この記事では、昇圧回路がどのように入力電圧より高い出力電圧を作るのかを、点A・点B、コイル、スイッチ、ダイオード、コンデンサの役割に分けて図解します。ON時にコイルへエネルギーをため、OFF時に出力側へ押し出す流れを、回路図と式で順番に整理します。
⚡ 点A・点Bとマクスウェル方程式で理解する
昇圧回路の仕組み
コイル・スイッチ・ダイオード・コンデンサが、どのように協力して
入力より高い電圧を作るのかを、一般的な閉ループ型の回路図で整理します。
ON中：コイルに蓄える
OFF中：出力へ押し出す
用途まで理解
点Aはスイッチングで大きく変わる点、点Bは出力電圧の点です。
1. まずは回路の主役を整理する
昇圧回路は、部品が多く見えますが、まずは
点A と 点B の2点だけに注目すると理解しやすくなります。
点A
コイル、スイッチ、ダイオードの左側が集まる点です。スイッチのON/OFFに応じて、電圧が大きく変化します。
点B
ダイオードの右側、コンデンサと負荷がつながる出力点です。ここが最終的に12Vなどの出力電圧になります。
点Aは「激しく変化する点」、点Bは「コンデンサのおかげで比較的なめらかに保たれる点」です。
2. スイッチON時：コイルにエネルギーをためる
スイッチがONになると、点Aはスイッチを通じてGNDラインに接続されます。
そのため、点Aはほぼ0Vになります。
点A ≒ 0V
点B ≒ 出力コンデンサの電圧
ダイオードはOFF
コイル電流は増える
点A・点Bの電圧ラベルを上段に逃がし、赤い点線矢印をコイルや点Aに被らない位置へ移動しています。
スイッチON中は、昇圧しているというより、コイルにエネルギーをためている時間です。
点Aは0V付近、点Bはコンデンサの電圧なので約12V付近です。
3. スイッチOFF時：コイルが出力へ押し出す
スイッチをOFFにすると、点AからGNDへ流れていた道が切れます。
しかしコイルは、それまで流れていた電流を急にゼロにできません。
点Aが急上昇
点A > 点B になる
ダイオードON
コイルのエネルギーを出力へ送る
点Aの「12V以上へ上昇」と点Bの「約12V」を回路上から離し、矢印・説明文・部品記号が重ならないようにしています。
昇圧の本体はこの瞬間です。
コイルがA点の電圧を持ち上げることで、点B側へ高い電圧を押し込む動きが起きます。
4. スイッチをOFFにした時、なぜA点電圧は急に上昇するのか
コイルには、流れている電流を急に変えられないという性質があります。
ON中
Vin → コイル → スイッチ → GND に電流が流れています。つまり、コイルには左から右へ電流が流れています。
OFFにした瞬間
スイッチへの道が切れます。でもコイル電流は急にゼロになれないため、コイルは右向き電流を流し続けようとします。
その結果、コイルは「右向き電流が流れる道」を作るために、A点の電圧を自分で押し上げます。
スイッチOFF
→ 今までの道が切れる
→ それでもコイル電流は右向きに流れ続けたい
→ A点の電圧を上げる
→ ダイオードが導通できる条件を作る
「ダイオードが先にONになるから電流が流れる」のではありません。
実際は、コイルがA点電圧を上げるから、結果としてダイオードがONになる、という順番です。
5. なぜA点は12Vぴったりではなく、12Vを超えるのか
点Bが12Vに保たれているとします。
ダイオードを左から右へ流すには、左側であるA点が、B点より高くなければなりません。
点B = 12V
ダイオードを順方向に流すには
A点 > B点 + ダイオードの順方向電圧
たとえばダイオード降下が0.5Vなら
A点 ≳ 12.5V
12Vちょうどでは足りない
A点 = 12V、B点 = 12V だと、ダイオード両端の電圧差が足りず、十分な電流が流れません。
少し超える必要がある
A点が12.3V〜12.7V程度など、B点より少し高くなることで、ダイオードを通して電流を押し込めます。
A点が12Vを超えるのは異常ではなく、出力側へ電流を流すために必要な動きです。
6. 「OFF直後にA=5V、B=12Vなら流れないのでは？」という疑問
たしかに、もしA点が5VのままでB点が12Vなら、ダイオードは導通しません。
ただし、その状態のままだとコイル電流の逃げ道がありません。
A点が5Vで止まるのではなく、コイルが流路を作るまでA点を上昇させます。
「OFF直後にA=5V, B=12Vなら流れない」は途中の一瞬としては正しいが、最終状態ではありません。
7. コンデンサは負荷へ放電するのに、なぜ12V付近を維持できるのか
スイッチON中は、ダイオードがOFFなので、出力側は入力から切り離されます。
その間、負荷はコンデンサから電流を受け取ります。
つまり、コンデンサ電圧は本当に少しずつ下がっています。
ΔV ≒ Iload × Ton / C
ΔV : コンデンサ電圧の低下
Iload: 負荷電流
Ton : スイッチON時間
C : コンデンサ容量
ON中に少し下がり、OFF中にコイルから再充電されることで、点Bは平均的に12V付近を維持しています。
