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直流安定化電源入門

なぜ直流安定化電源が必要なのか?

電源とは、辞書によると「電気を供給するみなもと」「電力を得るもの」となっています。その種類を大別すると、交流電源と直流電源になります。

交流は一般家庭用のAC100V、50/60Hzとか、工場用のAC200V、単相、三相、などがあります。直流では、電池、バッテリなどが身近なものです。乾電池などは取扱いが簡単ですが、いつも欲しい電圧、電流値が取り出せるとはかぎりません。

商用電源ならば、パワーの寿命の心配なしに小さな電力から大きな電力まで自由に利用できます。商用電源は交流(AC)の100Vです(日本国内の場合)。交流は時間とともに電圧の大きさと電流の方向が周期的に変化します。

ところが、産業機器、民生機器等に使われているトランジスタやIC等の電子回路は直流で動作するようになっています。そこで交流を直流に直して、電子回路に適した電圧と電流を供給する装置として、直流安定化電源が多く使われています。

直流電源の種類

直流電源には、簡単な整流器とコンデンサの組み合わせだけの非安定化電源と、複雑な回路技術を用いた多種多様の安定化電源とがあります。

安定化電源

直流安定化電源とは一般に商用交流電源を用い、入力変動や負荷変動に影響されない、安定した直流電圧(又は電流)を作り出す装置で、次のような特徴があげられます。

  1. 入力電圧(AC100V等)が、変動(90〜110V)しても出力電圧(又は電流)は変動しない。
  2. 負荷が電源の能力内(例えば出力最大定格が2Aなら0〜2Aの間)で変化しても出力電圧は変動しない。
  3. リップルが少ない。
  4. 出力電圧(又は電流)の設定精度が高い。
  5. 非安定化のものより効率が悪い。
  6. 高価である。
  7. いろいろな応用が可能。

非安定化電源

非安定化電源とは、簡易的に直流電圧を発生させる場合に用いますが、外的な条件(入力電圧、負荷変動、周囲温度等)によって出力が変動します。次に、その特徴をあげます。

  1. AC 電圧にほぼ比例して出力電圧が変動する。
  2. リップルが負荷の大小で異なるが、比較的多い。
  3. 丈夫である。
  4. 安価である。

直流安定化電源の構成

直流安定化電源には大別すると

  • シリーズレギュレータ
  • スイッチングレギュレータ

があります。ここでは、直流安定化電源の構成を、シリーズレギュレータを例にとり説明します。直流安定化電源の構成は大別して、次の4つの要素に分けられます。

  • 非安定化電源部
  • 安定化回路
  • 保護回路
  • その他の補助回路

《図-1》直流安定化電源の構成 《図-1》直流安定化電源の構成

非安定化電源部

交流を直流に変換する回路で、変圧器、整流回路、平滑回路の3つから成りたち安定化する前の電源で非安定化電源と言われています。

  • 変圧器
    変圧器はAC電源の電圧を適当な電圧に変換する働きと同時に、AC入力側と出力側を絶縁する働きをしています。
  • 整流回路
    交流電圧を直流電圧に変換する回路で、用途に応じて色々な方式のものがあります。
  • 平滑回路
    整流回路で整流した後の波形は脈流ですから、さらに波形を平坦にする必要があります。この回路を平滑回路と云い、コンデンサインプット方式とチョークインプット方式があります。

コンデンサインプット方式

整流回路の後に並列のコンデンサを入れる方式(図-2)で出力電圧が高く取れるという利点がありますが、負荷変動による電圧変動が大きい欠点があります。

《図-2》コンデンサインプット方式 《図-2》コンデンサインプット方式

チョークインプット方式

整流後直列にチョークを入れる方式で(図-3)、ある負荷電流以上では電圧変動率が良いという特徴がありますが、チョークを入れる為、重量が大きくなる欠点があります。

《図-3》チョークインプット方式 《図-3》チョークインプット方式

安定化回路

ここまでの非安定化電源部まででは交流電源の電圧が変動したり、負荷が変化する事により、出力電圧はたえず変動しています。その変動分を取り除き、安定した出力を得るための回路を安定化回路と呼んでいます。

