市販のスイッチング電源を覗く
お久しぶりです、ノグエレです。
今回は、市販のスイッチング電源を少しばかり見ていこうと思います。
電気界隈では、マジョカアイリスという女児向け玩具の解析が流行っていますが、私にはそこまでの技術力(魔法かも?)が備わっていないので、おとなしく電源を解析することにします。
(この記事は私のメモ的な扱いなので、文字は少なめです。ご了承下さい。)
今回扱うスイッチング電源
過去に自分が見てきた電源のほとんどはフライバックコンバータ回路だったので、今回はフォワードコンバータ回路を積んだ電源を扱っていこうと思います。
こちらが今回扱う、コーセルのLCA50S-12という12V 4.3A出力の50W型フォワードコンバータです。
縦50mm 横195mm 高さ25mm (実測値)と薄く、細長いです。
ボード型なので、汎用機器の電源として組み込むことができるようになっています。
入力/出力端子にはJST製のVHコネクタが付けられていました。
コーセルのボード型電源ではお馴染、入力部平滑コンデンサの側面に貼られたいつものシールです。交流100Vから120Vが入力電圧領域となっているので、日本国内で使用する分には問題ないでしょう。直流入力も可能のようです。
上から見た写真です。
左から入力フィルタ部、整流・平滑部、制御部と並んでおり、青いテープが巻かれたトランスはメインの絶縁トランスで、黄色いテープのは平滑リアクトル、その真ん中に二次整流用の大きなダイオードが寝ています。
見ての通り、ごく普通のフォワードコンバータの回路基板となっていました。
基板の裏面です。
今時の電源では使われていないものはないと言っても過言ではないほど使われている表面実装部品が、この電源には一切ありませんでした。先ほどの表面の写真からも分かる通り、チップ化可能な制御部の抵抗、コンデンサ、ICには全てリード部品がつかわれており、少しばかり時代を感じさせます。
なお、この電源の製造年は、コンデンサの製造年から推測するに2013年から2014年辺りだろうと思われます。私が小学校6年生くらいに作られたものが7年の時を経て私のもとにやってきたのか~と考えると感慨深いですね...笑
実際に動かしてみる
見てるだけじゃ面白くないので、通電させ、負荷もかけてみましょう。
実験環境はこんな感じです。
手前に今回の電源があり、奥にお手製の簡易電子負荷と、駆動させる為のスイッチング電源(多出力電源の記事にて紹介しています)があります。
コロナ禍で大学の設備も使わせてもらえない一般的な大学生の実験環境なので、あまり精度は良くありませんがご了承ください。
測定
電子負荷を用いて、電源に定格の50%の負荷をかけた時の状態を再現させ、上の回路で示した部分にオシロスコープのプローブを当てて、波形を表示させました。
以下は波形の写真を載せますので、参考程度にご覧ください。
(↑) Vgs (1目盛10V)とVds (1目盛100V)の波形
(↑) Vgs (1目盛2V)立ち上がりと、その時のVds (1目盛20V)の波形
(↑) Vgs (1目盛5V)立ち下がりと、その時のVds (1目盛50V)の波形
(↑) Vs (1目盛50V)とVc (1目盛50V)の波形
(↑) 出力のリプル測定 (1目盛10mV)
回路を起こしてみる
基板の配線をたどって、回路図を書きました。
回路図が見にくい時はこちら
https://twitter.com/EN_gelou/status/1347307148737302528?s=19
終わりに
今回得られたデータを参考にして、実際に同じようなフォワードコンバータ回路を製作してみようと思います。そうしたら自分の技術向上の糧となるでしょう。
ここまで読んで下さりありがとうございました。
多出力電源の話
こんにちは、ノグエレです。
コロナウィルスによりオンライン授業が続き、また、入学したのに大学の敷地に一歩も踏み入れてないというのもあって、今は高校生気分で過ごしています。
今回は多出力電源についてちょっとだけ書きます。
多出力電源とは
この記事では文字通り、複数の電圧が出力できる電源を指します。
身近なものではPCの電源としてよく用いられるATX電源、ファクシミリ付き電話機や印刷機などの小規模な家電製品の電源ボードなどが挙げられます。あと、一昔前のワープロの電源にも多出力電源が用いられています。
多出力電源の回路
多出力にするためのいくつか回路を紹介します。
・巻線マシマシ方式 (仮名)
画像はフライバックコンバータで多出力にする回路です。帰還制御は一番重要な出力で行います。そうでない出力は巻き数によって電圧が決定します。
