基本的なアナログ電源設計

古いことわざがあります：「あなたは人に魚を与えることができ、彼は一日食べるか、あなたは人に魚を教えることができ、彼は永遠に食べるでしょう。」 読者に電源を構築するための特定の設計を与える多くの記事があり、これらのクックブックの設計に問題はありません。 彼らはしばしば非常に良いパフォーマンスを持っています。 ただし、読者が自分で電源を設計する方法を教えているわけではありません。 このXNUMX部構成の記事は最初から始まり、基本的なアナログ電源を構築するために必要なすべてのステップを説明します。 この設計では、ユビキタスなXNUMX端子レギュレータに焦点を当て、基本設計にいくつかの機能強化を加えます。

電源は、特定の製品用または一般的なテスト機器として、ユーザーを感電死させたり、発火させたり、電源を供給しているデバイスを破壊したりする可能性があることを常に覚えておくことが重要です。 明らかに、これらは良いことではありません。 そのため、この設計に保守的に取り組むことが重要です。 コンポーネントに十分なマージンを提供します。 適切に設計された電源は、気付かれることのないものです。

入力電力変換

図1に、一般的なアナログ電源の基本設計を示します。 これは、XNUMXつの主要なコンポーネントで構成されています。 修正とフィルタリング。 と規制。 入力電力変換は通常、電源トランスであり、ここで検討する唯一の方法です。 ただし、言及することが重要な点がいくつかあります。

図1.基本的なアナログ電源はXNUMXつの部分で構成されています。 最初のXNUMXつはこの記事で説明し、最後のXNUMXつは次の記事で説明します。

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117つ目は、110 VAC（ボルト交流）が実際にはRMS（二乗平均平方根）測定値であるということです。 （125VACから120.0VACの範囲で指定された通常の家庭用電力を見たことがあることに注意してください。私が測定したところ、正確にXNUMX VACであることがわかりました。）正弦波のRMS測定値は、実際のピーク電圧よりもはるかに低く、同じ電力を供給するために必要な等価DC（直流）電圧。

RMS変換は波形によって異なります。 正弦波の場合、値は1.414です。 これは、ゼロボルト付近の偏差が実際には169.7ボルトであることを意味します（私の120 VAC電源の場合）。 電力は、各サイクルで-169.7ボルトから+169.7ボルトになります。 したがって、ピークツーピーク電圧は実際には339.4ボルトです。

この電圧は、主電源ラインにバイパスコンデンサを追加して、ノイズが電源に出入りするのを防ぐときに特に重要になります（一般的な状況）。 実際の電圧が120ボルトだと思う場合は、150ボルトのコンデンサを使用できます。 ご覧のとおり、これは正しくありません。 コンデンサの絶対最小安全動作電圧は200ボルトです（250ボルトの方が良いです）。 ライン上にノイズ/スパイクが見られる場合は、そのノイズ/スパイク電圧をピーク電圧に追加する必要があることを忘れないでください。

米国では、入力周波数は一般的に60Hzです。 ヨーロッパでは、50Hzが一般的です。 定格60Hzの変圧器は、通常50Hzで良好に機能します。その逆も同様です。 さらに、電力線の周波数安定性は通常優れており、考慮されることはめったにありません。 時折、400Hzの変圧器が利用できる場合があります。 これらは通常、軍用または航空用のデバイスであり、通常、50/60 Hzの電力での使用には適していません（またはその逆）。

トランスの出力もRMS電圧として指定されます。 さらに、指定された電圧は、全負荷で予想される最小電圧です。 多くの場合、無負荷で定格出力が約10％増加します。 （私の25.2ボルト/ 28.6アンペアの変圧器は無負荷で25.2ボルトを測定します。）これは、私の40.4ボルトの変圧器の実際の無負荷/ピーク出力電圧がXNUMXボルトであることを意味します！ ご覧のとおり、AC電源の定格RMS電圧は、実際のピーク電圧よりも大幅に低いことを覚えておくことが常に重要です。

図2に、一般的な入力電力変換と調整の設計を示します。 絶対に必要というわけではありませんが、私は双極スイッチを使用することを好みます。 これは、電源コンセント自体の誤配線（今日ではまれです）または誤配線された電源リード（はるかに一般的）から保護します。 電源スイッチがオフのときは、ホットリードが電源装置から切断されていることが重要です。

