電源

電源は、機能的な特徴など、さまざまな方法で分類されます。たとえば、安定化電源とは、負荷電流や入力電圧の変動に関わらず、出力電圧または電流を一定に保つ電源です。逆に、非安定化電源の出力は、入力電圧や負荷電流が変化すると大きく変化する可能性があります。調整可能な電源では、出力電圧または電流を機械的な制御（電源前面パネルのノブなど）または制御入力、あるいはその両方によってプログラムできます。調整可能な安定化電源とは、調整可能かつ安定化されている電源です。絶縁型電源は、電源出力が電源入力から電​​気的に独立しています。これは、電源入力と出力が共通の接続を共有する他の電源とは対照的です。

電源装置はさまざまなパッケージで提供され、それに応じて分類されます。ベンチ電源は、回路テス​​トや開発などの用途で使用されるスタンドアロンのデスクトップユニットです。オープンフレーム電源は、機械的な筐体が部分的で、場合によっては取り付けベースのみで構成されており、通常は機械やその他の機器に組み込まれています。ラックマウント電源は、標準的な電子機器ラックに固定するように設計されています。統合電源は、負荷と共通のプリント基板を共有するものです。外部電源、ACアダプタ、または電源ブリックは、壁のコンセントに差し込む負荷のAC電源コード内にある電源です。ウォールワートは、コンセントプラグ自体に統合された外部電源です。これらは安全性のため、民生用電子機器で人気があります。危険な120ボルトまたは240ボルトの主電源電流は、機器本体に入る前に、より安全な電圧に変換されます。

電源は大きく線形型とスイッチング型に分類できます。線形型電力変換器は入力電力を直接処理し、すべての能動電力変換部品は線形動作領域で動作します。スイッチング型電力変換器では、入力電力は処理前に交流または直流パルスに変換されます。この変換は、主に非線形モードで動作する部品（例えば、ほとんどの時間をカットオフ状態または飽和状態で過ごすトランジスタ）によって行われます。部品が線形領域で動作しているとき、電力は「損失」（熱に変換）されるため、スイッチング型変換器は部品が線形動作領域で過ごす時間が短いため、通常は線形型変換器よりも効率が高くなります。

電源装置は、用途に応じて分類される場合があり、例えば「グリッドバイアス用AC-DCフロントエンド」や「負荷点（POL）レギュレーション用DC-DCコンバータ」などが挙げられる。

AC-DC電源は、AC入力電圧で動作し、DC出力電圧を生成します。アプリケーションの要件に応じて、出力電圧には、AC入力電圧の周波数と電源の動作によって影響を受ける、リップル電圧と呼ばれるAC周波数成分が様々な量含まれる場合があります。DC入力電圧で動作するDC電源は、 DC-DCコンバータと呼ばれます。このセクションでは、主にAC-DCコンバータについて説明します。

リニア電源

リニア電源では、交流入力電圧はまず電源トランスを通過し、整流とフィルタリングを経て直流電圧に変換されます。フィルタリングは、整流器出力に含まれる交流電源周波数成分を最小限に抑えます。フィルタリングは、単一のコンデンサのような単純なものから、π型フィルタのような複雑なものまで様々です。電源に必要なフィルタリングのレベルは、電気負荷のリプル許容度によって異なります。用途によっては、リプルを完全に無視できる場合もあります。例えば、特定のバッテリー充電用途では、電源はトランスとダイオードのみで構成され、出力側に充電電流を制限するための抵抗が接続される場合があります。