この方法は一番簡単で部品数も少なく済み、回路全体の電力変換効率にもほとんど影響しません。
しかし、トランスのボビンによって出力の数に制約があったり、帰還制御していない出力は負荷の大きさによって電圧の変動が起きてしまいます(クロスレギュレーションという)。なので帰還制御をしていない出力に大きな負荷をかけるのは向きませんし、小電力でも高精度が求められている回路の電源として用いるのは論外(?)です。
ただし三端子レギュレータなどの定電圧レギュレータを設ければ損失は大きくなりますが、出力が安定するので小電力の回路に十分使える電源となります。
ちなみに某電源↑も巻線マシマシ方式です。
・定電圧レギュレータ方式 (仮名)
これは通常の単出力のフライバックコンバータに定電圧レギュレータを外付けした感じです。これならクロスレギュレーションもありませんし、いくつでも出力の数を増やすことができますが、二次側の回路規模が大きくなるのが欠点です。また、定電圧レギュレータの損失や待機電力によって電源全体の電力の無駄が大きくなります。ただ、最近では三端子型の小型DC/DCコンバータが安価で手に入るようになったので、電力の無駄もなく、高品質の多出力電源が作りやすくなったように思えます。
この方式は電力規模に関わらず、今でも多くの電源に取り入れられています。あとで紹介する自作の多出力電源もこの方式です。
・マグアンプ方式 (仮名)
この方式はフォワードコンバータで使われています。可飽和リアクトルを用いて二次側で定電圧制御を行うのでクロスレギュレーションがなく、他の出力の負荷変動に対しても強いです。
こちらはフルマグアンプ回路のUSBポートです。USB同士を絶縁したいときに便利なものです。二次側で各ポートの電圧を制御しているので当然クロスレギュレーションは起こらず、安定した電力を供給することができます。
実際に多出力電源を作ってみた
一号機
令和元年の5月4日に作ったものです。
15V、12V、5V、3.3Vを取ることができます。
回路の実験の電源として使っていましたが、今は卓上スピーカアンプの電源として使っています。
二号機
令和2年6月18日に作ったものです。
15V、12V、-12Vを取ることができます。
三号機の練習用として制作したので観賞用に使っています。
三号機
令和2年6月27日に作ったものです。
15V、12V、5V、-12Vを取ることができます。正電源と負電源とは独立しており、正電源側にて帰還制御をしています。最近、私がオペアンプを用いた回路の実験をすることが多くなってきたので12Vと-12Vの出力を設けました。15V出力以外は三端子レギュレータを用いて電圧を安定させています。
基板は中国で発注するのがめんどくさくて時間の無駄だったので自分でエッチングして作りました。
多出力スイッチング電源が完成しました。 pic.twitter.com/qB0KlB9uRg
— ENgelou (@EN_gelou) 2020年6月27日
終わりに
電源作るの最高
(ここまで読んで下さりありがとうございました。)
Twitter→@EN_gelou (Noguchi Electric)
フォワードコンバータの製作
こんにちは、ノグエレです。
コロナウィルスの影響で今年度から通う大学にも行けずにほそぼそと外出自粛生活を送っているところです。
大学名は伏せますが、Twitterの電気界隈の方が結構いらっしゃって、早く大学に行けるようになるのが楽しみでしかたありません。
早速ですが、今回は趣味のパワーエレクトロニクスという名にふさわしく、主にスイッチング電源について書こうと思います。
不適切な部分もあるかとは思いますが、最後までご覧いただけると幸いです。
今回製作する電源について
私たちが使っているACアダプターや充電器、電化製品の中のスイッチング電源の多くはフライバック型と呼ばれるスイッチング方式の回路が高い割合を占めており、名前を初めて聞いた!という方にも分かりやすいように解説したり設計の手順を記事にすることも考えましたが、ネットで投稿されている記事のスイッチング電源のほとんどがフライバック型で、見る人によっては有り触れたやつだなと感じてしまうかもしれないので、今回はフォワード型を製作しようと思います。
フォワードコンバータの動作
こちらがフォワードコンバータの構成回路図です。
フライバックコンバータのトランスと極性が逆だったり巻線やリアクトル、ダイオードが増えてますね。
スイッチ素子は実際の回路でよく用いられるMOSFETが書かれていますが、ここではスイッチ素子と呼ぶことにします。
続いて、この回路図を用いてフォワードコンバータの3つの動作モードを示します。
モード1.
