ブロッキング発振ノート
パルサーもブロッキングオシレーターの回路のほうが簡単なのがいいのですが、仕組みがよくわからなかった。そこで、すこし勉強したものをノートがわりにまとめてみたページです。最近、流行っている１．５Ｖで白色ＬＥＤ点灯と同じ回路なので、そっちのほうで遊びながらやってます。
動作の解説
ブロッキングオシレーターはパルス発振回路で、５５５などできる前にコイルの性質を利用してタイミングパルスなどを発生させた回路です。コイル（インダクタ）の性質がよくわかるので、とても面白いです。
基本回路は上の回路図のようになるようですが、左は原理説明用でしょうか。トランスをコア飽和まで使うならいいが、途中で止めるにはベース側の巻数を加減しないとまずいような気がします。右はＬＥＤ点灯でよくみる回路です。
トランスの作動は
上の図のＡでスイッチが閉じると、Ｌ１に電流がながれ、Ｌ２に起電力が発生し電流が流れます。二次側の負荷Ｒ２は二次側から一次側への反映されることにより、一次側に影響します。二次側の負荷が増加（Ｒ２減少）すると、一次側の負荷も増大します。より多くの電流が流れるわけです。電源トランスなどで、二次側を１ヶ所ショートすると一次側のヒューズが飛びますね。
トランスで負荷が結合しているわけですから、合成した回路Ｂと考えられます。
これを直列ＲＬ回路といいます。
この回路Ｂのスイッチを入れた場合の動作を考えます。コイル両端の電圧と流れる電流を時間を横軸に示すと
コイルに電圧をかけても最初は電流が流れにくく抵抗のように電圧を生じます。電流は少しづつ増加、電圧はすこしづつ低下していくわけです。その変化は二次曲線となります。コンデンサーに抵抗を通して電圧をかけた場合とは電圧と電流が逆になったわけです。コンデンサーに電気をチャージするのと同じように、コイルも磁束として電気を貯えます。コンデンサーの時定数はＣＲですが、コイルだとＬ／Ｒとなります。その５倍の時間でフルチャージされるのも同じです。これはコイルのコアが飽和したのとは違います一定の電圧をかけて抵抗により制限される電流が最大まで増加し一定になったということです。解りにくい部分です。
実際の回路には抵抗ではなくトランジスタが入っています。しかも飽和していて電圧は一定で電流だけが増加していきます。Ｌ／ＲのＲが小さく大きな時定数をもつのと同じです。コイルのほうは電流の増加が直線的ならば誘導される電圧も一定となります。
これでどうなるかというと、
回路Ｂのｏｕｔ電圧は、トランジスタがオンして電流の増加する割合が一定のあいだは変わらず一定の電圧をたもちます。コレクタ電流が決まった電流に達しそれ以上増加しなくなると電流の変化がないので誘導される電圧は０となります。
図１
そのためこのような、方形波信号が取り出せます。
電流が一定になるとコイルの電圧が０となるのは、電源フィルターにチョークを使ったとき、一定の電流をながしていれば電圧が出ないのと同じことです。しかしリップルが入ると電流の変化となり逆の電圧を発生し平滑します。
以上がコイルに直列に負荷（トランジスタ）が入った場合の動作の説明でした。
昇圧回路としての動作
ブロッキングオシレーターを使った昇圧回路でいちばん単純で部品点数の少ない例です。
流行りの１．５Ｖで白色ＬＥＤを点灯する回路です。トランジスタのコレクタ損失によりドライブできるＬＥＤの数が決まりますが点灯するＬＥＤはその範囲なら何本でもよく、とても便利です。
ページ最初の回路図の右側のものからコンデンサーをとっただけで、トランスは同じものです。このトランスは巻き線がタップでつながっていてタップから流れこむ電流の方向が逆ですから、一定方向に巻いたコイルの中点にタップを出したものと考えればいいわけです。実際にコイルの中点の絶縁を剥がしてタップをだすか、切って少しほどきリードとすれば作動しますが大きな電流が流れるのはコレクタ側のコイルだけですから線径を変えて二次側はごく細い線で十分です。
トランジスタは２ＳＣ１８１５だとコレクタ損失いっぱいまで使うことになりますから、心配な人は電流が流せるものに変えたほうがいいと思います。