図2.入力コンディショニングは非常に基本的ですが、RMS電圧はピーク電圧と同じではないことに注意する必要があります。 120 VACRMSのピーク電圧は約170ボルトです。

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ヒューズ（またはサーキットブレーカ）が必要です。 その主な目的は、火災を防ぐことです。これがないと、変圧器または一次回路が短絡すると大電流が流れ、金属部品が赤または白く熱くなるためです。 これは通常、定格250ボルトのスローブロータイプです。 定格電流は、変圧器が引き込むと予想できる定格の約XNUMX倍である必要があります。

たとえば、上記の25.2ボルトの0.42アンペアの変圧器は、約25.2アンペアの一次電流（120ボルト/ XNUMXボルトxXNUMXアンペア）を消費します。 したがって、XNUMXアンペアのヒューズが妥当です。 二次側のヒューズについては、次の記事で説明します。

バイパスコンデンサはノイズを除去するのに役立ち、オプションです。 ピーク電圧は約170ボルトであるため、250ボルトの定格は限界の200ボルトの定格よりも優れています。 「パワーエントリーフィルター」を使用することをお勧めします。 これらのユニットには多くの種類があります。 一部には、標準の電源コネクタ、スイッチ、ヒューズホルダー、およびフィルターがXNUMXつの小さなパッケージに含まれています。 他の人はこれらのコンポーネントの一部しか持っていないかもしれません。 通常、すべてのものはかなり高価ですが、余剰ユニットは通常、非常にリーズナブルな価格で見つけることができます。

一次回路に電力が供給されているかどうかを判断できることが重要であるため、パイロットライトが使用されます。 XNUMXつの典型的な回路が示されています。 ネオンランプは何十年もの間使用されてきました。 シンプルで安価です。 やや壊れやすい（ガラス製）という欠点があります。 抵抗が大きすぎるとちらつくことがあります。 実際に電気ノイズを発生させる可能性があります（ネオンガスの突然のイオン破壊による）。

LED回路には電流制限抵抗も必要です。 10,000 hmsで、約12mAの電流が供給されます。 ほとんどのLEDの定格電流は最大20mAであるため、12mAが妥当です。 （高効率LEDは、わずか1または2 mAで十分に機能する可能性があるため、必要に応じて抵抗を増やすことができます。）

LEDの逆方向降伏電圧は非常に低いことに注意してください（通常は10〜20ボルト）。 そのため、170つ目のダイオードが必要です。 これは、少なくとも1ボルトのPIV（ピーク逆電圧）で動作できる必要があります。 標準の4003N200の定格は1PIVであり、マージンはあまりありません。 4004N400の定格は400PIVで、おそらくXNUMXペニー以上かかります。 LEDと直列に配置することにより、全体のPIVはXNUMXプラスLEDPIVになります。

整流とフィルタリング

図3、4、および5は、出力波形が上に表示されている最も一般的な整流回路を示しています。 （フィルタコンデンサを追加すると、波形がDC電圧のようなものに変化するため、表示されていません。）これらXNUMXつの基本回路を調べて、長所と短所を特定すると便利です。

図3に、基本的な半波整流器を示します。 これの唯一の償還特性は、単一の整流器のみを使用する非常に単純なことです。 悪い特徴は、パワーサイクルの半分しか使用しないため、回路の理論上の効率が開始時に50％未満になることです。 多くの場合、半波整流器の電源は30％しか効率がありません。 変圧器は高価なアイテムであるため、この非効率性は非常にコストがかかります。 第二に、波形はフィルタリングが非常に困難です。 半分の時間、変圧器からの電力はまったくありません。 出力を平滑化するには、非常に高い値の静電容量が必要です。 アナログ電源にはめったに使用されません。

図3.半波整流回路は単純ですが、出力波形が貧弱で、フィルタリングが非常に困難です。 さらに、変圧器の電力の半分が無駄になります。 （フィルタリングコンデンサは波形を変えるため、わかりやすくするために省略されていることに注意してください。）

