トランスレス電源：基礎、動作原理、設計要件

一般的に、電子製品には降圧トランスがあり、DC電源がAC商用電圧をDC電圧（多くの場合小さい）に変換できるようにしています。このプロセスは、より高いACをより低いACに変換し、次にスイッチモードトランスを使用して低電圧DCに変換することを含みます。このプロセスは長期的には十分ですが、製品の設計と製造時により大きなスペースも必要とするため、高価で大型になりがちです。したがって、検討すべきより安価で優れた代替案はトランスレス電源です。スイッチモード電源であることに加え、低コストで小型です。また、家電製品など幅広い電子部品で使用できます。

トランスレス電源とは？

名前が示す通り、トランスレス電源回路は、商用の高電圧交流から低電圧DCを提供する際にインダクタやトランスを使用しません。高電圧コンデンサでAC一次電流（120Vまたは230V）を低電流レベル（12V、5V、3V）に降下させることで動作します。

この低レベルは、接続負荷または電子回路の最適な動作を保証するため適しています。したがって、電流が少ない（数ミリアンペア程度）電気回路やマイクロプロセッサー回路を使用する場合、回路にトランスレス電源を採用すべきです。

トランスレス回路には、突入電流制限、電源電圧分割、調整、整流を含む動作原理があります。これらは電源構造で説明します。

トランスレス電源の利点と欠点

他の技術機器と同様に、トランスレス電源にも利点と欠点があります。

利点

• まず、安価です。
• 次に、スペースを必要としないため、トランスベースのアプリケーション（混沌として重い）とは対照的に、かさばりません。
• また、低電力電子部品で使用できます。

欠点

• まず、抵抗性トランスレス電源による過剰な熱放散が最終出力電圧を低下させ、効率を下げます。
• 残念ながら、得られる最大電流出力は約1アンペアです。20Aまたは30Aを必要とする電流誘導負荷や抵抗負荷には不向きです。
• また、入力電源からの絶縁がないため、取り扱いが危険です（出口と入口の間に絶縁なし）。さらに、コンポーネントのわずかな破損や回路からの取り外しでデバイス全体が破壊されます。
• 最後に、セットアップと低出力は、安全装置や医療機器のようなより複雑なシステムには適していません。

幸い、説明したトランスレス電源回路設計にはブリッジ整流器後のさまざまな安定化段階があります。これによりリスクは低くなります。

トランスレス電源回路図の紹介

https://en.wikipedia.org/wiki/Capacitive_power_supply#/media/File:Capacitive_Power_Supply.png

（トランスレス電源回路図）

上記のトランスレス電源回路図は、インダクタやトランスなしで高AC電圧を低DC電圧に変換する機能を持ちます。次のセクションでは、回路の動作を分解して説明します。

トランスレス電源の構造/設計

トランスレス電源回路を作る前にいくつかの予防措置を取るべきです：

• 第一に、質の高い知識と経験なしでAC入力電圧を扱うことは極めて危険です。したがって、極めて慎重に回路を扱ってください。
• 第二に、1ワット以上（5W）の定格を持つツェナーダイオードまたは抵抗を使用してください。
• 第三に、ツェナーダイオードがない場合、IC電圧レギュレーターを使用して電圧を調整できます。
• また、X定格コンデンサを他のコンデンサで置き換えようとしないでください。理由は他のコンデンサはバーストするからです。
• さらに、安全上の理由から、X定格コンデンサの前と位相線と直列に1アンペアヒューズを使用できます。
• コンポーネントを十分に離して配置してください。
• また、回路をオフにしても、ドロッピングコンデンサのどのポイントにも触れないでください。感電を防ぐためです。
• 最後に、製品により多くの出力電流と出力電圧が必要な場合、異なる値のX定格コンデンサを使用してください。

コンポーネント

トランスレス電源回路のコンポーネントには以下が含まれます：

• R1: 1Ω抵抗、5W
• R2: 10Ω抵抗；負荷は10Ω未満であってはなりません
• R3: 470kΩ抵抗、1W
• R4: 1Ω抵抗、5W
• R5: 200mAヒューズ
• 電圧降下コンデンサ/X定格コンデンサ（メインコンポーネント） - 230V、400V、600V交流、またはそれ以上で利用可能

（コンデンサの種類）

• C1: 33,000µF 極性電解コンデンサ、25V
• C2およびC3: ポリエステル製無極性コンデンサ ≥400V、10µF
• D1: ダイオード 1N4007
• D2: 12V、3W ツェナーダイオード
• D3〜D13: 1N4007