8. OFF中のコイル両端電圧と電流の向きは矛盾しない
スイッチOFF時、コイルの左側は入力電源側なのでおよそ5V、右側の点Aは12V以上、例えば13V程度まで上がることがあります。
OFF中の例
コイル左側 ≒ 5V
コイル右側 = 点A ≒ 13V
それでもコイル電流は左 → 右へ流れ続ける
これは抵抗ではあり得ない動きですが、コイルでは矛盾しません。
OFF中のコイルは、蓄えていた磁界エネルギーを外部へ放出しているため、
一時的に電源のように電流を低い電位側から高い電位側へ押し上げることができます。
電流の向きと、コイル両端の電圧の向きは同じとは限りません。OFF中は、コイルが電源のように振る舞います。
| 状態 |
左端電圧 |
右端電圧 |
vL = 左端 – 右端 |
電流の変化 |
| スイッチON |
約5V |
約0V |
+5V |
di/dt > 0。電流は増える。 |
| スイッチOFF |
約5V |
約13V |
-8V |
di/dt < 0。電流は左→右のまま減る。 |
OFF中は電流は左→右に流れ続けるが、コイル両端の電圧はその電流を減らす向きにかかっているということです。
9. vL = L di/dt は何を表しているのか
\[
v_L = L\frac{di}{dt}
\]
これは、コイルに発生する電圧は、コイル電流の変化の速さに比例するという意味です。
ON中：
vL = 5V – 0V = +5V
di/dt > 0
電流は増える
OFF中：
vL = 5V – 13V = -8V
di/dt < 0
電流は左→右のまま減る
OFF中に vL が負になるのは、電流が逆向きになるという意味ではありません。
左→右に流れている電流が減少しているという意味です。
10. コイルはなぜ電流の変化を打ち消す向きに電圧を出すのか
コイルに電流が流れると、コイルの周りには磁界ができます。
つまり、コイルは電流をただ通しているだけではなく、磁界としてエネルギーを蓄えている部品です。
電流を増やす
→ 磁界が強くなろうとする
→ 磁界の増加を邪魔する向きの電圧が発生する
→ 電流は急には増えない
電流を減らす
→ 磁界が弱くなろうとする
→ 磁界の減少を邪魔する向きの電圧が発生する
→ 元の向きの電流を流し続けようとする
これがレンツの法則です。
11. マクスウェル方程式的にはどう説明できるのか
マクスウェル方程式的には、コイルの動きは次の流れで説明できます。
電流が変わる
→ 磁場 B が変わる
→ コイルを貫く磁束 Φ が変わる
→ 渦状の電場 E が発生する
→ その電場が導線中の電荷を押す
→ 磁束の変化を打ち消す向きの電圧になる
電流が磁場を作る：アンペール・マクスウェルの法則
\[
\nabla \times \mathbf{B}
= \mu_0\mathbf{J} + \mu_0\varepsilon_0\frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}
\]
変化する磁場が電場を作る：ファラデーの法則
\[
\nabla \times \mathbf{E}
= -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}
\]
回路として見やすい積分形では、次のように書けます。
\[
\oint \mathbf{E}\cdot d\mathbf{l}
= -\frac{d\Phi_B}{dt}
\]
重要なのはマイナス符号です。
このマイナス符号が、磁束の変化を打ち消す向きに誘導電圧が発生することを表しています。
12. 昇圧すると電圧は上がるが、電流はどうなるのか
昇圧回路では、出力電圧は入力電圧より高くできます。
しかし、電圧を上げたからといって、出力電流まで増えるわけではありません。
基本的には、電圧を上げると、取り出せる出力電流は小さくなります。
昇圧回路はエネルギーを増やす回路ではなく、電圧と電流の形を変える回路です。
理想的には
入力電力 ≒ 出力電力
Vin × Iin ≒ Vout × Iout
例：
5V × 2A = 10W
10V × 1A = 10W
実際には損失があるため、入力電力の方が出力電力より大きくなります。
例えば効率90%なら、10Wを出すために約11W程度の入力が必要です。
つまり、昇圧すると出力電圧は上がるが、出力電流は小さくなるのが基本です。
13. 電流が小さくなるのに、なぜわざわざ電圧を上げるのか
昇圧回路を使う理由は、電流を増やしたいからではありません。
多くの場合、必要な電圧に届かないと、部品や機能がそもそも動かないからです。
昇圧回路は、電力を増やす回路ではなく、
必要な電圧を作るための回路です。
LEDを直列に点灯したい
白色LEDを10個直列にすると、約30V程度が必要になります。
5Vのままでは足りません。
モーターの回転数を上げたい
モーターは電流だけでなく電圧も重要です。
電圧が低いと高回転域まで伸びにくくなります。
高い電場が必要