２ＳＣ１８１５はコレクタ損失が４００ｍＷですから、電池電圧３Ｖで、作動電流１００ｍＡ程度が目安でしょうか？ 最大コレクタ電流が１５０ｍＡとなっていますから低圧１．２Ｖで作動させてもやはり１００ｍＡ少しほどの電流が目安ともいえます。（１．２Ｖに合わせて、３Ｖを加えると壊れます）
白色ＬＥＤの定格は２０ｍＡ３．６Ｖほどですから、７２ｍＷです。３本で２１６ｍＷから１．５Ｖ作動で１５０ｍＡ流して効率分ドライブ力が足りないというところです。低圧から３本フル点灯は無理で、こんなにぎりぎりで使うなら２ＳＣ２５００でも使ったほうがかしこいですね。笑
試作したものは２ＳＣ１８１５で、ＬＥＤ３本、電源３Ｖ１１０ｍＡほどです。損失を考えるとＬＥＤは定格程度のドライブでしょうか。問題なく何日か連続点灯して動いています。これを１．２Ｖのニッケル水素で点灯すると明るさはへりますが電流は５０ｍＡぐらい、これでもそこそこ明るいです。
結局この辺は、電池の消耗と明るさの取引となるので、むやみに明るければいいとはいえないです。
２ＳＣ１８１５なら、１、２本、それより多い本数を点灯したいなら２ＳＣ２５００で８００ｍＷから７−８本ぐらいというところでしょうか。コレクタ電流も２Ａと低い電圧からの昇圧にも強いということになります。
動作の説明
最初にＲ１を通してベースに電流が流れ、トランジスタをオンにします。ＣＥ飽和電圧は２ＳＣ１８１５では０．１Ｖほどですが、コイルのリアクタンスで最初は電流がわずかしか流れません。
コイル両端の電圧は、電源電圧−ＣＥ飽和電圧となります。
時間とともにトランジスタのコレクタ電流が増加し、この時の電流の最大値はベース電流で決まるコレクタ電流です。
ベース側ですが、コレクタの電流の増加分、トランスのベース側の巻き線に起電力を生じ、トランスが同じ巻き数の中点タップとすると電源電圧が２倍になったのと同じになります。（巻き数が１：１だから、一次側に出る電圧と同じで電源電圧−ＣＥ飽和電圧ですね。起電力の方向は、、、ここの解説を見ながら悩んでください。笑）
その時にはベース電流も２倍となり、それにより決るコレクタ電流がコレクタが流す最大電流となります。
コイルに流れる電流は増加しこの電流に達すると、それ以上電流の増加はなくなります。
電流が増加しない、つまり一定となると、上の図１のように電圧０です。起電力も無しとなります。
起電力がないと、ベース側の電圧が半分に下がりベース電流も半分です。
同時にコレクタ電流も半分になります。
コイルの電流が減ったわけですから、こんどはベース側に逆の起電力が発生し、ベース電流が０となります。トランジスタは完全にオフ。
コイルは電流を流そうとしますがトランジスタがオフとなっているので流れません。
コレクタとコイルの接点の電圧が急上昇し、ＬＥＤの順方向電圧を超えるとＬＥＤに流れこみます。
ベース側コイルでも急速に磁束が減少するのにともない、大きなマイナス起電力が発生しています。以上は電流が一定になった瞬間に起きる現象です。
この時に、遮断されたコレクタとコイルの接点に発生する電圧ですが、負荷により変わります。
この場合はＬＥＤの順方向電圧ですから、その電圧まで上昇しあとはＬＥＤに流れ込むだけです。コイルに貯まったエネルギーは一定ですから、ＬＥＤを直列して電圧が倍になれば電流は半分、電圧が半分なら電流は倍、ということです。（負荷が抵抗ならそうなるみたいですが、ＬＥＤの場合、さいげんもなく直列につなぐと功率が落ちるみたいです。スライドビューアーの照明を白色ＬＥＤに変更しようと、１．２Ｖを昇圧して白色ＬＥＤ６個を直列点灯した場合と３個づつ並列にした場合、３個づつのほうが明るく点灯してました。結構ＬＥＤの特性はそろっているようなので全部並列にした場合やコイルをオートトランスにした場合も、テストしたいと思っています）どちらがいいＬＥＤ直列並列へ
さて、コイルが小さくてベース電流で決まるコレクタ電流が流れる前に、コアが飽和したらどうなるでしょうか？
結果は同じで、コア飽和→磁束の増加なし→ベース側コイル起電力なし→ベース電流減少の帰還→トランジスタ・オフ、となります。
