AC/DC電源について理解する

寄稿文

Tweet this article

Share this article

Share this article

役立つ情報を毎月お届けします

購読する

プライバシーを尊重します

入力と出力の電力は、交流 (AC) または直流 (DC) のいずれかです。

• 直流 (DC) は、電流が一定方向に流れるときに発生します。それは通常、バッテリ、太陽電池、またはAC/DCコンバータから来ます。DCは、電子機器に適したタイプの電源です。
• 交流 (AC) は、電流が周期的に方向を反転させるときに発生します。ACは、送電線を介して家庭や企業に電力を供給するために使用される方法です。

したがって、ACが家に供給される電力の種類であり、DCが電話の充電に必要な電力の種類である場合、電力網から入ってくるAC電圧を携帯電話のバッテリを充電するために必要なDC電圧に変換するためにAC/DC電源が必要になります。

交流 (AC) を理解する

電源設計の最初のステップは、入力電流を決定することです。そして、ほとんどの場合、電力網の入力電圧源はACです。

交流の典型的な波形は正弦波です (図1を参照) 。 .`

図1: AC波形と基本パラメータ

AC電源を使用する場合は、考慮しなければならないいくつかの指標があります。

• ピーク電圧 / 電流: 波が到達できる振幅の最大値
• 周波数: ウェーブが1秒間に完了するサイクル数。1つのサイクルを完了するのにかかる時間は期間と呼ばれます。
• 平均電圧 / 電流: 電圧が1サイクル中に取るすべてのポイントの平均値。DC電圧が重畳されていない純粋なAC波では、正と負の半分が互いに打ち消し合うため、この値はゼロになります。
• 二乗平均平方根電圧 / 電流: これは、瞬時電圧の2乗の1サイクルにわたる平均の平方根として定義されます。純粋なAC正弦波では、その値は式 (1) で計算できます。 Equation (1):
$$V_{PEAK} \over \sqrt 2 $$
• これは、同じ加熱効果を生み出すために必要な等価DC電力として定義することもできます。複雑な定義にもかかわらず、AC電圧または電流の実効値を見つけることができるため、電気工学で広く使用されています。このため、それは時々V_ACのように表現されます。
• 段階: 2つの波の間の角度差。正弦波の完全なサイクルは360°に分割され、0°から始まり、90° (正のピーク) と270° (負のピーク) にピークがあり、180°と360°の2回開始点を通過します。2つの波が一緒にプロットされ、一方の波がもう一方の波が負のピークに達すると同時に正のピークに達する場合、最初の波は90°になり、2番目の波は270°になります。これは、位相差が180°であることを意味します。これらの波は、それらの値が常に反対の符号を持つため、逆位相であると見なされます。位相差が0°の場合、2つの波は同相であると言えます。

交流 (AC) は、発電施設からエンドユーザーに電力が伝達される方法です。輸送過程で電気を数回変換する必要があるため、電力輸送に使用されます。

発電機は約40,000V、または40kVの電圧を生成します。次に、この電圧を150kV～800kVの範囲に上げて、長距離に電流を流す際の電力損失を減らします。宛先エリアに到達すると、電圧は4kV～35kVに降圧されます。最後に、電流が個々のユーザーに到達する前に、場所に応じて120Vまたは240Vに減少します。

リニア変圧器は電圧変動に依存して電気エネルギーを転送および変換するため、これらの電圧の変化はすべて、直流 (DC) を使用する場合は複雑であるか、非常に非効率的であり、交流 (AC) でのみ機能します。

リニア vs. スイッチングAC/DC電源

リニアAC/DC電源

リニアAC/DC電源はシンプルなデザインです。

トランスを使用することにより、交流 (AC) 入力電圧が目的のアプリケーションにより適した値に低減されます。次に、減少したAC電圧が整流され、直流 (DC) 電圧に変換されます。これは、波形品質をさらに向上させるためにフィルタリングされます (図2) 。

図2: リニアAC/DC電源のブロック図

従来のリニアAC/DC電源設計は、効率、電力範囲、およびサイズの点で改善され、長年にわたって進化してきましたが、この設計には、統合を制限するいくつかの重大な欠陥があります。