《図-4》安定化回路・ブロックダイアグラムとその動作 《図-4》安定化回路・ブロックダイアグラムとその動作

《図-5》 《図-5》

  • 基準
    電源の安定度を決定づける1ブロックです。可能な限り安定な電圧を供給します。
  • 検出
    出力の状態を監視し、比較回路に入力しています。
  • 比較
    基準と検出の両信号を比較し、その誤差を増幅し、制御回路に伝えています。(誤差増幅器)
  • 制御
    このブロックは比較回路から送られた誤差信号を修正制御します。直流電源の場合ここに大容量トランジスタを用いるため、制御トランジスタと呼ばれています。この例のように、制御トランジスタが、負荷に対し直列に構成されるため、シリーズレギュレータ(直列制御方式)と呼ばれます。入力電圧(Vi)は出力電圧(Vo)に対して、リップルの除去、AC電源の変動に対する余裕を持たせる為に数V高めに設定されています(Vce)。(図-5)そのため負荷電流が流れると、その電流(Io)と(Vce)の積の電力が制御トランジスタで消費され熱となって発散します。この熱上昇による制御トランジスタ及びその他回路部品の破壊を防ぐ方法として自然対流空冷(ヒートシンク)、強制ファン空冷等があります。

保護回路

定電圧電源は、出力インピーダンスが非常に低くなっている為、出力端子を短絡させた場合、過大電流が流れて回路又は直列制御用のパワートランジスタを破壊してしまいます。その為過大電流を流さないための保護回路が必要となります。

その種類は大きく分けて、フォールドバック形保護回路(フの字形保護回路)と定電流定電圧移行形保護回路(垂下特性)とがあります。ちなみにキクスイが現時点で販売している標準品の直流安定化電源は全て定電流定電圧移行形保護回路(垂下特性)を使用しています。

《図-6》フの字形保護回路 《図-6》フの字形保護回路

《図-7》定電流定電圧移行形保護回路(垂下特性) 《図-7》定電流定電圧移行形保護回路(垂下特性)

その他の回路

以上、説明した回路が基本構成ですが、より小形で効率よく、又安全に動作させる為に、プリレギュレータ回路とブリーダ回路、及び過電圧保護回路があります。

プリレギュレータ回路

(図-5)による、Vceが大きすぎると、トランジスタの発熱量が多くなり、パワートランジスタの数が増えたり、筐体温度が高くなるといった問題が発生します。この問題を解決するためには、出力電圧に応じて入力電圧が変わる様にすればよいわけです。入力電圧を可変する方法は、トランスにタップを設けリレー等を切り換える方式と、サイリスタ等を用いて制御整流回路を構成し、整流回路をコントロールする方式があります。

  • リレーを用いる方式
    回路が比較的簡単で、リレーが切換わる瞬間以外はノイズ等が非常に少ない利点がありますが、大容量になるとリレーが大きくなり、又切り換え点が少ない為どうしてもパワートランジスタの発熱量が多くなる欠点があります。この為比較的小容量の電源に多く用いられています。
  • サイリスタを用いる方法
    回路が複雑になるが、整流回路の出力電圧を連続的に変えることができるため(図-5)のVceをたえず一定に保つことができます。このため、リレーを用いる方式に比べ無駄な発熱等も少なく外形も小さくなり、このような理由から大容量の電源に多く用いられています。しかし、サイリスタのノイズがどうしても発生してしまう欠点があります。このノイズが問題となるような場所での使用は注意を要します。

ブリーダ回路

出力端子が完全にオープン状態では、パワートランジスタの漏洩電流のために、出力端子間の電圧が上がってしまう問題があります。又、出力電圧を急に下げる時、出力端子間のコンデンサにチャージされた電流を出してやる必要があります。このための働きをするのがブリーダ回路です。

過電圧保護回路(OVP)

万一故障したり、外部から電圧が加えられたりして過電圧が発生し、負荷を破損したり、焼損したりすることを防ぐための保護回路で、絶対に過電圧をくわえてはいけない負荷や無人で長時間運転を行なう場合は是非必要なものです。

OVPには過電圧を検出してノーヒューズブレイカーを遮断する低速タイプ(50msec位)と、出力端子間をサイリスタにより短絡(crowbar)してしまう高速タイプ(200μsec位)があります。半導体負荷などには高速タイプが良く、モーター負荷などには低速タイプが良いようで、負荷条件により使い分ける必要があります。その他の保護回路

  • 過熱保護回路
  • 温度ヒューズ
  • 入力ヒューズ、出力ヒューズ
  • 外部接点による入力遮断

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