スイッチ素子がONになっている時、負荷電流は赤色の線のように主巻線を通って流れます。この時、2次側のリアクトル(以下、平滑リアクトル)にエネルギーが蓄積され、また1次側の回路には負荷電流と同じ方向に励磁電流というものが増加しながら流れます。
モード2.
スイッチ素子がOFFなると2次側では平滑リアクトルに蓄積されていたエネルギーが放出され、フライホイールダイオードを介して負荷電流が流れます。
1次側では励磁電流が主巻線からリセット巻線に転流して緑色の線のように流れますが、徐々に流れなくなっていきます。
モード3.
1次側の励磁電流が完全に流れなくなりますが、2次側では負荷電流はモード2に継続して流れます。
この回路だけでは負荷が変動すると出力も変動してしまい使い物にならない電源が出来上がってしまいますから、実際の回路では出力を安定させるための制御回路が加わってモード1から3を繰り返しながら動作します。
フォワードコンバータのメリット
今回は、フライバックコンバータと比べた時のメリットを紹介します。
まず、フライバックコンバータの構成回路図を示します。
フォワードコンバータと違って、2次側の巻線が1次側の巻線に対して逆極性になっています。
このように逆極性になっていると、スイッチ素子がONになった時には2次側には負荷電流が流れず、トランスにエネルギーが蓄積されます。
このエネルギーを蓄積する為にフライバックコンバータのトランスには以下の写真のようなコアとコアの間にギャップというコンマ数㎜程度の隙間が設けられます。
実はこのギャップというのは厄介なもので、ギャップを設けることによって漏れ磁束が増加して、巻線のインダクタンスに対して漏れインダクタンスというものの割合が高くなってしまいます。
これにより、スイッチ素子がOFFになったときのサージが増加して、その結果スイッチング損失の悪化、さらには電源全体の効率にまで影響が出てしまいます。
5V 数Aといった低電圧大電流出力の電源では影響が顕著になります。
しかし、フォワードコンバータではトランスでエネルギーの蓄積は行われないのでギャップを設ける必要がなく、必要があったとしてもインダクタンス調整ぐらいなので、フライバック型よりも低電圧大電流出力に対しては有利です。
また、エネルギーを蓄積しないのでトランスの大きさも小さくなり、例えばPC44PQ20/20といった小型なコアでも100W程度の電源を作ることができます。
実際、フライバックコンバータは200W級の容量までしかカバーできませんが、フォワードコンバータは500W級までカバーのできる優れた方式です。
製作したトランスについて
今回は、AC100V 50㎐/60㎐入力、5V 6A出力の電源を設計しました。
フォワードコンバータのトランスの巻線と電圧の関係は、
(2次巻線電圧)=(2次巻数/1次巻数)×(1次側入力電圧)
です。
なんやかんやあってトランスの1次側巻線·リセット巻線はそれぞれ32回、2次側巻線は4回、補助電源巻線は8回、平滑リアクトルは36μHと決まりました。
いつもトランスを巻くときに用いるポリウレタン銅線が在庫切れになってしまったので、人生で初めてホームセンターのエナメル線(ポリウレタン銅線)を購入しました(笑)
巻き途中です。
慣れていないのでとても絡みました。
平滑リアクトルです。
リッツ線の上から熱収縮チューブで絶縁処理をしたのでトランスの巻線用テープは使いませんでした。
実際の回路図
定数は適当(?)です。回路図にはないですが、100μFには15V程度のツェナーダイオードを並列させました。
趣味レベルなので、組んで動けばOKだと思います。
2次側のエラーアンプの位相補償は安定した応答をしてくれるタイプ3を用いています。
出力を変えて設計するとき、進み、遅れ位相補償のCRの値には気を付けて下さい。
実際に製作してみる
こんな感じになりました。
実際に5V 3Aで充電するスマートフォンも繋げてみましたが、きちんと動くようです。
TL494でフォワードコンバータを作りました pic.twitter.com/TcVw9UzO6I
— ENgelou (@EN_gelou) 2020年5月7日
ちなみに裏面はこんな感じです。
絶縁距離は、IECやULといった製品安全規格に準じて設けていますので、コンバータ部の設計をまともに行い、プリント基板に起こせば製品としての量産も可能になっています。
ラインフィルタについて
