APDahlen Applications Engineer
コンプリメンタリ正電源と負電源とは何ですか？
コンプリメンタリ電源は、共通ノードに対して等しい逆極性の電圧を供給します。これは、プラス12Vとマイナス12Vの電圧レールを必要とすることが多いオペアンプ回路に便利です。多くのベンチトップ電源は、トラッキングと呼ばれるモードでこのオプションを備えており、正負両方の出力を1つの制御で行うことができます。
すべての電源がこのオプションを備えているわけではありません。また、すべての電源がデュアル出力を備えているわけでもありません。
単一出力電源からコンプリメンタリ出力をどのように生成できますか？
±12V DCの電源電圧を必要とするオペアンプ回路があるとします。図1に示すように、可変24V DC電源しかない場合、どのようにしてコンプリメンタリ出力を供給するの でしょうか？
できないと言う前に、電源がどのように作られているかを考えてみてください。 B&K Precision 1550 などのベンチトップ電源は、フローティング出力用に設計されています。理想的な世界では、グランド端子と黒（マイナス電圧）や赤（プラス電圧）のDC出力端子との間に電気的な接続はありません。このような電源は、端子を自由に配線できるバッテリのように機能します。
技術的なヒント： DC電源とバッテリのアナロジーは不完全です。バッテリとは異なり、汎用のDC電源は逆充電電流を受け付けません。多くの電源は逆電圧（ダイオード）保護を備えています。一部の電源は、出力電圧を内部DCレールに固定します。極端な場合、逆電流は回復不可能な電源損傷を引き起こします。
図1： 正電圧と負電圧を供給する抵抗によるセンタータップを備えた単一出力安定化電源の写真
仮想グランドを提供するために使用される抵抗
この電源は完全にフローティングの24V DCを供給できますので、+12V DCと-12V DCの望ましい分割には何を基準にするかの問題があります。電源出力がフローティングであることを分かった上で、抵抗を使用して仮想グランドを設けることができます。わずかにアンバランスな負荷の場合の、センタータップによるソリューションを図2に示します。出力は、グランドに対して+12.5V DCと-11.5V DCの電圧レールで、適度にバランスが取れています。
図2： 24V DC電源の出力をセンタータップすることで、±12V DCを供給する方法を示す回路図
シングルレール技術からデュアルレール技術への制約
この技術にはいくつかの重大な制約があります。最も重要な制約は、負荷の正負の電流需要のバランスです。これは抵抗器の選択に大きな影響を与えます。例えば、正負の負荷が同じ電流を流し、負荷が完全にバランスしている場合、センタータップ抵抗は10kΩのような高い値でも良いかもしれません。一方、ミスマッチが大きい場合は、タップ抵抗は低い値でなければなりません。実際、電圧バランスを維持するためには、かなりの量のエネルギーを「消費」する必要があるかもしれません。
例1：小電流のアンバランスシステムを示す
第1の例は、図2からの引用です。ここでは、定電流源で表されている負荷は、プラスレールから2mA、マイナスレールから3mAを要求しており、わずかにアンバランスです。
このMultisimLiveの例で行ったように、シミュレータに値を入力して結果を見ることもできます。もう1つの解法は、回路理論の教科書をひもとき、スーパーノード解析を用いてシステムを解くことです。図2の回路の解を図3に示します。この例では、回路は従来の教科書の構成に描き直され、フローティング電源が上部中央に配置されています。共通のグランドノードは回路図の底辺に移動しています。
図3： アンバランスシステムのレール電圧を解く手書きの回路図とスーパーノード方程式
例2：比較的大きな電流のアンバランスシステムを示す
負荷がそれぞれ100mAと200mAに変更されたとします。タップ抵抗は少なくとも負荷電流の10倍の電流を流さなければならないと仮定します。この条件で、タップ抵抗を50Ωに設定します。方程式を解くのはお任せしますが、結果はレールが+14.5V DCと-9.5V DCになるはずです。
アンバランスシステムにおける高い電力損失ペナルティ
このアンバランスが許容できない場合は、25Ωのペアにシフトすることができます。レールは13.25V DCと10.75V DCになります。バランスを改善するには抵抗を下げ続ける必要があります。
しかし、落とし穴があります。
P_{TapResistors} = \dfrac{E^2}{R} = \dfrac{24^2}{25 + 25} = 11.5 \ W
図1に示す小さな1/2W抵抗は、2倍の安全マージンを考慮して10W抵抗に増やす必要があります。これらの抵抗2個で、電源出力のかなりの部分を消費することになります。ある時点で、合理的な設計のためのエネルギー効率を考えるとき、私たちは バカげた領域に入り込んでしまいます。
まとめ
このセンタータップ方式はいざという時には有効ですが、負荷に電力を供給するよりも、レールのバランスを取ることに多くのエネルギーを費やします。その結果、この手法は低電力回路に限定されます。
とはいえ、これは回路理論の良い復習になっています。フローティング電源に対する理解が深まります。また、古くからの疑問にも答えてくれています。
どのような場合にノード解析が必要になるのでしょうか？
ご健闘をお祈りします。
APDahlen
著者について
Aaron Dahlen 氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間の教育によってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭を取り、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいます。LinkedIn | Aaron Dahlen - Application Engineer - DigiKey