電源

電源は、電気負荷に電力を供給する電気装置です。 電源の主な機能は、電源からの電流を正しい電圧、電流、周波数に変換して負荷に電力を供給することです。 その結果、電源は電力変換器と呼ばれることがあります。 電源の中には、独立したスタンドアローンの機器がありますが、他の電源は電力を供給する負荷機器に組み込まれています。 後者の例には、デスクトップコンピュータおよび家庭用電化製品に見られる電源が含まれる。 パワーサプライが実行できるその他の機能には、負荷によって引き込まれる電流を安全なレベルに制限すること、電気的な障害が発生した場合に電流を遮断すること、電子ノイズまたは入力の電圧サージが負荷に達するのを防ぐパワーコンディショニング、要因の訂正、およびエネルギーの保存を行い、ソース電源(無停電電源装置)の一時的な中断の場合に負荷に電力を供給し続けることができます。

全ての電源は、電源からの電流の形でエネルギーを受け取る電源入力接続と、負荷に電流を供給する1つ以上の電源出力接続とを有する。 電源は、電気コンセント、バッテリまたは燃料電池などのエネルギー貯蔵装置、発電機またはオルタネータ、太陽光発電装置、または別の電源などの電力グリッドから来てもよい。 入力と出力は通常ハードワイヤードの回路接続ですが、一部の電源では有線接続なしで負荷に電力を供給するために無線エネルギー転送が使用されます。 電源の中には、外部の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備えているものがあります。

一般的分類

機能性
電源は、機能的な機能を含むさまざまな方法で分類されます。 例えば、調整された電源は、負荷電流または入力電圧が変動しても一定の出力電圧または電流を維持する電源です。 逆に、調整されていない電源の出力は、入力電圧または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。 調整可能な電源は、出力電圧または電流をメカニカルコントロール(たとえば、電源フロントパネルのノブ)、またはコントロール入力、またはその両方によってプログラムすることができます。 調節可能な調整可能な電源は、調節可能でありかつ調整されたものである。 絶縁された電源は、その電源入力とは電気的に独立した電源出力を有する。 これは、電力入力と出力との間の共通接続を共有する他の電源とは対照的である。

パッケージング
電源はさまざまな方法でパッケージングされ、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。 オープンフレームの電源には機械的な部分的なエンクロージャーしかありません。 これらは通常、機械または他の機器に組み込まれる。 ラックマウント電源は、標準の電子機器ラックに固定するように設計されています。 内蔵電源は、共通のプリント基板を負荷と共有するものです。 外部電源、ACアダプタまたは電源レンガは、壁のコンセントに接続された負荷のAC電源コードにある電源です。 ウォールワットは、アウトレットプラグ自体と一体化した外部電源です。 これらは、その安全性のために家電製品で一般的です。 危険な120または240ボルトの主電流は、機器本体に入る前に、より安全な電圧に変換されます。

電力変換方法
電源は、リニアタイプとスイッチングタイプに大別できます。 リニア電力変換器は入力電力を直接処理し、すべての有効電力変換構成要素は線形動作領域で動作します。 スイッチング電力変換器では、入力電力は、処理前に、非線形モードで主に動作する構成要素(例えば、遮断または飽和においてほとんどの時間を費やすトランジスタ)によって、ACまたはDCパルスに変換される。 構成部品が線形領域で動作する場合、電力は「失われ」(熱に変換される)ため、スイッチングコンバータは線形コンバータよりも効率的です。