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半波整流回路にフィルタコンデンサを追加すると、興味深い重要なことが起こります。 無負荷電圧差は25.2倍になります。 これは、コンデンサがサイクルの前半（正の部分）からのエネルギーを蓄積するためです。 後半が発生すると、コンデンサは正のピーク電圧を保持し、負のピーク電圧がもう一方の端子に印加され、コンデンサとそれを介してダイオードに完全なピークツーピーク電圧が見られます。 したがって、上記の80ボルトの変圧器の場合、これらのコンポーネントから見た実際のピーク電圧はXNUMXボルトを超える可能性があります。

図4（上の回路）は、典型的な全波/センタータップ整流回路の例です。 これを使用する場合、ほとんどの場合、使用しないでください。 それは完全に修正された素晴らしい出力を提供します。 これにより、フィルタリングが比較的簡単になります。 整流器をXNUMXつしか使用しないため、かなり安価です。 ただし、上記の半波回路ほど効率的ではありません。

図4.全波設計（上）は素晴らしい出力を生成します。 回路を再描画すると（下）、実際にはXNUMXつの半波整流器が接続されていることがわかります。 この場合も、変圧器の電力の半分が無駄になります。

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これは、4つの変圧器で回路を再描画することで確認できます（図50の下）。 これを行うと、全波は実際には30つの半波回路が相互に接続されていることが明らかになります。 各変圧器の電源サイクルの半分は使用されません。 したがって、理論上の最大効率はXNUMX％で、実際の効率は約XNUMX％です。

ダイオードへの入力電圧がトランス出力の半分であるため、回路のPIVは半波回路の半分です。 センタータップは、トランス巻線の両端に半分の電圧を供給します。 したがって、25.2ボルトの変圧器の例では、PIVは35.6ボルトに無負荷の増加を加えたものであり、これは約10％多くなります。

図5は、一般的に最初の選択肢となるブリッジ整流回路を示しています。 出力は完全に整流されているため、フィルタリングはかなり簡単です。 ただし、最も重要なのは、パワーサイクルの両方の半分を使用することです。 これは最も効率的な設計であり、高価な変圧器を最大限に活用します。 XNUMXつのダイオードを追加することは、変圧器の電力定格（「ボルトアンペア」またはVAで測定）をXNUMX倍にするよりもはるかに安価です。

図5.ブリッジ整流器のアプローチ（上）は、変圧器の電力をフルに活用し、全波整流を提供します。 また、アース基準（下）を変更することにより、デュアル電圧電源を得ることができます。

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この設計の唯一の欠点は、電力が1.4つのダイオードを通過する必要があり、その結果、他の設計の0.7ボルトではなく0.7ボルトの電圧降下が発生することです。 一般に、これは、追加のXNUMXボルトが出力のかなりの部分を表す低電圧電源の場合にのみ問題になります。 （このような場合、通常、上記の回路のいずれかではなく、スイッチング電源が使用されます。）

半サイクルごとに1.414つのダイオードが使用されているため、トランス電圧の半分だけがそれぞれに見られます。 これにより、PIVはピーク入力電圧またはトランス電圧のXNUMX倍に等しくなります。これは、上記の全波回路と同じです。

ブリッジ整流器の非常に優れた機能は、グランドリファレンスを変更して正と負の出力電圧を生成できることです。 これを図5の下部に示します。

フィルタリング

アナログ電源のほとんどすべてのフィルタリングは、フィルターコンデンサーから行われます。 出力と直列にインダクタを使用することは可能ですが、60 Hzでは、これらのインダクタは非常に大きくなければならず、高価です。 時折、適切なコンデンサが高価な高電圧電源に使用されます。

フィルタコンデンサ（C）の計算式は非常に単純ですが、許容可能なピークツーピークリップル電圧（V）、半サイクル時間（T）、および消費電流（I）を知る必要があります。 式はC = I * T / Vです。ここで、Cはマイクロファラッド、Iはミリアンペア、Tはミリ秒、Vはボルトです。 60 Hzの半サイクル時間は8.3ミリ秒です（参照：1997年アマチュア無線ハンドブック）。