リニアAC/DC電源の大きな制限は、トランスのサイズです。入力電圧は入力で変換されるため、必要なトランスは非常に大きく、したがって非常に重い必要があります。

低周波数 (たとえば50Hz) では、一次コイルから二次コイルに大量の電力を転送するために大きなインダクタンス値が必要です。これには大きなトランスコアが必要であり、これらの電源の小型化は事実上不可能です。

リニアAC/DC電源のもう1つの制限は、高電力電圧レギュレーションです。

リニアAC/DC電源は、リニアレギュレータを使用して出力の電圧を一定に保ちます。これらのリニアレギュレータは、余分なエネルギーを熱の形で放散します。低電力の場合、それほど問題にはなりません。ただし、高電力の場合、一定の出力電圧を維持するためにレギュレータが放散しなければならない熱は非常に高く、非常に大きなヒートシンクを追加する必要があります。

AC/DC電源の切り替え

変圧器のサイズや電圧調整など、線形または従来のAC/DC電源の設計に関連する問題の多くを解決するために新しい設計手法が開発されました。

半導体技術の進化のおかげで、特に大きな電圧と電流が存在する場合でも非常に迅速かつ効率的にオンとオフを切り替えることができる高出力MOSFETトランジスタの発明のおかげで、現在スイッチング電源が可能になりました。

AC/DC電源の切り替えにより、余分な電力を消費しない、より効率的な電力変換器を作成できます。

スイッチング電源コンバータを使用して設計されたAC/DC電源は、スイッチモード電源と呼ばれます。AC/DCスイッチモード電源装置には、AC電源をDCに変換するための少し複雑な方法があります。

AC電源への切り替えの際、入力電圧は低下しなくなりました。むしろ、入力で修正およびフィルタリングされます。次に、DC電圧はチョッパーを通過し、チョッパーが電圧を高周波パルス列に変換します。最後に、波は別の整流器とフィルターを通過し、直流 (DC) に変換して戻し、出力に到達する前に存在する可能性のある残りの交流 (AC) 成分を排除します (図3を参照) 。

高周波で動作する場合、トランスのインダクタは飽和に達することなくより多くの電力を転送できます。つまり、コアはどんどん小さくなります。したがって、電圧振幅を意図した値に低減するためにAC/DC電源を切り替える際に使用される変圧器は、リニアAC/DC電源に必要な変圧器のサイズの何分の1かである可能性があります。

図3: スイッチモードAC/DC電源のブロック図

予想されるように、この新しい設計方法にはいくつかの欠点があります。

AC/DC電力変換器でスイッチングをすると、システムに大量のノイズが発生する可能性があります。このノイズは、出力に存在しないように処理する必要があります。これにより、より複雑な制御回路が必要になり、設計が複雑になります。それでも、これらのフィルターは簡単に集積できるコンポーネントで構成されているため、電源のサイズに大きな影響を与えることはありません。

変圧器の小型化とAC/DC電源の切り替えにおける電圧レギュレーターの効率の向上により、手のひらに収まる電力変換器を使用して、220V￢RMSのAC電圧を5VのDC電圧に変換できるようになりました。

表1は、リニア電源とスイッチングAC/DC電源の違いをまとめたものです。

表1: リニア対スイッチング電源

単相 vs. 対三相電源

交流 (AC) 電源は、単相または三相のいずれかになります。

• 三相電源は、ラインと呼ばれる3つの導体で構成され、それぞれが同じ周波数と電圧振幅の交流 (AC) を流しますが、相対位相差は120°、つまりサイクルの3分の1です (図4を参照) 。これらのシステムは、大量の電力を供給するのに最も効率的であるため、発電施設から世界中の家庭や企業に電力を供給するために使用されます。
• 単相電源は、負荷をライン間で均等に分散するために、個々の家庭やオフィスに電流を供給するための好ましい方法です。この場合、電流は電力線から負荷を通って流れ、次に中性線を通って戻ります。これは、大規模な工業用または商業用の建物を除いて、ほとんどの設備で見られるタイプの供給です。単相システムは、負荷に多くの電力を転送できず、停電が発生しやすくなりますが、単相電力を使用すると、はるかに単純なネットワークやデバイスを使用することもできます。