交流電源は通常、壁のコンセント（主電源）から電圧を受け取り、変圧器を使用して電圧を目的の電圧に昇圧または降圧します。フィルタリングも行われる場合があります。場合によっては、電源電圧と出力電圧が同じです。これは絶縁変圧器と呼ばれます。他の交流電源変圧器は主電源の絶縁を提供しません。これらはオートトランスと呼ばれます。可変出力オートトランスはバリスタックとして知られています。他の種類の交流電源は、ほぼ一定の電流を供給するように設計されており、出力電圧は負荷のインピーダンスに応じて変化する場合があります。電源が直流の場合（自動車の蓄電池など）、インバータと昇圧変圧器を使用して交流電力に変換できます。ポータブル交流電力は、ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンで駆動されるオルタネータによって供給される場合があります（たとえば、建設現場、自動車またはボート、または緊急サービスのバックアップ電源生成など）。その電流はレギュレータ回路に送られ、出力で一定の電圧を提供します。一部の種類の交流電力変換では、変圧器は使用されません。出力電圧と入力電圧が同じで、その装置の主な目的が交流電力のフィルタリングである場合、それはラインコンディショナーと呼ばれることがあります。バックアップ電源を提供するように設計された装置であれば、それは無停電電源装置と呼ばれることがあります。交流電力を直接昇圧するために、電圧逓倍回路を設計することもできます。かつては、このような用途として真空管式AC/DC受信機がありました。

現代の用途では、交流電源は単相システムと三相システムに分けられます。交流電源は電圧だけでなく周波数も変更できるため、メーカーが自社製品の他国での使用に適しているかどうかを確認するためによく使用されます。例えば、230V 50Hz  、115V  60Hz、あるいは 航空電子機器のテスト用に400Hzなどです。

ACアダプター

ACアダプターは、 AC電源プラグに組み込まれた電源装置です。ACアダプターは、「プラグパック」や「プラグインアダプター」などの別名、あるいは「ウォールワート」などの俗称でも知られています。ACアダプターは通常、ACまたはDCの単一出力を持ち、それがケーブルを介してコネクタに伝送されますが、複数の出力を持つアダプターもあり、それらは1本または複数のケーブルを介して伝送される場合があります。「ユニバーサル」ACアダプターは、さまざまなAC電源電圧に対応できるよう、入力コネクタを交換できます。

AC出力のアダプタは、受動トランスのみで構成されている場合があります。DC出力のアダプタは、少数のダイオードとコンデンサを備えたトランスで構成されている場合もあれば、スイッチング電源回路を採用している場合もあります。ACアダプタは、負荷に接続されていないときでも電力を消費し（電界と磁界を発生させます）、そのため「電力の吸血鬼」と呼ばれることもあり、電源タップに接続することで簡単にオン/オフを切り替えることができます。

プログラマブル電源（PPS）とは、アナログ入力またはRS-232やGPIBなどのデジタルインターフェースを介して動作を遠隔制御できる電源のことです。制御可能な特性には、電圧、電流、そして交流出力電源の場合は周波数が含まれます。これらは、自動機器テスト、結晶成長モニタリング、半導体製造、X線発生装置など、幅広い用途で使用されています。

プログラマブル電源は通常、電源動作の制御と監視を行うために内蔵マイクロコンピュータを採用しています。コンピュータインターフェースを備えた電源は、独自の通信プロトコル、またはSCPIなどの標準プロトコルやデバイス制御言語を使用する場合があります。

より最近の実装では、TCP/IPまたはUDPを使用したイーサネットインターフェイス、あるいは独自のプロトコルを伝送する小型フォームファクタプラガブル（SFP）リンクも提供され、決定論的で高スループットの制御と監視を実現しています。イーサネットは現在最も普及しているソリューションであり、コスト効率が良く、自動テストベンチとの統合も容易です。^{[ 3 ]}

無停電電源装置（UPS）は、2つ以上の電源から同時に電力を供給します。通常は交流主電源から直接給電され、同時に蓄電池を充電します。主電源が途切れたり故障したりした場合、バッテリーが十分速やかに電源を引き継ぐため、負荷は中断されません。この定義は、高速データ伝送や通信サービスにおいてサービスの継続性が不可欠であるため重要です。一部のメーカーは4ミリ秒を準標準としていますが、高速データの場合、1つの電源から別の電源への切り替えに4ミリ秒の時間では十分ではありません。切り替えは、ブレーク・ビフォア・メイク方式で行う必要があります。この要件を満たすUPSは、真のUPSまたはハイブリッドUPSと呼ばれます。UPSが供給できる時間は、多くの場合、バッテリーと発電機の組み合わせによって決まります。その時間は、5分から15分、数時間、あるいは数日に及ぶこともあります。多くのコンピュータ設備では、オペレーターがシステムを秩序正しくシャットダウンするのに十分な時間だけバッテリーで稼働すれば十分です。他のUPS方式では、電力会社の停電時に内燃機関やタービンを使用して電力を供給する場合があり、その場合のバッテリー駆動時間は、発電機が稼働するまでの時間や、電力供給を受ける機器の重要度によって決まります。このような方式は、病院、データセンター、コールセンター、携帯電話基地局、電話交換局などで採用されています。

