トランスレス電源：コストとスペースを削減する実証済みソリューション

一般的に、降圧トランスまたはスイッチング電源を使用して、高電圧のAC商用電源を低電圧ACに変換し、さらに所望の低電圧DCに変換します。この方法は効率的ですが、製品の設計や製造においてコストが高く、より多くのスペースを必要とします。こうした課題を解決するために、トランスレス電源が使用されます。本記事では、トランスレス電源について詳しく解説し、その動作原理、種類、そして試作可能なシンプルな回路設計を紹介します。

トランスレス電源とは

名前の通り、トランスレス電源はトランスやインダクタを使用せずに、高電圧ACから低電圧DCを生成する電源回路です。

動作原理

トランスレス電源の動作原理は、単相高電圧ACを低電圧DCに変換することです。このコンセプトは、インダクタやトランスなしで動作する分圧回路を使用します。また、電源回路には突入電流制限、電圧分割、電圧制御、整流といったプロセスが組み込まれています。

上記回路図の動作

• 高電圧単相AC（230V/120V）を必要な低電圧DC（5V/3V/12V）に変換することを目的とします。
• ダイオードが高電圧ACを整流・制御し、低電圧DCに変換します。
• さらに、ACと直列接続されたコンデンサがリアクタンスによりAC電流を制限します。これにより、電流がトランスレス電源のタイプに応じた特定値に制御されます。常にX定格コンデンサを使用することが推奨されます。
• 抵抗器は過剰電流と発熱の放散を助けます。
• ブリッジ整流器が回路から電圧を取り除き、整流プロセスを通じてピーク電圧を安定化させます。
• 最後にLED電球を接続して回路の動作をテストします。

トランスレス電源の種類

トランスレス電源には主に2つの基本タイプがあります。

抵抗器タイプ トランスレス電源

抵抗器タイプのトランスレス電源は降圧抵抗器を使用します。この抵抗は余分な熱を除去する役割も果たします。多くの場合、より多くの電力を放散できる倍定格電力抵抗器が推奨されます。

コンデンサタイプ トランスレス電源

一方、コンデンサタイプのトランスレス電源は電力損失と発熱が少ないのが特徴です。ここではX定格コンデンサ（400V、230V、または600V）が降圧コンデンサとして機能し、余分な電圧をドロップさせます。

トランスレス電源回路のメリットとデメリット

メリット

• 第一に、設計が安価で、トランスベースの回路と比較して低電力アプリケーションに適しています。
• また、かさばらずコンパクトなため、必要なスペースが少なくて済みます。

デメリット

• トランスレス電源回路は高電流出力（1アンペア）を生成できません。したがって、1アンペア以下の電流を必要とするアプリケーションにのみ適しています。
• 回路がAC商用電源電位から絶縁されていないため、取り扱い者にとって危険です。
• 過剰な発熱が出力電圧に干渉します。
• 電圧サージを許容するため、最終的に電源回路と負荷回路を破壊する可能性があります。

幸い、以下の回路例ではこれらの課題のいくつかに対する解決策を提示しています。読み進めてください。

4つのシンプルなトランスレス電源回路を解説

基本的なトランスレス設計

回路動作と設計

• C1が高電圧AC（120Vまたは220V商用電源）を低電圧DCに降圧し、出力DC負荷により適した電圧を供給します。
• 次に、回路を商用電源入力から抜いたとき、R1が高電圧C1の放電経路を提供します。これにより、C1がメイン電源に接続されていないときにプラグピンからの電圧ショックを防止できます。
• D1〜D4はブリッジ整流器です。これらはC1からの低電圧ACを低電圧DCに変換します。
• 結果として得られるDC電圧は、リレー以外のほとんどの低電圧デバイスには高すぎます。ツェナーダイオードが高電圧を必要に応じて推奨値に分流します。
• さらに、R2は電流制限抵抗として機能します。C1はAC商用電源投入直後の数ミリ秒間のみ短絡状態を呈します。この数ミリ秒でAC大電流が回路に流れ込み、出力負荷を破壊する可能性があります。R2がこの損傷を防止します。
• 最後に、C2はフィルタコンデンサとして機能し、ブリッジ整流器からの100HzリップルをよりクリーンなDCに平滑化します。

電圧安定化トランスレス電源へのアップグレード

ここでは、容量性電源回路を可変またはサージフリーの電圧安定化トランスレス電源に改良します。

回路設計/動作

• 1N4007ダイオードが商用電圧を整流し、10uF/400Vコンデンサがこれを平滑化します。その結果、商用電源から整流されたピーク電圧は310Vに達します。
• TIP122のベース（MJE13005も使用可能）が分圧ネットワークを構成し、必要な出力電圧を維持します。また、TIP122のグラウンド/エミッタ間に10kポットを設定することで12Vを実現できます。
• 220uF/50Vコンデンサがベースに瞬間的なゼロ電圧を生成し、投入済み回路でスイッチをOFFにします。
• さらに、スイッチON期間中、インダクタがコイルを介して突入電流の流入を制限します。また、高抵抗を提供することで損傷を防止します。