リニア電源
線形電源は、トランス、整流器、フィルタ、レギュレーション、出力の方式に従います。

第1に、トランスは電圧レベルに適応し、ガルバニック絶縁を提供する。 交流を脈流DCに変換する回路は整流器と呼ばれ、通常はコンデンサフィルタのようにリップルを減少させる回路を搭載しています。 電圧の設定値への調整または安定化は、電圧レギュレータと呼ばれる構成要素によって達成され、これは閉ループ制御システム(「フィードバック」)に過ぎず、回路の出力に基づいて、大部分の場合、この素子はトランジスタである。 ソースのタイプに依存するこのトランジスタは常に調整可能な抵抗として働き、制御回路はトランジスタの能動領域と連動して抵抗の大小をシミュレートし、結果として出力電圧を調整します。 このタイプの供給源は、供給される電力の使用において効率が悪い。その理由は、エネルギーの一部が、可変抵抗素子として動作するので、制御素子(トランジスタ)におけるジュール効果によって熱に変換されるからである。 この段階の出口では、リップルの安定性を高めるために、2次フィルタリング段階が必要です(ただし、すべてが設計要件に依存します)。これは単にコンデンサにすることができます。 この電流は回路のすべてのエネルギーをカバーします。この電源はトランスの特性を決定する際に特定の点を考慮する必要があるからです。

スイッチド電源
スイッチドソースは、スイッチングトランジスタによって電気エネルギーを変換する電子デバイスである。 ボルテージレギュレータはアクティブ増幅領域に極性のあるトランジスタを使用していますが、スイッチドソースはカット(オープン)と飽和(クローズ)の間の高周波(通常20-100kHz)で積極的にスイッチングします。 その結果得られた方形波は、フェライトコア(鉄心はこれらの高周波には適していません)を備えた変圧器に印加され、1つ以上の電圧を得ます。 DC出力電圧を得る。 この方法の利点は、コアのサイズおよび重量が小さく、効率が高く、従って加熱が少ないことである。 線源と比較した場合の欠点は、それらがより複雑であり、これらの線源の近くの機器に干渉しないように慎重に最小化されなければならない高周波の電気ノイズを生成することである。

スイッチドソースには、整流器、スイッチ、トランス、その他の整流器と出力があります。

レギュレーションはスイッチ、通常はデューティサイクルを変更するPWM回路(パルス幅変調)で得られます。 ここでは、変圧器の機能は線源と同じですが、その位置は異なります。 第2の整流器は、変圧器からの脈動する交流信号を連続値に変換する。 出力は、コンデンサ・フィルタまたはLCタイプの1つでもかまいません。

リニア・ソースの利点は、より優れたレギュレーション、スピード、優れたEMC特性です。 一方、交換されたものは、より良い性能、より低いコストおよびサイズを得る。

タイプ

直流電力送信機
DC電源とは、負荷に一定のDC電圧を供給する電源です。 その設計に応じて、DC電源は、DC電源または電源などのAC電源から給電されてもよい。

AC / DC電源
DC電源はAC電源をエネルギー源として使用します。 そのような電源は、入力電圧をより高いまたはより低いAC電圧に変換するためにトランスを使用する。 整流器を使用して、変圧器の出力電圧を変化する直流電圧に変換し、これを電子フィルタに通して未調整の直流電圧に変換する。

このフィルタは、AC電圧変動の大部分を除去するが、全部を除去するものではない。 残りのAC電圧はリップルとして知られています。 リップルの電気負荷の許容誤差は、電源によって供給されなければならないフィルタリングの最小量を決定する。 アプリケーションによっては、高いリップルが許容されるため、フィルタリングは不要です。 例えば、いくつかのバッテリ充電アプリケーションでは、変圧器と単一の整流器ダイオードだけを備えた主電源のDC電源を実装し、充電電流を制限するために出力と直列に抵抗を接続することが可能です。

スイッチド・モード電源
スイッチモード電源(SMPS)では、AC主入力は直接整流され、フィルタリングされてDC電圧が得られます。 その結果得られるDC電圧は、電子スイッチング回路によって高周波数でオン/オフされ、したがって、高周波トランスまたはインダクタを通過するAC電流を生成する。 スイッチングは非常に高い周波数(通常10kHz〜1MHz)で行われるため、電源周波数で動作するリニア電源で見られるよりもはるかに小さく、軽く、高価なトランスとフィルタコンデンサの使用が可能になります。 インダクタまたはトランス2次側の後に、高周波ACを整流してフィルタ処理してDC出力電圧を生成します。 SMPSが適切に絶縁された高周波トランスを使用する場合、出力は主電源から電気的に絶縁されます。 この機能は安全のためにしばしば不可欠です。

