電源

電源装置は、電気負荷に電力を供給する電気装置です。電源装置の主な目的は、電源からの電流を適切な電圧、電流、周波数に変換し、負荷に電力を供給することです。そのため、電源装置は電力変換器と呼ばれることもあります。電源装置には独立した機器もあれば、電力を供給する負荷機器に組み込まれているものもあります。後者の例には、デスクトップ コンピュータや民生用電子機器に搭載されている電源装置があります。電源装置が実行するその他の機能には、負荷によって消費される電流を安全なレベルに制限すること、電気的障害の発生時に電流を遮断すること、入力の電子ノイズや電圧サージが負荷に到達するのを防ぐ電力調整、力率補正、電源電源が一時的に中断した場合でも負荷に電力を供給し続けられるようにエネルギーを蓄えること (無停電電源装置) などがあります。

すべての電源装置には、電流の形でエネルギーをソースから受け取る電源入力接続と、負荷に電流を供給する1 つ以上の電源出力または電源レール接続があります。 ソース電力は、電気コンセント、バッテリーや燃料電池などのエネルギー貯蔵装置、発電機やオルタネーター、太陽光発電コンバータ、または別の電源などの電力網から供給されます。 入力と出力は通常は有線回路接続ですが、一部の電源装置はワイヤレスエネルギー転送を使用して有線接続なしで負荷に電力を供給します。 一部の電源装置には、外部監視や制御などの機能のために、他のタイプの入力と出力もあります。

電源は、機能的特徴など、さまざまな方法で分類されます。たとえば、安定化電源は、負荷電流または入力電圧の変動にかかわらず、一定の出力電圧または電流を維持する電源です。逆に、非安定化電源の出力は、入力電圧または負荷電流が変化すると大幅に変化する可能性があります。調整可能な電源では、機械的なコントロール (電源のフロント パネルのノブなど)、または制御入力、またはその両方によって出力電圧または電流をプログラムできます。調整可能な安定化電源は、調整可能かつ安定化された電源です。絶縁型電源は、電源入力から電​​気的に独立した電源出力を備えています。これは、電源入力と出力の間で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方法でパッケージ化されており、それに応じて分類されます。ベンチ電源装置は、回路テス​​トや開発などのアプリケーション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装置は、部分的な機械的エンクロージャのみを備え、取り付けベースのみで構成される場合もあります。これらは通常、機械またはその他の装置に組み込まれています。ラックマウント電源装置は、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。統合型電源装置は、負荷と共通のプリント基板を共有する電源です。外部電源装置、AC アダプタ、または電源ブリックは、負荷の AC 電源コードに挿入され、壁のコンセントに差し込む電源です。ウォールウォートは、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 ボルトの主電流は、機器本体に入る前に安全な電圧に変換されます。

電源装置は、リニア型とスイッチング型に大別できます。リニア電力コンバータは入力電力を直接処理し、すべてのアクティブな電力変換コンポーネントはリニア動作領域で動作します。スイッチング電力コンバータでは、入力電力は主に非リニア モードで動作するコンポーネント (たとえば、ほとんどの時間をカットオフまたは飽和で過ごすトランジスタ) によって処理される前に AC または DC パルスに変換されます。コンポーネントがリニア領域で動作しているときに電力が「失われる」(熱に変換される) ため、スイッチング コンバータは通常、コンポーネントがリニア動作領域で過ごす時間が短いため、リニア コンバータよりも効率的です。

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 入力電圧周波数と電源の動作に関連するリップル電圧と呼ばれる AC 周波数成分が大量に含まれる場合もあれば、ごく少量含まれる場合もあります。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 型に焦点を当てます。

リニア電源では、AC 入力電圧は電源トランスを通過し、整流およびフィルタリングされて DC 電圧が得られます。フィルタリングは、整流器の出力に存在する AC 主電源周波数の振幅を低減します。フィルタリングは、単一のコンデンサのように単純なものから、π フィルタのように複雑なものまであります。電気負荷のリップル許容範囲によって、電源が提供する必要のあるフィルタリングの最小量が決まります。アプリケーションによっては、リップルを完全に無視できる場合もあります。たとえば、一部のバッテリ充電アプリケーションでは、電源はトランスとダイオードのみで構成され、充電電流を制限するために電源出力に単純な抵抗器が配置されています。

スイッチング電源(SMPS)では、AC 主電源入力が直接整流され、その後フィルタリングされて DC 電圧が得られます。得られた DC 電圧は、電子スイッチング回路によって高周波でオン/オフされ、高周波トランスまたはインダクタを通過する AC 電流が生成されます。スイッチングは非常に高い周波数 (通常 10 kHz ～ 1 MHz) で行われるため、主電源周波数で動作するリニア電源に見られるものよりもはるかに小型、軽量、安価なトランスやフィルタ コンデンサを使用できます。インダクタまたはトランスの二次側では、高周波 AC が整流され、フィルタリングされて DC 出力電圧が生成されます。SMPS で適切に絶縁された高周波トランスが使用されている場合、出力は主電源から電気的に絶縁されます。この機能は多くの場合、安全のために不可欠です。