高電圧電源とは、数百ボルトまたは数千ボルトを出力する電源のことです。アーク放電、絶縁破壊、および人体への偶発的な接触を防ぐために、特殊な出力コネクタが使用されます。連邦規格コネクタは通常、20 kVを超える用途で使用されますが、他のタイプのコネクタ（SHVコネクタなど）はより低い電圧で使用される場合があります。一部の高電圧電源には、出力電圧を制御するために使用できるアナログ入力またはデジタル通信インターフェースが備わっています。高電圧電源は、X線発生装置、電子顕微鏡、集束イオンビームカラムなどの装置で電子ビームやイオンビームを加速および操作するために一般的に使用され、電気泳動や静電気などの他のさまざまな用途でも使用されます。

高電圧電源は通常、入力エネルギーの大部分をパワーインバータに供給し、パワーインバータは電圧逓倍器、高巻数比の高電圧トランス、またはその両方（通常はトランスの後に逓倍器）を駆動して高電圧を生成します。高電圧は専用コネクタを通して電源から出力され、低電圧回路に対応した低電圧計測信号に変換される分圧器にも供給されます。この計測信号は、インバータの入力電力を制御することで高電圧を調整する閉ループコントローラで使用され、外部回路が高電圧出力を監視できるように電源から出力される場合もあります。

バイポーラ電源は、電圧/電流直交座標平面の4象限すべてで動作し、レギュレーションを維持するために必要な正負の電圧と電流を生成します。^{[ 4 ]}出力が低レベルのアナログ信号によって制御される場合、高出力電力とシームレスなゼロクロスを備えた低帯域幅演算増幅器として機能します。このタイプの電源は、科学用途の磁気デバイスに電力を供給するためによく使用されます。

過負荷時に電源を遮断するのではなく、電流制限を用いる電源装置もあります。電流制限には、電子式制限とインピーダンス式制限の2種類があります。前者は実験用電源装置でよく用いられ、後者は出力3ワット未満の電源装置でよく用いられます。

フォールドバック電流リミッタは、出力電流を最大非故障電流よりもはるかに小さい値に低減します。

現代のコンピュータ用電源は、主電源からの交流電力を複数の直流電圧に変換するスイッチング電源です。スイッチング電源は、コスト、重量、効率、サイズの改善により、リニア電源に取って代わりました。多様な出力電圧は、それぞれ異なる電流要件を必要とします。

電気自動車とは、発電によって生み出されたエネルギーを利用する自動車のことである。電源ユニットは、高電圧の車両用バッテリー電力を変換するために必要な設計の一部である。

アーク溶接は、電気を使って金属を溶融させて接合する溶接方法です。電気は溶接電源装置から供給され、交流（AC）または直流（DC）のいずれかです。アーク溶接には通常100～350アンペアの大電流が必要です。溶接の種類によっては10アンペア程度の電流で済む場合もありますが、スポット溶接の中には、極めて短時間で60,000アンペアもの大電流を用いるものもあります。溶接電源装置は、変圧器や発電機を駆動するエンジンで構成されていましたが、現代の溶接装置は半導体を使用し、マイクロプロセッサ制御を採用しているものもあります。

商用および軍用航空電子機器システムはいずれも、エネルギーを使用可能な電圧に変換するために、DC-DC電源またはAC/DC電源を必要とする。これらの電源は、軽量化のために400Hzで動作する場合が多い。

これには、コンベア、組立ライン、バーコードリーダー、カメラ、モーター、ポンプ、半製品製造などが含まれます。

これらには、人工呼吸器、輸液ポンプ、外科用および歯科用器具、画像診断装置、ベッドなどが含まれる。