上の回路で、効率に関係するのは、トランジスタのＣＥ飽和電圧＝小さいほどいい、ベース電流＝少ないほどいい＝増幅率が多いほどいい、コイルのＤＣ抵抗＝小さいほどいい、コアの磁気損失＝少ないほどいい、ぐらいでしょうか？ あと、電源側にコンデンサーいれておくというのがありました。電池の内部抵抗（これも損失）を低くしたのと同じなわけですね。コイルをチャージするときはそれほど問題ないのですが、昇圧パルスの出力の瞬間は時間が短いぶん、電圧や電流が大きいのでけっこう効きます。
ふつうはこの後ろに整流回路をつけてコンデンサーにため直流で点灯するようですが、ＬＥＤ点灯ならパルス駆動で十分だし、整流ダイオードの分だけでも効率は確実に上がるはずです。人間の目は点滅の周波数が大きければ、間欠的な点灯でも連続点灯と同じように感じる性質があるので点滅しても問題なしです。
ここの「§１５．時間的弁別能−ちらつき刺激」を参照
さらに積極的に、一発のパルスを大きくするような駆動方法も考えられてます。
ここの「パルス発光」を参照
ちらつきの方はオンとオフの割合で暗くなるということですが、その分一発の発光を強くすれば目が感じる光量は同じですね。
パルス発光のほうはパルスでぎりぎりまでＬＥＤをドライブするということです。
このパルスだと時間がみじかすぎて、うまくいくかどうかわかりませんし、ちらつきで述べられているように発光時間ａと暗時間ｂの割合で発光量Ｌが同じでも暗くなる Ｌ x ａ／（ａ＋ｂ） ならオーバードライブしても同じことなのですが、どうなるか試してみたいところです。結局、消費ワット数以上は明るく感じないし、熱的にもパルスオーバードライブと直流点灯は同じ、という結論くさいのですが。
実作
極小！
部品はコイル、トランジスタ、抵抗の３点だけ、写真のフェライトビーズに０．４ｍｍ線と０．２ｍｍ線をそれぞれ１０Ｔ巻きました。巻き数は４−５Ｔ以上あれば作動するようです。１０Ｔで発振周波数は１７８ｋＨｚだったか１８７ｋＨｚだったかどちらかです。
巻き数が大きくなるとインダクタンスが上がりますから、電流の増加もゆっくりになり周波数が下がります。磁束が同じでも巻き数あたりの電流が下がるのでコレクタ電流に余裕がない場合はいいかも。発振周波数から言えますが、鉄紛コア（塗装してあるコア）では効率の落ちる使えない周波数です。
フェライトコアの入手に困るばあい、６ミリの鉄ナットをコアにしてもベース抵抗を小さくして電流を流せば何とか作動します。効率はかなり悪くなってると思います。３０Ｔで５０ｋＨｚでした。４ｍｍナットもためしましたがそうとう電流を流さないと作動しません。ナットを使う場合は内側はストロー、外側はセロテープで絶縁してから、コイルを巻きましょう。あとは鉄ワッシャーをかさねての使用例などもあるようです。代用コアで作るとどうも発振の作動が不安定で、発振してないのでテスターで電流を計ると発振して発光などと、わけのわからない動きもありました。やはりフェライトがいいようです。フェライトビーズキット希望なんてメールがきたりして。笑
手巻きのこつとしては穴に電線が入らなくなったら、楊枝の先を押し込んで、内側のコイルを整形しながら銅線を通すと上のフェライトビーズでも８Ｔぐらいは楽にいけます。
わたしは単三２本のマグライト・モドキにいれましたが、マグライトで使うなり、部品が少なくて小さいのを利用して電球のベースに押し込むなり、お好きにどうぞ。これは４．５Ｖ以上ですが、上の部品を懐中電灯の電球ベースにいれると普通の１．５Ｖや３Ｖ懐中電灯用白色ＬＥＤ電球となり使いまわしができます。抵抗は１／６Ｗかチップのほうが小さいですね。元ネタはここで、下の方の電球のベースと部品の大きさの写真を見てください。このページではフェライトビーズには５Ｔ巻いて２００ｋＨｚだそうです。
代用なら、写るんですフラッシュのフェライトコア・トランスとトランジスタがそのまま使えそうですが、試したところ暗かった。（巻き線３本でそのうち１本は３００Ｖぐらいの高圧がでるので注意、タップが一部共用でわかりにくいので、なんなら全部ほどいて１０Ｔぐらいに巻きなおして使うと問題ないです。トランジスタは２ＳＣ２５００と同じぐらいです）抵抗も多数点灯ならそのまま使えそうだから、部品全部そろって、電池がおまけです。