スイッチング電源は通常は安定化されており、出力電圧を一定に保つために、負荷によって消費される電流を監視するフィードバック コントローラが採用されています。スイッチングデューティ サイクルは、電力出力要件が増加すると増加します。

SMPS には、デバイスとユーザーを危害から保護するために、電流制限やクローバー回路などの安全機能が搭載されていることがよくあります。 ^[1]異常な高電流電力消費が検出された場合、スイッチング電源はこれを直接のショートと見なし、損傷が発生する前に自動的にシャットダウンします。PC 電源は、マザーボードに電源正常信号を提供することがよくあります。この信号がないと、異常な電源電圧が存在するときに動作が停止します。

一部のSMPSには、最小電流出力に絶対的な制限があります。^[2]これらは、特定の電力レベルを超える出力しかできず、そのレベル以下では機能しません。無負荷状態では、電力スライス回路の周波数が急速に増加し、絶縁トランスがテスラコイルとして動作し、結果として生じる非常に高い電圧の電力スパイクによって損傷が発生します。保護回路を備えたスイッチング電源は、負荷が検出されないと、一時的にオンになりますが、その後シャットダウンします。セラミック電力抵抗器や10ワットの電球などの非常に小さな低電力ダミー負荷を電源に接続して、一次負荷を接続せずに動作させることができます。

コンピュータで使用されるスイッチング電源は、歴史的に力率が低く、また、ライン干渉の大きな原因でもありました (誘導された電力ライン高調波と過渡現象による)。単純なスイッチング電源では、入力段でライン電圧波形が歪む可能性があり、これが他の負荷に悪影響を与え (他の電力会社の顧客の電力品質が低下し)、配線や配電設備に不要な加熱を引き起こします。さらに、力率の低い負荷を操作すると、顧客はより高い電気料金を負担することになります。これらの問題を回避するために、一部のコンピュータ スイッチング電源では力率補正を実行し、ライン干渉を減らすために入力フィルタや追加のスイッチング段を採用する場合があります。

容量性電源（トランスレス電源）は、コンデンサのリアクタンスを利用して主電源電圧を低い AC 電圧に下げます。通常、下げられた AC 電圧は整流、フィルタリング、調整されて、一定の DC 出力電圧が生成されます。

出力電圧は主電源から絶縁されていません。したがって、人や機器が危険な高電圧にさらされないようにするには、電源に接続されているものはすべて確実に絶縁する必要があります。

電圧低減コンデンサは、主電源の全電圧に耐える必要があり、定格出力電圧で最大負荷電流をサポートするのに十分な容量も必要です。これらの制約により、このタイプの電源の実際の使用は低電力アプリケーションに限定されます。

リニア電圧レギュレータの機能は、変動する DC 電圧を一定の、多くの場合は特定の低い DC 電圧に変換することです。さらに、電源と負荷を過電流 (過剰で破壊的な可能性のある電流)から保護するために、電流制限機能を備えている場合がよくあります。

多くの電源アプリケーションでは一定の出力電圧が必要ですが、多くのエネルギー源から供給される電圧は負荷インピーダンスの変化に応じて変化します。さらに、非安定化 DC 電源がエネルギー源である場合、その出力電圧も入力電圧の変化に応じて変化します。これを回避するために、一部の電源では、入力電圧と負荷インピーダンスの変動に関係なく、出力電圧を一定値に維持するためにリニア電圧レギュレータを使用しています。リニア レギュレータは、出力電圧のリップルとノイズの大きさも低減できます。

AC 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ます。場合によっては、電源電圧が出力電圧と同じであり、これを絶縁変圧器と呼びます。他の AC 電源変圧器は主電源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アクとして知られています。他の種類の AC 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 AC 電力に変換できます。ポータブル AC 電源は、ディーゼル エンジンまたはガソリン エンジンで駆動するオルタネーター(たとえば、建設現場、自動車やボート、緊急サービス用のバックアップ電源) によって提供される場合があります。オルタネーターの電流はレギュレータ回路に渡され、出力で一定の電圧が供給されます。一部の種類の AC 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、デバイスの主な目的が AC 電源のフィルタリングである場合、ライン コンディショナーと呼ばれることがあります。デバイスがバックアップ電源を提供するように設計されている場合、無停電電源装置と呼ばれることがあります。回路は、電圧乗算器トポロジを使用して設計され、AC 電源を直接昇圧する場合があります。以前は、このようなアプリケーションは真空管AC/DC レシーバーでした。