ポイント： 電圧レギュレータIC7805を使用して、降圧電圧または5Vを取得することも可能です。

ゼロクロッシング トランスレス電源回路

3つ目のプロジェクトは、主に容量性トランスレス電源をゼロクロッシング検出に適用したものです。コンデンサは電源電圧を受け取ると数ミリ秒間短絡状態のように振る舞い、その後充電されて規定の出力レベルに戻るためです。

回路設計と動作

AC商用電源におけるゼロクロッシング

AC商用電源電位には、ゼロから最大、またはその逆へと極性とともに上昇・下降する電圧サイクルが含まれます。

商用電圧がサイクルのピークに近づくと、高電流と高電圧の状態になります。この状態で容量性電源をスイッチONすると、高電圧がDC負荷と電源を突き破ります。

逆に、商用電源のゼロクロッシングでは、位相ゼロに近づくにつれて電圧と電流が弱まります。したがって、このタイミングでデバイスをスイッチONすることは安全であり、サージ電流を経験しません。

要するに、AC入力が位相ゼロを通過する際に容量性電源をスイッチONすることで、サージ電流を防止できます。

動作原理

• 電源投入時、ゲートドライバがないためトライアックはOFF状態を維持します。また、ブリッジネットワークに接続された負荷もOFF状態です。
• 次に、105V/400Vコンデンサ出力からの電圧がオプトカプラICのピン1/2を通ってIR LEDに到達します。IR LEDの光応答が入力の監視と処理を助けます。したがって、回路がACサイクルのゼロクロッシングポイントに近づくことを検出すると、内部スイッチが切り替わります。
• 最後に、トライアックが発火し、ユニットを再度ON/OFFするまでスイッチON状態を維持します。

IC 555を使用したスイッチング トランスレス電源

最後のソリューションは、IC 555をモノステーブルモードで使用して突入サージを制御するものです。さらに、IC 555にはゼロクロッシングスイッチング回路の概念が組み込まれています。

ゼロクロッシングスイッチングの定義

AC商用電源の正弦波はゼロ電位から始まり、ピーク電圧点（120Vまたは220V）まで徐々に上昇し、その後初期のゼロ電位まで戻ります。このサイクルを正のサイクルと呼びます。

正のサイクル後、波形はディップし、再び上記のプロセスを繰り返しますが、負の方向でゼロ点まで達します。商用電源の要件に応じて、このサイクルは1秒間に50〜60回発生します。

波形が回路に入る際、ゼロでないポイントではスイッチONサージが発生します。直接の理由は波形の高電流によるものです。負荷はゼロクロッシング時にONスイッチに遭遇するべきであり、そうすることで緩やかな立ち上がりが危険をもたらしません。

回路動作

上記回路図から：

• 4個の1N4007ダイオードが標準的なブリッジ整流器構成で動作し、カソード接点から100Hzリップルを生成します。
• 47k/20Kの分圧器が100Hz周波数を降圧し、これが後でIC555の正レールに到達します。電位は制御され、C1とD1でフィルタリングされます。
• 100k抵抗を介して、ベースQ1も電位を受け取ります。
• AC商用電圧が（+）0.6Vを超える間、Q1はOFF状態を維持します。しかし、AC波形が（+）0.6V未満になるとQ1がONになり、ピン2をグラウンドさせ、ICのピン3に正の出力を生成します。
• その後、IC出力が負荷とSCRをスイッチONし、MMV期間が経過するまでこの状態を維持します。然后、新しいサイクルが始まります。
• 安定したON時間が負荷に追加電流を供給し、LEDをより明るくします。1Mプリセットを調整してモノステーブルのON時間を設定することも可能です。IC555回路はゼロ付近のACで制限されるため、ON時間中に電圧サージが発生しません。

トランスレス電源の用途

トランスレス電源の用途は主に低コスト・低電力デバイスに含まれます：

• アナログ・デジタルコンバータ
• LED電球
• デジタル通信システム
• モバイル充電器
• 電子玩具
• TV受信機
• 非常灯
• 通信システム
• 電圧レギュレータおよび分圧回路

結論

総じて、トランスレス電源回路はトランスベース電源に取って代わってきました。その低電流特性は低電圧アプリケーションにメリットがあります。また、安価でコンパクトです。

本記事では、必要な手順とともにトランスレス回路の作り方を詳述しました。さらなるお問い合わせがあれば、ぜひご連絡ください。