理想的なトランスレス設計

1. コンデンサC1が120Vまたは220V商用電源からの高電流を、適切に低い出力DC負荷に減らします。したがって、C1から1マイクロファラドで出力負荷に約50mAの電流が生成されます。
2. R1抵抗は、回路を商用電源から抜いたときのC1の高電圧の放電経路を提供します。C1は120Vまたは220Vのような高電圧を蓄えることができ、プラグピンを取り外し状態で触れると高電圧ショックを引き起こす可能性があります。R1が高電圧を速やかに放電します。
3. D1〜D4ダイオードはブリッジ整流器として機能し、C1からの低電流ACを低電流DCに変換します。C1は電圧を50mAに制限するのではなく、電流を制限します。つまり、ブリッジ整流器の出力でのDCは220Vのピーク値です。計算は以下の通り：

220 × 1.41 = 310V DC。ブリッジの出力で約310V、50mAになります。

4. しかし、310Vはリレーで使用しない限り、低電圧には高すぎます。したがって、適切なツェナーダイオード定格を使用して、310V DCを望ましい低レベル（例：24V、12Vなど）にシャントします。

（ツェナーダイオードの種類）

5. R2抵抗は電流制限抵抗です。C1が電流リミッターとして機能しますが、入力ACを回路に瞬時に適用すると、C1は数ミリ秒でショートサーキットとして機能します。スイッチオンの数ミリ秒間に、220Vの高AC電圧入力が電源回路に入ります。残念ながら、高電圧レベルがDC出力負荷を破壊する可能性があります。

この状況に対処するより良い方法はNTCを導入することです。しかし、この場合はR2をリミッターとして使用します。

フィルターコンデンサはC2です。主に、最初に整流した100HzリップルをブリッジからよりクリーンなDCに平滑化します。

トランスレス電源のタイプ

トランスレス電源には2つの主要なタイプがあり、詳細に説明します。

例は以下の通り：

1. 抵抗性トランスレス電源

抵抗性電源では、電圧降下抵抗器に抵抗器を使用して熱をエネルギー形で減らします。熱減少により、過剰電流を制限する抵抗が生じます。一般的に、電圧降下抵抗器が熱電力を消散します。

注目点 - ほとんどの場合、定格電力の2倍の抵抗器を使用するアプリケーションが見つかります。他のタイプのトランスレス電源と比較して、それにより多くのエネルギーを消散するためです。

2. 容量性トランスレス電源

第2タイプの容量性電源は、低電力損失と熱放散で動作し、より効率的です。

構造：ここで、X定格コンデンサは230V、400V、600Vの接続を直列に持ちます。その後、商用電源がドロッピングコンデンサとして機能し、電圧を降下させます。

抵抗性と容量性トランスレス電源の違い

主に、2つのタイプは異なります。容量性電源回路では、電圧降下抵抗器が過剰電圧を降下させるため、エネルギー損失と熱放散がゼロまたはほぼゼロです。対照的に、抵抗性タイプは電圧降下抵抗器を通じて余分なエネルギーを熱として消散します。

トランスレス電源 12V

上記の図を使用して、第3タイプであるトランスレス電源12Vについて説明します。

作用原理：ツェナーダイオード、ブリッジ整流器、コンデンサ、抵抗器を使用して、220V商用AC電圧を12V DC電圧に変換します。

• C1はX定格コンデンサとして機能し、昇圧されたAC電圧を降下させます。
• D1、D2、D3、D4（ブリッジ整流器ダイオード）が交流（AC）を整流により直流（DC）に変換します。整流の結果、AC信号のピークRMSにより230V ACが高い310V DCに変換されます。
• 第3に、C2コンデンサがDC電圧で得られたリップルを除去します。
• 次に、R1抵抗が回路をオフにしたときに生じる蓄積電流を除去します。一方、突入電流制限用のR2抵抗が過剰電流流を制限します。
• さらに、ツェナーダイオードがピーク逆電圧を除去し、出力DC電圧を必要な12Vに安定化・調整します。
• 動作確認のためにLEDを回路に接続します。
• 最後に、衝撃防止素材で回路全体を完全に覆って損傷と感電を防ぎます。また、電源入力に小さな絶縁トランスを接続して、メインAC電源から絶縁できます。

6. トランスレス電源の用途

トランスレス電源は、低コスト・低電力電子部品で幅広い用途があります：

• アナログ-デジタルコンバーター
• 通信システム
• デジタル通信システム
• レギュレーターおよび電圧分割回路の回路
• 電子玩具
• モバイル充電器
• LED電球

（電圧12Vおよび24Vの白色LEDストリップ（調整可能））

• 非常灯

結論

要約すると、トランスレス電源回路は、かさばり、コスト、サイズの点でトランスベースの電源に代わる確かな選択肢です。低電流を生成しますが、トランスレス回路はより低い電圧ニーズを持つ電気機器に恩恵をもたらしています。

手順に仕様があるため、DIYの際は特別な注意を払うのが最善です。この記事を読めば、必要なステップが明確になります。しかし、ご質問やご意見があれば、お気軽にお問い合わせください。あなたのニーズへの解決策は、テクノロジー世界への解決策です。