現代の使用では、AC 電源は単相システムと三相システムに分けられます。AC 電源は電圧だけでなく周波数も変更できるため、メーカーは自社製品が他国での使用に適しているかどうかをチェックするためによく使用します。航空電子機器のテストには 230 V 50 Hz または 115 60 Hz、さらには 400 Hz も使用できます。

AC アダプタは、 AC 主電源プラグに組み込まれた電源です。AC アダプタは、「プラグ パック」や「プラグイン アダプタ」などのさまざまな名前、または「ウォール ウォート」などの俗語でも知られています。AC アダプタには通常、有線ケーブルを介してコネクタに伝送される単一の AC または DC 出力がありますが、アダプタによっては、1 つ以上のケーブルを介して伝送される複数の出力を持つものもあります。「ユニバーサル」AC アダプタには、さまざまな AC 主電源電圧に対応するために交換可能な入力コネクタがあります。

AC 出力のアダプタは、受動変圧器のみで構成されている場合があります。DC 出力の場合、アダプタは、ダイオードとコンデンサをいくつか備えた変圧器で構成されるか、スイッチ モード電源回路を採用している場合があります。AC アダプタは、負荷に接続されていない場合でも電力を消費します (電界と磁界を生成します)。このため、AC アダプタは「電気吸血鬼」と呼ばれることもあり、電源タップに差し込んで簡単にオン/オフできます。

• 拡張USB標準PPSについては、USB Power Deliveryを参照してください。

プログラマブル電源(PPS) は、アナログ入力またはRS-232やGPIBなどのデジタル インターフェイスを介して動作をリモート制御できる電源です。制御される特性には、電圧、電流、および AC 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、結晶成長監視、半導体製造、X 線発生器 など、さまざまなアプリケーションで使用されます。

プログラム可能な電源装置は通常、内蔵マイクロコンピュータを使用して電源装置の動作を制御および監視します。コンピュータ インターフェイスを備えた電源装置は、独自の通信プロトコル、またはSCPIなどの標準プロトコルとデバイス制御言語を使用する場合があります。

無停電電源装置 (UPS) は、同時に 2 つ以上の電源から電力を供給します。通常は、AC 主電源から直接電力を供給され、同時に蓄電池を充電します。主電源が落ちたり故障したりした場合は、負荷が中断しないように、電池が即座に引き継ぎます。ここでの「瞬時」とは、導体内の電気の速度で、光速に近い速度と定義する必要があります。この定義は重要です。高速データおよび通信サービスの伝送には、サービスの継続性 (中断なし) が必須だからです。一部のメーカーは、準標準として 4 ミリ秒を使用しています。ただし、高速データの場合、ある電源から別の電源への移行に 4 ミリ秒かかっても十分速くはありません。移行は、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、True 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、ほとんどの場合、電池と発電機の組み合わせによって決まります。その時間は、準最小の 5 ～ 15 分から、数時間、さらには数日に及ぶことがあります。多くのコンピュータ設備では、バッテリーの持続時間は、オペレータがシステムを正常にシャットダウンする時間を与えるのに十分です。その他の UPS 方式では、停電時に内燃エンジンまたはタービンを使用して電力を供給し、バッテリー持続時間は発電機がオンラインになるまでの時間や、サービス提供対象の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、セル サイト、電話局などで採用されています。

高電圧電源は、数百または数千ボルトを出力する電源です。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。連邦標準コネクタは通常、20 kV を超える用途に使用されますが、より低い電圧では他の種類のコネクタ (例: SHV コネクタ) が使用される場合があります。一部の高電圧電源は、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イスを提供します。高電圧電源は、X線発生器、電子顕微鏡、集束イオンビームカラムなどの機器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、また電気泳動や静電気などのさまざまな他の用途で一般的に使用されます。

高電圧電源は、通常、入力エネルギーの大部分を電力インバータに適用し、電力インバータは電圧乗算器または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乗算器が続く) を駆動して高電圧を生成します。高電圧は、特別なコネクタを介して電源から渡され、低電圧回路と互換性のある低電圧計測信号に変換する電圧分割器にも適用されます。計測信号は、インバータの入力電力を制御することによって高電圧を調整する閉ループ コントローラによって使用され、外部回路が高電圧出力を監視できるように電源から伝送されることもあります。

バイポーラ電源は、電圧/電流直交座標の4象限すべてで動作し、調整を維持するために必要な正と負の電圧と電流を生成します。^[3]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、実質的には高出力とシームレスなゼロクロスを備えた低帯域幅の演算増幅器になります。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。^{[例が必要]}

特定の電源がアプリケーションに適しているかどうかは、電源のさまざまな属性によって決まります。これらの属性は通常、電源の仕様に記載されています。電源に一般的に指定される属性には、次のものがあります。

