐｺﾝﾀﾞｸﾀｰ ﾌｨｰﾙﾄﾞ ｴﾌｪｸﾄ ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀｰ)ってのだけは空で言えるぜ❗️🫢😆…
勿論この素子の働き(役目)なんぞは、イスカンダル級の忘却の彼方乍ら😑😴。
8:30 絶対実験室じゃなくてトイレだし＾＾
昇圧は気合、気合で昇圧しろ。
おまｗいつもすげぇーんだけどいつか感電して泡拭いてそうｗｗ