スイッチド・モード電源は通常調整され、出力電圧を一定に保つために、電源は負荷によって引き出される電流を監視するフィードバック・コントローラを使用します。 スイッチング出力デューティサイクルは、電力出力要件が増加するにつれて増加する。

SMPSには電流制限のような安全機能やデバイスとユーザを害から保護するクローバ回路が含まれていることがよくあります。 異常な高電流の電力消費が検出された場合、スイッチモード電源はこれが直接的な短絡であるとみなし、損傷が行われる前にシャットダウンします。 PC電源は、しばしばマザーボードにパワーグッド信号を供給します。 この信号がないと、異常な電源電圧が存在するときの動作が妨げられます。

一部のSMPSでは、最小電流出力に絶対的な制限があります。 それらは特定の出力レベルを超えてしか出力できず、そのポイント以下では機能しません。 無負荷状態では、パワースライシング回路の周波数が高速に上昇し、絶縁トランスがテスラコイルとして働き、その結果生じる非常に高い電圧パワースパイクによる損傷を引き起こします。保護回路を備えたスイッチモード電源は、電源が入っているが、負荷が検出されていないときはシャットダウンしてください。 セラミック電源抵抗または10ワット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すると、1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ているスイッチモード電源は、歴史的に低電力要因であり、(電力線高調波および過渡現象の誘発による)線路干渉の重大な原因となっている。 シンプルなスイッチモード電源では、入力段が線間電圧波形を歪ませ、他の負荷に悪影響を及ぼす可能性があります。 さらに、より低い力率の負荷を動作させると、顧客はより高い電気代を負う。 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モード電源は力率補正を実行し、入力フィルタまたは追加のスイッチング段を使用して回線干渉を低減することができます。

リニアレギュレータ
リニア電圧レギュレータの機能は、変化するDC電圧を一定の、しばしば特定のより低いDC電圧に変換することである。 さらに、過電流(過度の潜在的に破壊的な電流)から電源および負荷を保護する電流制限機能を提供することがよくあります。

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によって供給される電圧は負荷インピーダンスの変化によって変化します。 さらに、調整されていない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、電源の中には、入力電圧と負荷インピーダンスの変動とは無関係に、出力電圧を安定した値に保つためにリニア電圧レギュレータを使用するものがあります。 リニアレギュレータは、出力電圧のリップルおよびノイズの大きさを低減することもできます。

AC電源
AC電源は通常、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所望の電圧に昇圧または降圧する。 いくつかのフィルタリングも同様に行われることがあります。 場合によっては、電源電圧は出力電圧と同じです。 これは絶縁変圧器と呼ばれます。 その他のAC電源トランスは電源の絶縁を提供しません。 これらは単巻変圧器と呼ばれます。 可変出力自動変圧器はバリアックとして知られている。 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可能性があります。 電源が直流である場合(自動車の蓄電池のような)、インバータおよび昇圧変圧器を使用してそれを交流電力に変換することができる。 ポータブルAC電源は、ディーゼルまたはガソリンエンジン(例えば、建設現場、自動車またはボート、または緊急サービス用のバックアップ発電)によって駆動されるオルタネータによって供給され、その電流は、レギュレータ回路に送られて、出力の定電圧。 AC電源変換の中には変圧器を使用しないものがあります。 出力電圧と入力電圧が同じで、デバイスの主目的がAC電源をフィルタリングすることである場合、ラインコンディショナ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は、無停電電源装置と呼ばれることがあります。 回路は、AC電力を直接昇圧する電圧マルチプライヤ・トポロジを使用して設計することができます。 以前は、そのような用途は真空管AC / DCレシーバであった。

現代では、AC電源は単相システムと三相システムに分けることができます。 「単相交流電源と三相交流電源の主な違いは、供給の安定性です。 AC電源は、周波数と電圧を変更するためにも使用でき、メーカーが他の国で使用するために自社製品の適合性をチェックするために使用されることがよくあります。 アビオニクス試験の場合は230V 50 Hzまたは115 60 Hz、さらには400 Hzです。