• 入力電圧タイプ（ACまたはDC）と範囲
• 電力変換効率
• 負荷に供給できる電圧と電流の量
• さまざまなラインおよび負荷条件下での出力電圧または電流の安定性
• 燃料補給や充電なしでエネルギーを供給できる時間（ポータブル電源を採用した電源に適用）
• 動作および保管温度範囲
• 出力は定電圧型または定電流型

電源仕様でよく使用される略語:

• SCP - 短絡保護
• OPP - 過電力（過負荷）保護
• OCP - 過電流保護
• OTP - 過熱保護
• OVP - 過電圧保護
• UVP - 低電圧保護
• CV - 定電圧
• CC - 定電流
• PFC - 力率補正
• THD - 全高調波歪み

電気システムの電源は熱を発生する傾向があります。効率が高いほど、電源から発生する熱は少なくなります。電源ユニットの熱を管理する方法は多数あります。冷却の種類は一般に、対流と伝導の2 つのカテゴリに分類されます。電子電源を冷却するための一般的な対流方法には、自然な空気の流れ、強制空気の流れ、またはユニット上のその他の液体の流れがあります。一般的な伝導冷却方法には、ヒートシンク、コールドプレート、および熱コンパウンドがあります。

電源装置には、電源装置を損傷したり火災を引き起こす可能性のある短絡や過負荷からの保護機能が備わっていることがよくあります。過負荷保護には、ヒューズと回路ブレーカーの2つのメカニズムがよく使用されます。^[4]

ヒューズには短いワイヤが内蔵されており、電流が流れすぎるとこのワイヤが溶けます。これにより、電源が負荷から切り離され、過負荷の原因となった問題が特定されてヒューズが交換されるまで、機器は動作を停止します。一部の電源では、ヒューズとして非常に細いワイヤ リンクがはんだ付けされています。電源ユニットのヒューズはエンド ユーザーが交換できる場合もありますが、消費者向け機器のヒューズはアクセスして交換するためのツールが必要になる場合があります。

回路ブレーカーには、加熱して曲げ、スプリングを作動させて回路をシャットダウンする要素が含まれています。要素が冷えて問題が特定されると、ブレーカーをリセットして電力を回復できます。

一部の電源装置では、ヒューズではなく、変圧器に埋め込まれたサーマル カットアウトを使用しています。利点は、最大許容連続電流よりも大きな電流を一時的に流せることです。このようなカットアウトには、自動リセット機能のものと、1 回限りの使用のものの 2 種類があります。

一部の電源では、過負荷時に電源を遮断する代わりに電流制限を使用します。使用される電流制限には、電子制限とインピーダンス制限の 2 種類があります。前者は研究室のベンチ電源でよく使用され、後者は出力が 3 ワット未満の電源でよく使用されます。

フォールドバック電流リミッタは、出力電流を最大非障害電流よりもはるかに低い値に低減します。

電源は多くの電子機器の基本的なコンポーネントであるため、さまざまな用途で使用されます。このリストは、電源のさまざまな用途のほんの一部です。

現代のコンピュータ電源は、主電源からの AC 電力を複数の DC 電圧に変換するスイッチ モード電源です。スイッチ モード電源は、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。出力電圧の多様性により、電流消費要件も大きく異なります。

電気自動車は、発電によって作り出されたエネルギーを利用する自動車です。電源ユニットは、高電圧の車両バッテリー電力を変換するために必要な設計の一部です。

アーク溶接では、電気を使って金属を溶かして接合します。電気は溶接電源によって供給され、交流または直流のいずれかになります。アーク溶接には通常 100 ～ 350アンペアの高電流が必要です。溶接の種類によっては 10 アンペア程度の電流しか使用しないものもありますが、スポット溶接の用途によっては、非常に短時間に 60,000 アンペアもの高電流を使用するものもあります。溶接電源は変圧器または発電機を駆動するエンジンで構成されていましたが、現代の溶接機器は半導体を使用し、マイクロプロセッサ制御を含む場合もあります。

商用および軍用の航空電子システムでは、エネルギーを使用可能な電圧に変換するために、DC-DC または AC/DC 電源が必要です。これらは、重量軽減のため、 400 Hz で動作することがよくあります。

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ます。

• ACアダプター
• 容量性電源
• 発電
• 高電圧
• 国別の主電源
• モータージェネレーター
• 電源コード
• 電源シーケンス
• 整流器
• センス（エレクトロニクス）
• 電圧レギュレータ

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ウィキメディア・コモンズには、電源に関連するメディアがあります。

• リニア電源の動作を理解する
• ピーク効率のための負荷電源、ジェームズ・コロッティ、EDN 1979 年 10 月 5 日