圧電素子、フラッシュ、特殊センサーなどは、平均電流は小さくても高電圧が必要な場合があります。
電圧が足りないと、電流を増やしても解決しない場合がある
例えばLEDには順方向電圧があります。
必要な電圧に届かないと、電流がほとんど流れず、光りません。
白色LED 1個 ≒ 3V
10個直列なら
3V × 10個 = 約30V
5V電源のままでは足りない
→ 昇圧して30V前後を作る
モーターでは電圧が回転速度に関係する
モーターでは、ざっくり言うと電流はトルク、電圧は回転速度の上限に関係します。
電流：
トルク、力に関係
電圧：
回転速度の上限に関係
低電圧・大電流：
力は出しやすいが、高回転が苦手
高電圧・小電流：
高回転まで伸ばしやすい
もちろん実際のモーター制御では、巻線抵抗、逆起電力、PWM制御、インバータなども関係します。
ただし「電圧が足りないと高回転側が苦しくなる」という見方は重要です。
送電では高電圧にすると損失を減らせる
同じ電力を送るなら、電圧を高くすると電流を小さくできます。
配線の損失は電流の2乗に比例するため、高電圧・小電流の方が有利です。
電力：
P = V × I
配線損失：
P_loss = I²R
電圧を上げる
→ 同じ電力なら電流を下げられる
→ I²R損失が減る
つまり、電流が小さくなるデメリットがあっても、
高い電圧でないと実現できない機能があるため、昇圧回路が使われます。
14. 昇圧回路は実際に何に使われるのか
昇圧回路は、スマホ、モバイルバッテリー、LED照明、車載機器、カメラ、センサー、モーター制御など、非常に多くの機器で使われています。
昇圧回路は「電流を増やすため」ではなく、「必要な電圧を作るため」に使われます。
モバイルバッテリー
リチウムイオン電池は約3.0〜4.2Vですが、USB出力は5Vが必要です。
そこで内部で昇圧します。
LEDバックライト
LEDを直列にすると必要電圧が高くなります。
昇圧して一定電流でLED列を点灯します。
カメラフラッシュ
電池の数Vから数百Vを作り、高電圧コンデンサを充電します。
一瞬の大電流はコンデンサが担当します。
圧電素子・ブザー
平均電流は小さくても、高い電圧をかけると大きく変形したり、強い音を出しやすくなります。
車載機器
12V電源から24V、48V、場合によってはさらに高い電圧を作ることがあります。
スマホ・小型機器
バッテリー電圧から、カメラ、表示、無線、センサーなどに必要な電圧を作ります。
大電力の昇圧は簡単ではない
高電圧・大電流を同時に出そうとすると、入力側には非常に大きな電流が必要になります。
例：
5Vから20V 2Aを作りたい
出力電力：
20V × 2A = 40W
効率90%なら入力電力は約44W
入力電流：
44W ÷ 5V = 8.8A
つまり入力側には約9Aが必要
大電力の昇圧では、コイル、MOSFET、ダイオード、配線、放熱設計が重要になります。
「電圧だけ上げればよい」という単純な話ではありません。
15. まとめ：昇圧回路の本質
スイッチON中
点Aはほぼ0V。Vin → コイル → スイッチ → GND でコイルにエネルギーを蓄える。
スイッチOFF中
点Aは12V以上に上がる。コイル電流は左→右のまま流れるが、その大きさは減っていく。
電圧と電流
昇圧すると出力電圧は上がるが、同じ電力なら出力電流は小さくなる。
それでも使う理由
LED列、モーター、圧電素子、フラッシュ、各種センサーなど、必要な電圧に届かないと動かない部品がある。
昇圧回路は、電力を増やす回路ではありません。
低い電圧・大きめの電流を、高い電圧・小さめの電流へ変換し、
必要な電圧で部品を動かすための回路です。
16. 用語整理と見方の早見表
| 項目 |
意味 |
| 点A |
コイル・スイッチ・ダイオード左側の接続点。スイッチングで大きく電圧が変化する。 |
| 点B |
ダイオード右側、コンデンサと負荷の接続点。出力電圧Voutの場所。 |
| ON中 |
コイルにエネルギーを蓄える時間。点Aはほぼ0V、ダイオードはOFF。 |
| OFF中 |
コイルがA点電圧を押し上げ、ダイオードを通して出力へ電流を流す時間。電流は左→右のまま減る。 |
| vL = L di/dt |
コイル電圧は、電流変化の速さに比例するという式。電圧の向きの定義によって符号が変わる。 |
| レンツの法則 |
誘導電圧は、磁束の変化を打ち消す向きに発生するという法則。 |
| リップル |
点Bの電圧が完全な直流ではなく、わずかに上下していること。 |
| デューティ比 |
1周期のうち、スイッチがONになっている割合。これで出力電圧を調整する。 |
| 昇圧の代償 |
出力電圧を上げる代わりに、同じ電力なら出力電流は小さくなる。 |
理想的な昇圧回路では
Vout = Vin / (1 – D)
D = デューティ比
= ON時間 / 1周期
また、電力としては
Vin × Iin ≒ Vout × Iout + 損失
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