電源回路：タイプ、設計原理、性能

電源にはいくつかの標準的な構成があり、それぞれコスト、サイズ、効率、出力安定性において異なるトレードオフがあります。非安定化、リニア安定化、スイッチング、リップル安定化設計の基礎を理解することは、用途に適したソリューションを選択するために不可欠です。

非安定化

非安定化電源は最も基本的な構成で、トランス、整流器、ローパスフィルタで構成されます。入力電圧に直接追従する直流出力を供給するため、商用電源やバッテリレベルの変動が負荷にそのまま反映されます。このアーキテクチャは安価、シンプル、本質的に効率的ですが、顕著なリップル電圧と交流ノイズを示します。したがって、電圧安定性がクリティカルでない低精度または低電力シナリオに最適です。

リニア安定化

リニアレギュレータは、非安定化電源に「アクティブ」領域で動作するトランジスタ（またはトランジスタ群）を追加します。デバイスは余分な入力電圧を熱として放出することで固定出力電圧を維持します。レギュレータは出力を一定に保つ必要があるため、望ましい出力より少なくとも1-3V高い入力電圧を必要とします（特定部品により異なります）。この余分な電圧は熱として消費されるため、大電流負荷には大型ヒートシンクが必要となり、サイズ、重量、コストが増大します。リニアレギュレータは非常にクリーンで低ノイズな直流を提供しますが、非効率のため電力を大量に消費するシステムや熱的に制約されたシステムには不向きです。

スイッチング

スイッチング（または「スイッチモード」）電源は、リニアトランジスタを飽和とカットオフの間で高速切り替えするデバイスに置き換えます。回路はまず交流入力を直流に整流し、トランジスタを用いて高周波交流矩形波に高速反転させます。軽量トランスが電圧を昇降圧し、第2整流器＋フィルタが最終的な直流出力を提供します。安定化はスイッチング素子のデューティサイクルを変化させることで達成されます。トランスを小型化でき、スイッチングデバイスがオン時にほとんどエネルギーを消費しないため、スイッチャーは高効率、コンパクト、事実上あらゆる商用電圧で動作可能です（そのため「ユニバーサル」電源と呼ばれます）。最新のハイエンドスイッチャーはリニアレギュレータに匹敵するリップルとノイズレベルを提供しますが、コストは高くなります。ローエンドモデルは依然として顕著なリップルを示す可能性がありますが、安定した平均電圧とユニバーサル入力機能を低価格で提供します。

リップル安定化

リップル安定化電源は、ブルートフォースフロントエンドのシンプルさと、飽和またはカットオフで厳密に動作するトランジスタを組み合わせます。デバイスは直流電圧が下限セットポイントを下回ると大容量コンデンサを充電し、上限セットポイントを超えるとオフになり、出力を狭いバンド内に維持します。トランジスタがリニア領域で動作することは稀なため、発熱は最小限です。しかし、出力には必然的にリップルが含まれ、その振幅と周波数は負荷電流に依存するため、精密なフィルタリングがより困難です。リップルレギュレータはフルスイッチャーよりシンプルで作業が安全ですが、ハイエンドスイッチャーやリニアレギュレータのノイズ性能には匹敵しません。

関連ワークシート：

• 安定化電源 ワークシート