ACアダプター
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アダプターは、「プラグ・パック」または「プラグイン・アダプター」などの他のさまざまな名前、または「ウォール・ワート」などのスラング・タームによっても知られています。 ACアダプタは、通常、ハードワイヤード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出力を有するが、いくつかのアダプタは、1つまたは複数のケーブルを介して伝送され得る複数の出力を有する。 「ユニバーサル」ACアダプタには、異なるAC電源電圧に対応するための互換性のある入力コネクタがあります。

AC出力のアダプターは、パッシブ・トランス(DC出力アダプターのいくつかのダイオード)だけで構成されてもよく、スイッチモード回路を使用してもよい。 ACアダプタは、負荷に接続されていなくても電力を消費し(また、電場および磁場を生成する) この理由から「電気吸血鬼」と呼ばれることもあり、電源を入れたり切ったりするのに便利です。

プログラマブル電源
プログラマブル電源は、RS232またはGPIBなどのアナログ入力またはデジタルインターフェイスを介して、その動作をリモート制御することができるものです。 制御された特性には、電圧、電流、AC出力電源の場合は周波数が含まれます。 これらは、自動機器試験、結晶成長モニタリング、半導体製造、およびX線発生器を含む幅広い用途に使用されています。

プログラマブル電源は、通常、電源動作を制御および監視するために、一体型のマイクロコンピュータを使用します。 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およびデバイス制御言語を使用することがあります。

無停電電源装置
無停電電源装置(UPS)は、2つ以上の電源から同時に電力を消費します。 これは通常、AC主電源から直接給電され、同時に蓄電池を充電します。 電源が途切れたり故障したりすると、バッテリが即座に引き継がれ、負荷が中断することはありません。 瞬時にここでは、光の速度にいくらか近い導体内の電気の速度として定義する必要があります。 その定義は重要である。なぜなら、高速データおよび通信サービスの送信は、そのサービスの継続/中断がなければならないからである。 メーカーによっては、4ミリ秒の準標準を使用するものもあります。 しかし、高速データでは、あるソースから別のソースに移行するのに4msの時間さえも十分に高速ではありません。 トランジションは、メソッドを作る前に中断しなければなりません。 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がどのくらいの時間を提供するかは、バッテリとジェネレータの組み合わせに基づいています。 その時間は、準最小5分から15分まで、文字通り数時間から数日の範囲にわたることができます。 多くのコンピュータの設置では、作業者が整然とした方法でシステムをシャットダウンするのに十分な時間だけバッテリを使います。 他のUPS方式は、内燃機関またはタービンを使用して商用停電中に電力を供給することができ、バッテリ時間は、発電機がオンラインになるまでの時間および設備の臨界性に依存する。 そのようなスキームは、病院、データセンター、コールセンター、セルサイト、電話の中央局にあります。

高圧電源
高電圧電源は、数百または数千ボルトを出力するものです。 アーク放電、絶縁破壊、偶発的な人体接触を防止する特殊な出力コネクタが使用されています。 フェデラル・スタンダード・コネクタは通常、20 kV以上のアプリケーションに使用されますが、他のタイプのコネクタ(SHVコネクタなど)は低電圧で使用できます。 いくつかの高電圧電源は、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フェースを提供します。 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や、電気泳動や静電をはじめとするさまざまなアプリケーションで、電子とイオンビームを加速して操作するために一般的に使用されています。

高電圧電源は、通常、入力エネルギーの大部分をパワー・インバーターに供給します。パワー・インバーターは、高電圧を生成するために、電圧逓倍器または高ターン比、高電圧トランス、またはその両方(一般にトランスフォーマーとそれに続く乗算器)電圧。 高電圧は特殊コネクタを通って電源から流出し、低電圧回路に適合する低電圧計量信号に変換する分圧器にも印加されます。 計量信号は、インバータ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達されることもあります。

バイポーラ電源
バイポーラ電源は、電圧/電流デカルト平面の4つの象限のすべてで動作します。つまり、レギュレーションを維持するために必要な正と負の電圧と電流が生成されます。 その出力がローレベルのアナログ信号によって制御されるとき、事実上、高出力パワーとシームレスなゼロ交差を備えた低帯域幅のオペアンプです。 このタイプの電源は、科学的な用途で磁気デバイスに電力を供給するために一般的に使用されています。