蛇足ですが、ニッケル水素電池を使った場合の放電終止電圧を少し考えてみます。
ここで放電の時の注意点として、特に直列に使う場合、セルあたり０．９−１Ｖ程度で止めないと容量の少ない電池が過放電になるとの注意があります。つまり、２本使用で、片方がからっぽで、もう１つがまだ容量が残っていると、からの電池が逆充電されてしまうということでしょう。この辺は単に放電終止電圧１Ｖというのが一人歩きしてしまい、何でそうなのか説明しているところは少ないですね。
ここの３でニカドやニッケル水素の放電終止電圧について説明しています。
内容を紹介すると「普通、放電終止電圧は１セル当り１Ｖに設定してあるがこの電圧レベルを過ぎると急速にエネルギーが減少し電圧が下がる。さらに放電するとセル逆転によりバッテリーを痛める。大電流で深放電をする場合は注意が必要。バッテリーパックの各セルは完全に同じとすることは不可能なので、１Ｖ以上に深放電させると弱いセルがマイナス電圧化（転極）を起こす可能性がある。ニカドはある程度の転極に耐えるようになっているが、大電流が同時に流れると、これに影響されるセルは電気的にショートしてしまう」
同様の説明が、ここの１３にもあります。
「バッテリーの中のセルはすべて同じではなく、中には弱いセルがある。つまり、バッテリーが放電するにつれ、弱いセルが活性物質を使いはたす。さらに放電が進むと空のセルに流れる電流は充電電流となる。違いは逆充電であるということ。陽極に還元がおき、そこにはニッケル水素が無いため、水を分解して水素を発生させる。セル内圧力が上昇し、ベントから噴きだす。セルは水を失いセルの寿命も短くなる。以下略」
国内にもすごいページがありました。ここでも終止電圧について解りやすい解説をされてます。ニッケル水素の説明は最高！ メーカーもこのぐらいのことを書いて欲しいです。
そうすると、ニッケル水素などの二次電池をＬＥＤ懐中電灯で使う場合は、一本使用か並列で電流を多めに取り点灯するほうがいいようです。これは単にメモリーよけに放電処理する場合も言えることです。昇圧回路で使用した場合の終止電圧は点けっぱなしで忘れた場合トランジスタのＢＥ電圧の０．６Ｖになるが問題なしと思います。一本使用でも、３Ｖマグライトなら２本目の電池は、電池プラス側を絶縁したマイナスをバイパスするカバーでも作ってマグライトに入れておけば、電池切れ時の交換電池も内蔵するという、うれしい仕様となります。
ニッケル水素２本直列使用（効率はコイルＤＣ抵抗やトランジスタＣＥ飽和電圧に対する電源電圧の割合が関係するのでいい）もダイオード２本をベース側に順方向にいれると１．８Ｖを終止電圧にして残りの０．４Ｖでベース抵抗を決めればできそうですが、トランスの巻線比を変える必要があります。残念ながら、こんどはそれをアルカリ電池２本で使った場合などに適合しなくなりそうです。ニッケル水素専用というのも、懐中電灯としては、まぬけな仕様です。
さて最後にまた、ブロッキングに戻ります。
変わったのは、ベースとアースにコンデンサが入ったことです。
これでどうなるかというと、
トランジスタがターンオフしてコイルに逆方向の起電力が発生しますが、トランジスタのベース−エミッタはダイオードですから逆に電流は流れません。
しかしマイナス電圧の分、コンデンサーがマイナスチャージされます。
コレクタにつながるコイルにたまったエネルギーも放出を終わり、コイルの逆方向の起電力が無くなると、コンデンサーに電流が流れこみチャージされていきます。
Ｒ１を通ってコンデンサーにゆっくり電荷が貯まり、０．６Ｖ以上になるとベースに電流が流れ、次のサイクルが始まります。この時のタイミングはコンデンサと抵抗の時定数で決まります。
つまり、このコンデンサーによりパルスとパルスの間隔を調整できることになります。このコンデンサーが発振をブロックするので、ブロッキング発振とよぶらしい。
つづく、かな？
