電源の基礎知識
1．はじめに
電源の種類には、交流から安定した交流を供給するもの、交流から安定した直流を供給するもの、直流から安定した交流を供給するもの、直流から安定した直流を供給するものがあります。
今回は、この中で最も用いることの多い「交流から安定した直流を供給する」ための電源について説明します。
安定した直流を供給するためには、大きく分けてリニア・レギュレータとスイッチング・レギュレータがあります。
2．リニア・レギュレータ
- リニア・レギュレータは、入力電圧をトランジスタやIC（3端子レギュレータ）などによって一定の電圧を得るものです。電圧を落とすということからドロッパとも呼ばれる事もあります。リニア・レギュレータには、シリーズ・レギュレータとシャント・レギュレータがあります。
シリーズ・レギュレータは、入力と出力の間に直列に制御回路を入れる方式であり、シャント・レギュレータは、負荷と並列に制御回路を入れる方式です。
図1（a）、（b）にそれぞれの原理図を示します。
3．スイッチング・レギュレータ
- スイッチング・レギュレータは、回路のON、OFFの繰り返しによって入力電圧を低電圧に変換するものです。
スイッチング・レギュレータのグループには、入力電流の全部または一部が負荷側に流れる非絶縁型のチョッパと入力側と出力側では電流ループが別個であるコンバータに分かれます。現在使用されている「交流から安定した直流を供給する」ための電源のほとんどがこのコンバータ方式です。
スイッチング・レギュレータは、先のリニア・レギュレータと比較した場合、ノイズを発生しやすいなどのデメリットがありますが、軽量、コンパクトな設計が可能であるため急速に普及しました。
図2（a）、（b）にコンバータ方式の代表的な原理図を示します。
4．電源の用語
電源についてよく使用される用語の解説をします。
4-1 入力電圧
-
電源の各仕様を満足できる入力電圧の範囲を示します。交流入力の場合は実行値で、直流入力の場合は瞬時値を含めて表わします。従って直流入力でリップル分を含んでいる場合、その最大値と最小値を考慮する必要があります。
4-2 入力電流
- 電源に流れ込む電流で、実行値で示します。シリーズ方式、スイッチング方式共にコンデンサインプットの整流回路を内蔵しているため、入力電流は正弦波とはならず、図3のような波形になります。
4-3 効率
出力電力と入力有効電力の比で表わします。仕様値は、定格出力電力時の値ですので、出力電流が小さい時は効率は悪くなります。
4-4 突入電流
- 電源に入力電圧をかけた瞬間に流れる電流の波高値をいいます。
入力電流の項で述べた通りAC-DCスイッチング電源の場合、入力電圧を直接コンデンサインプット整流するため、通常の数十から数百倍の大電流が流れます。
そのため、突入防止回路をつけて突入電流を抑制しています。図4に代表的な突入防止回路を示します。
4-5 定格出力電圧
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出力端子間に現れる直流電圧の公称値を言います。
4-6 定格出力電流
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電源から負荷に連続して供給できる電流を言います。周囲温度、冷却方法により変わる場合があり、ディレーティング特性を参照する必要があります。
4-7 ピーク出力電流
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電源から負荷に短時間に流せる電流を言います。モーターなど起動時にピーク電流の流れる負荷に最適です。
4-8 静的入力変動（ラインレギュレーション）
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入力電圧を仕様範囲内で変化させた時の出力電圧の変動の最大値を言います。
4-9 静的負荷変動（ロードレギュレーション）
出力電流を仕様範囲内で変化させた時の出力電圧の変動の最大値を言います。
4-10 リップル
- 出力電圧に重畳される入力周波数と同期したAC成分を言い、Peak-Peakで表わします。電源内部の入力平滑コンデンサにより決まります。（図5参照）
4-11 リップルノイズ
出力電圧に重畳されるスイッチング周波数と同期したAC成分をノイズと言います。
このノイズと先のリップルを加えたものをリップルノイズと言い、Peak-Peakで表わします。シリーズ電源では、スイッチング動作がないため、ノイズは発生せず、リップルとリップルノイズは等しくなります。（図5参照）
4-12 過電流保護（Over Current Protection）
- 出力電流が規定値以上流れないための保護する方法を言います。短絡保護も兼ねています。
自動復帰とは、過電流の状態が解除された場合、出力電圧が元の状態に戻る機能を言います。過電流保護には、一定の電流を流し続ける垂下特性と電流、電圧ともに減少する「フ」の字特性があります。（図6参照）
4-13 過電圧保護（Over Voltage Protection）
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電源内部の異常により、出力に規定値以上の電圧が発生しないよう保護する機能です。
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