仕様
アプリケーションの特定の電源の適合性は、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、一般的に電源仕様に記載されています。 電源装置に共通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)とレンジ
電力変換の効率
負荷に供給できる電圧と電流の量
出力電圧または電流が変動するラインおよび負荷条件でどの程度安定しているか
給油や再充電なしでエネルギーを供給できる期間(ポータブルエネルギー源を使用する電源に適用)
動作温度および保管温度範囲

電源仕様で使用される一般的に使用される略語:

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

熱管理
電気システムの電力供給は、多くの熱を発生する傾向がある。 効率が高くなればなるほど、熱がユニットから引き離されます。 電源ユニットの熱を管理するには多くの方法があります。 冷却のタイプは、一般に対流と伝導という2つのカテゴリーに分類されます。 電子電源を冷却するための一般的な対流方法には、自然空気流、強制空気流、またはユニット上の他の液体流が含まれる。 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、およびサーマルコンパウンドが含まれます。

過負荷保護
電源装置は短絡または過負荷から保護されているため、電源が損傷したり、火災の原因となることがあります。 ヒューズと回路ブレーカは、過負荷保護のために一般的に使用される2つのメカニズムです。

ヒューズは、電流が多すぎると溶ける短絡線を含んでいます。 これにより電源が負荷から効果的に切断され、過負荷を引き起こした問題が特定されてヒューズが交換されるまで、装置は動作を停止します。 電源の中には、ヒューズとしてはんだ付けされた非常に細いワイヤリンクを使用するものがあります。 電源ユニットのヒューズはエンドユーザによって交換可能ですが、コンシューマ機器のヒューズは、アクセスおよび変更するための工具が必要な場合があります。

サーキットブレーカには、サーキットをシャットダウンするスプリングを加熱、曲げ、トリガする要素が含まれています。 要素が冷却され、問題が特定されると、ブレーカをリセットして電力を回復させることができます。

一部のPSU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ます。 利点は、ユニットが連続的に供給できるよりも大きな電流を限られた時間だけ引き出すことができることです。 このような切抜きの中には、セルフリセットがあるものや、一回のみ使用するものがあります。

電流制限
いくつかの電源は過負荷の場合に電力を遮断する代わりに電流制限を使用します。 使用される2つのタイプの電流制限は、電子制限とインピーダンス制限です。 前者は実験室のPSUで一般的ですが、後者は3ワット未満の出力で一般的です。

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大幅に低減します。

アプリケーション
電源は、多くの電子機器の基本的な構成要素であり、多様な用途に使用されています。 このリストは、電源装置の多くのアプリケーションの小さなサンプルです。

コンピュータ
最新のコンピュータ電源は、主電源からのAC電力をいくつかの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、サイズの改善のためにリニア電源に取って代わりました。 出力電圧の多様な集まりには、電流の引き込み要件が大きく異なります。

電気自動車
電気自動車は、発電によって生み出されたエネルギーに頼るものです。 電源ユニットは、高電圧車両バッテリ電力を変換するために必要な設計の一部である。

溶接
アーク溶接は、溶融して金属に接合するために電気を使用します。 電気は溶接電源で供給され、ACまたはDCのいずれかになります。 アーク溶接は、典型的には100~350アンペアの高電流を必要とする。 いくつかのタイプの溶接はわずか10アンペアしか使用することができないが、スポット溶接のいくつかのアプリケーションでは、極めて短時間の間に最大60,000アンペアの電流を使用する。 溶接電源は、発電機を駆動する変圧器またはエンジンから成っていた。 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含むことができる。

航空機
商用および軍用航空システムの両方で、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。 これらは重量削減のため400Hzで動作することがあります。

オートメーション
コンベヤ、組立ライン、バーコードリーダ、カメラ、モータ、ポンプ、セミファブ製造などを指します。

医療
これらには、人工呼吸器、輸液ポンプ、手術器具および歯科器具、画像およびベッドが含まれる。