大電流および/または低リップル電源の場合、フィルタリング要件が増加することは式から明らかですが、これは常識です。 覚えやすい例は、電流3,000アンペアあたりXNUMXマイクロファラッドが約XNUMXボルトのリップルを提供することです。 この例のさまざまな比率を使用して、必要なものをかなり迅速に合理的に見積もることができます。

重要な考慮事項の50つは、ターンオン時の電流の急増です。 フィルタコンデンサは、充電されるまでデッドショートとして機能します。 コンデンサが大きいほど、このサージは大きくなります。 トランスが大きいほど、サージが大きくなります。 ほとんどの低電圧アナログ電源（<25.2ボルト）の場合、トランスの巻線抵抗が多少役立ちます。 0.6ボルト/ 42アンペアの変圧器の測定された二次抵抗はXNUMXオームです。 これにより、最大突入電流がXNUMXアンペアに制限されます。 さらに、トランスのインダクタンスにより、これがいくらか減少します。 ただし、ターンオン時に大きな潜在的な電流サージがまだあります。

幸いなことに、最新のシリコン整流子には、多くの場合、巨大なサージ電流機能があります。 標準の1N400xダイオードファミリは、通常、30アンペアのサージ電流で指定されています。 ブリッジ回路では、これを運ぶ21つのダイオードがあるため、最悪の場合はそれぞれ30アンペアであり、10アンペアの仕様を下回っています（等しい電流共有を想定していますが、常にそうであるとは限りません）。 これは極端な例です。 一般に、21の代わりに約XNUMXの係数が使用されます。

それにもかかわらず、この電流サージは無視できるものではありません。 XNUMXアンペアのブリッジの代わりにXNUMXアンペアのブリッジを使用するためにさらに数セントを費やすと、十分な費用がかかる可能性があります。

実用的なデザイン

これで、これらのルールと原則を使用して、基本的な電源の設計を開始できます。 設計の中核として25.2ボルトの変圧器を使用します。 図6は、前の図を合成したものと見なすことができますが、実際の部品の値が追加されています。 セカンダリの1番目のパイロットライトは、そのステータスを示します。 また、コンデンサに電荷があるかどうかも示します。 このように大きな値がある場合、これは重要な安全上の考慮事項です。 （これはDC信号であるため、4004NXNUMX逆電圧ダイオードは必要ありません。）

図6.実際の部品仕様を使用した電源の最終設計。 電力の調整については、次の記事で説明します。

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63つの大きなコンデンサよりも50つの小さなコンデンサを並列に使用する方が安価な場合があります。 コンデンサの動作電圧は少なくとも40ボルトでなければなりません。 50ボルトは、25ボルトのピークに対して十分なマージンではありません。 63ボルトのユニットは60％のマージンしか提供しません。 これは重要ではないアプリケーションには問題ないかもしれませんが、ここでコンデンサが故障した場合、結果は壊滅的なものになる可能性があります。 100ボルトのコンデンサは約150％のマージンを提供し、50ボルトのデバイスは100％のマージンを提供します。 電源の場合、一般的な経験則では、整流器とコンデンサのマージンはXNUMX％からXNUMX％の間です。 （示されているように、リップルは約XNUMXボルトである必要があります。）

ブリッジ整流器は、高い初期電流サージを処理できる必要があるため、信頼性を向上させるためにXNUMX〜XNUMXセント硬貨を追加する価値があります。 ブリッジは、電源が最終的に指定されるものではなく、変圧器が供給できるものによって指定されることに注意してください。 これは、出力が不足している場合に実行されます。 このような場合、トランスの全電流がダイオードを通過します。 電源の故障は悪いことであることを忘れないでください。 したがって、堅牢になるように設計してください。

結論

詳細は、電源を設計する際の重要な考慮事項です。 RMS電圧とピーク電圧の違いに注意することは、電源の適切な動作電圧を決定する上で重要です。 さらに、初期サージ電流は無視できないものです。

パート2では、XNUMX端子レギュレーターを追加してこのプロジェクトを完了します。 リモートシャットオフ付きの汎用、電流制限、調整可能な電圧電源を設計します。 さらに、この設計に使用される原理は、任意の電源設計に適用できます。 

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