図4: 三相電源AC波形

三相電源を介した電力伝送には、デルタ $(\Delta)$構成とY (Y) 構成の2つの構成があり、それぞれ三角形および星形構成とも呼ばれます。

これら2つの構成の主な違いは、中性線を追加できることです (図5を参照) 。

デルタ接続はより高い信頼性を提供しますが、Y接続は2つの異なる電圧を供給することができます。家庭に供給される単相電圧である相電圧と、より大きな負荷に電力を供給するための線間電圧です。Y構成での相電圧 (または相電流) と線間電圧 (または線間電流) の関係は、線間電圧 (または電流) の振幅が相の大きさの√3倍であるということです。

標準の配電システムは、三相システムと単相システムの両方に電力を供給する必要があるため、ほとんどの配電ネットワークには3つのラインとニュートラルがあります。このようにして、家庭と産業機械の両方に同じ送電線で供給することができます。したがって、Y構成は配電に最も一般的に使用されますが、デルタ構成は通常、大型電気モータなどの三相負荷に電力を供給するために使用されます。

図5: Yおよびデルタ三相構成

電力網がユーザーに単相電力を供給する電圧には、地理的な場所に応じてさまざまな値があります。そのため、購入または使用する前に電源の入力電圧範囲をチェックして、国の電力網で機能するように設計されていることを確認することが非常に重要です。そうしないと、電源装置またはそれに接続されているデバイスが損傷する可能性があります。

表2は、世界中のさまざまな地域のグリッド電圧を比較しています。

*日本は19世紀後半の電化の起源のため、ナショナルグリッドに2つの周波数があります。西部の都市大阪では、電力会社は米国から60Hzの発電機を購入しましたが、日本の東にある東京では、50Hzのドイツの発電機を購入しました。双方が周波数を変えなかったため、今日まで日本はまだ2つの周波数が存在しています: 東は50Hz、西は60Hz。

前述のように、三相電力は輸送だけでなく、電気モータや大型バッテリの充電などの大きな負荷への電力供給にも使用されます。これは、三相システムで電力を並列に印加すると、3相が重なるため、より多くのエネルギーを負荷に伝達でき、より均等に伝達できるためです (図6を参照) 。

図6: 単相 (左) および三相 (右) システムでの送電

たとえば、電気自動車 (EV) を充電する場合、バッテリに転送できる電力量によって、給電速度が決まります。

単相チャージャは、交流 (AC) メインに接続され、車の内部AC/DC電力コンバータ (オンボード充電器とも呼ばれます) によって直流 (DC) に変換されます。これらのチャージャは、グリッドとACソケットによって電力が制限されています。

制限は国によって異なりますが、通常、32Aソケットの場合は7kW未満です (EUでは、220 x 32A = 7kW) 。一方、三相電源は外部でACからDCに電力を変換し、120kW以上をバッテリに転送できるため、超高速充電が可能です。

まとめ

AC/DC電源はいたるところにあります。AC/DC電源の主な仕事は、交流 (AC) を安定した直流 (DC) 電圧に変換することです。これは、さまざまな電気機器に電力を供給するために使用できます。

交流は、発電機からエンドユーザーまで、電力網全体に電力を輸送するために使用されます。交流 (AC) 回路は、単相または三相システムとして構成できます。単相システムはよりシンプルで、家全体に電力を供給するのに十分な電力を供給できますが、三相システムはより安定した方法ではるかに多くの電力を供給することができるため、産業用アプリケーションに電力を供給するために頻繁に使用されます。

現在の市場では、広範囲の負荷にわたって効率を維持できる高出力で非常に効率的な極小の電源が求められているため、効率的なAC/DC電源の設計は簡単な作業ではありません。

AC/DC電源の設計方法は時間とともに変化しています。リニアAC/DC電源は、低周波数で動作し、余分なエネルギーを熱の形で放散することによって出力温度を調整するため、サイズと効率に制限があります。対照的に、スイッチング電源は、スイッチングレギュレータを使用してACをDC電力に変換するため、非常に人気があります。スイッチング電源は、以前の設計よりも高い周波数で動作し、電力をはるかに効率的に変換します。これにより、手のひらサイズの高電力AC/DC電源の作成が可能になりました。

_________________________

興味のある内容でしたか? お役に立つ情報をメールでお届けします。今すぐ登録を！

Related Articles

What They Don’t Teach about Synchronous Rectifiers in School ? Selected Topics from Real Designs