今回の記事では、ネットでよく見かける電源の記事では触れられていないラインフィルタについても触れていこうと思います。
ラインフィルタというのは、先ほどの回路図の主に赤線の部分の回路を指します。
ラインフィルタを設ける目的をざっくり説明すると、主回路から発生するノイズをACラインに出さないように、また他の機器からのノイズを主回路に侵入させないようにすることです。
ラインフィルタの性能が機器のパフォーマンスにも影響し、特に映像機器やオーディオ機器では画質や音質を大きく左右すると言われています。
ラインフィルタの自作例で特にオーディオ界隈が自作しているのネットで見かけますが、たまにその回路ではノイズがいまいち除去出来ないのではないかというものもあり、(そこまで詳しく記事にできませんが)正しい理解を広めるという名目で、今回、基本的なラインフィルタの構成回路や使用部品について簡単に示していきます。
ただ、今回はスイッチング電源向けなので、オーディオ界隈の方々は参考程度にご覧下さい。
ラインフィルタの構成回路
上の回路図が一般的に用いられるラインフィルタです。
C1はアクロス·ザ·ラインコンデンサと呼ばれるコンデンサです。主に、ノーマルモードノイズやディファレンシャルモードノイズを除去してくれます。
一般的に数十nFから数μFの範囲で設定され、耐圧がAC275VやAC300Vといったものが用いられます。安全規格を満たす印の押されたものを使用して下さい。
R1はC1の放電抵抗です。
これを付け忘れるとコンセントから抜いたときに、最悪このコンデンサの放電が終了しておらずプラグを手で触って感電してしまいます。
C2、C3はラインバイパスコンデンサと呼ばれるコンデンサです。主にコモンモードノイズを除去してくれます。
C4はコモンモードコンデンサと呼ばれ、主回路のコモンモードノイズを除去してくれます。
C2~C4は一般的に数百pFから数nFのコンデンサが用いられています。安全規格を満たしたものを絶対に使用して下さい。普通のコンデンサを用いると最悪漏れ電流により機器に触って感電します。
中国メーカーのスイッチング電源だと稀に普通のコンデンサが使われているので日本メーカーの電源を使いましょう。
L1はコモンモードコイルと呼ばれます。主にコモンモードノイズの除去を行います。
通常のコイルと異なるのが巻線の向きが同じだという所です。こうすることで、ACラインに流れる交流電流は双方で磁束を打ち消して交流電流に対してのインピーダンスがキャンセルされますが、同相で侵入するコモンモードノイズに対しては高インピーダンスとなり、結果ノイズを減衰させることができます。
ZNRはサージアブソーバで、ACラインに雷などによって高電圧サージが入ってしまっても主回路に流れるのを防ぐ、いわば門番のような存在です。
ヒューズはACラインのL(ライブ)側に来るように設けます。
ここで、コモンモードコイルとラインバイパスコンデンサの選定について注意する点があります。
大容量電源など、コモンモードノイズが多い場合、コモンモードコイルの大きさの関係でノイズをグラウンドに逃がすラインバイパスコンデンサの容量を増やしてしまうと、漏れ電流が増えてしまい危険です。
なので、コモンモードコイルを2個に増やしたりしている回路もあります。
また漏れ電流iは、
i=2π×(合計容量)×(電源電圧)×(電源周波数)
で導出できます。
実際の使用部品と入手
こちらはアクロス·ザ·ラインコンデンサです。
秋月電子で47nFと100nFが入手できます。
こちらはラインバイパスコンデンサです。
秋月電子で2,2nFが入手できます。
こちらはコモンモードコイルです。
秋月電子で左のものが入手できます。
余談ですが、先程紹介したアクロス·ザ·ラインコンデンサとラインバイパスコンデンサについて、それぞれ別名があります。
アクロス·ザ·ラインコンデンサはXコンデンサ、ラインバイパスコンデンサはYコンデンサという名前がついています。
ここからは個人的な考察ですが、Yコンデンサは回路図を書き換えると写真のようにYの字になるので名前の由来はここから来てるのかな~となんとか分かりますが、Xコンデンサは想像しにくいと思います。
回路図を無理やり曲げてみました。この結線の仕方はちょうどプリント基板などを作る際に通常このようにACラインとコンデンサとを繋ぐ時と似ています。そのときに誰かが基板を裏から覗いたらXに見えるからXコンデンサと名付けたのでは?と思いました。
最後に
最近、Twitterなどでスイッチング電源の自作をよく見かけるようになりましたが、スイッチング電源は高電圧を扱うので自作や既製品の改造は安易に行わないで下さい。万が一自作するときは、自分の体を最優先して、危ないと感じたらすぐに中止して下さい。
自分の体があってこそ工作ができるということを忘れないで欲しいです。
これは私からのお願いです。
また、今回製作した電源は、あくまでも電源好きな私の観賞用ですので、製品レベルの性能はありません。個人使用で実用するのであれば、安全規格に基づき設計するのをおすすめします。
ここまで読んで下さって、誠にありがとうございました。
良ければTwitter(@EN_gelou)の方でもよろしくお願い致します。
参考文献
DC/DCコンバータの基礎から応用まで (平地克也)
スイッチング電源設計の勘どころ (佐藤守男)
他 自分の経験と勘
パノラマカーミュージックホーン
こんにちは、ノグエレです。
大学も決まって一段落しました。
あと、何時だか応募したパワエレ動画コンテストで最優秀賞を頂きました!
パワエレネタではないですが、思い付いた回路があったのでブログにしようと思います。
(画像は名鉄のホームページから引用)
愛知の皆さん大好きなパノラマカー
「どけよどけよころすぞ~」
と歌詞がつけられるほど有名です。
登場時の1961年では新型電子部品のトランジスタが各企業で量産が始まっていましたが、まだ真空管も負けずに使われていた頃で、名鉄も何かパノラマカーに新技術を取り入れたいと考えていたのでしょうか、オールトランジスタ回路のミュージックホーンがここに生まれました。
そんなミュージックホーンですが、電子工作界隈では作品例今までありそうでなかったので実際に(即興で適当に)考えてブレッドボードに組んでみました。
右からスピーカー、メロディ回路、音階制御回路、自作スイッチング電源です。
音階制御回路は実際のホーンと同じようにする2倍の面積のブレッドボートが必要なので今回は半コーラス分の回路だけ組みました。
ロジックICはきちんと組めば誤作動なく動いてくれますがメロディ回路はそうはいきません。
音程やミュージックホーンの質感の調節に2時間半費やしました。
メロディはE、C#、Aの3音で構成されており、NE555の発振周波数はそれぞれ329Hz、554Hz、440Hzにします。
スピーカーに直結しているトランジスタのB-E間には0.1μFのコンデンサがついていますが、これは音をなまらせる働きがあり、この値にすることでより実車の音に近づけています。
実際の回路図です。
ごく普通の回路?です。
今回はスピーカーにインピーダンスが40Ωのものを使用しましたが、8Ω系を使う場合、マッチングトランスが必要です。山水のST-32がベストでしょう。
↓半コーラスの動画
https://twitter.com/EN_gelou/status/1240203451247652864?s=20
↓独特な電笛も再現!
https://twitter.com/EN_gelou/status/1240207436536938496?s=20
↓回路図です
https://twitter.com/EN_gelou/status/1240220379706085376?s=20
電笛は、3音同時に鳴らすだけでいい感じになります。
ブレッドボートから基板に作り替えてもいいですが、そこまでの気力がないので今回はここで終わりにします。
実車の回路はオールトランジスタ式なので私のものとは異なりますが、ミュージックホーンだけでなく電笛も再現できたので、構成的には同じものが作れたのかなと思ってます。
メロディ回路の周波数を決めるCRは経年劣化で値が微妙に変化するので、実車が音痴になっているのも少し分かる気がします。
追記:(令和2年3月21日)
フルコーラス基板を作りました。
↓ちゃんと鳴ります。
https://twitter.com/EN_gelou/status/1241303665400373251?s=19
回路はこのようになりましたが、基本先程の回路と同じです。
オシログラフは右から(32→1)読んでください。
初め向きを逆にしていました。
以下写真
配線がものすごく大変でしたが、楽しかったです。
基板を組んでちゃんと動くって素晴らしいですね。
ここまで読んでくださって誠にありがとうございました。