両波整流時における平滑コンデンサーの選択と突入電…

質問

両波整流時における平滑コンデンサーの選択と突入電流対策について。

自作の音響機材に電源を供給する為のPSUユニットを考えてます。
20Vの2巻式、2Aのトランスを使い±18Vと±15Vを得られるユニットを考えてます。
そこで質問なのですがここに使う平滑コンデンサーはどの程度の容量を使用したらよいでしょうか。
各0.5～0.7Aくらい取れればいいのですが。

また、デカイコンデンサーをぶら下げることによっておきる突入電流に対する対策などはありますでしょうか。
・・・サーミスターを使う方法は調べたのですが、コレを使うことによってパルス等の電源ノイズが乗らないか、分からないので、また他にもっとよい方法があったら教えていただきたかったので書き込みました。
よろしくおねがいします。

回答No.4

noname#230359

＃２です。想定するリスクをできる限り定量的に評価することが「工学」と思い，今少しコメントさせて頂きます。
　ご使用予定のトランスのスペックを見ると，電圧変動率１０％以下とあります。同シリーズトランスを順次みていくと容量が大きくなると７％以下というスペックに変化します。この点から，ご使用のトランスの電圧変動率は７％から１０％の範囲と判断します。突入電流の影響を評価したいので，巻線抵抗の低い側の見積もり＝電圧変動率の低い側の数値７％を採用することします。
　ここで，解析の見通しをよくするため，整流回路を単純化します。電圧２０Ｖの２巻線を使い平滑コンデンサとして＋／－各８０００μＦの電源ですが，４０Ｖの巻線にブリッジダイオードを介して４０００μＦ（８０００μＦの直列接続）の平滑コンデンサを接続する全波整流回路と考えます。
　トランスは，定格負荷電流２Ａを流したとき，定格出力電圧２０×２＝４０Ｖの出力となります。無負荷時は，前記の電圧変動率から，この値より７％高い４２．８Ｖになるものと考えられます。２Ａの負荷電流で，２．８Ｖの電圧降下がおこる特性です。トランスの巻線抵抗（２次換算）は２．８Ｖ÷２Ａ＝１．４Ωと計算できます。
　１．４Ωの抵抗と４０００μＦの作る時定数は，１．４×４０００Ｅ－６＝５．６ｍｓになります。商用交流の毎半サイクルのブリッジダイオードの導通期間は２ｍｓ程度と思いますので，３半サイクル（５０Ｈｚで３０ｍｓ程度の間にコンデンサは６３％以上まで充電され，突入電流は減衰すると計算できます。
　突入電流のピーク値（２次側）は，電源電圧がピークの位相でスイッチが投入された場合，４２．８V×√２÷１．４Ω＝４３Ａ0-pと計算できます。実際には，ブリッジダイオードの電圧降下によりこの値よりは小さな値になります。ブリッジダイオードのピーク電流定格を４３Ａ以上に選定すれば１次設計としてＯＫと思います。
　一次（１００Ｖ）側に換算すると，突入電流は４３Ａ×（４２．８／１００）＝１４．８Ａ0-pと計算できます。通常１００Ｖ電源回路は１５から２０Ａのブレーカで分岐されていますので，この程度の突入電流では全く問題ありません。音響機器側に設けるヒューズの溶断特性は，この電流と，前に計算した充電時定数を考慮して，通常の使用状態で溶断しないように選定すことをお勧めします。
　上記計算は，トランスの電圧降下を巻線の抵抗分のみと考えた簡易計算ですので，ある程度の誤差があることをご容赦ください。ＳＰＩＣＥなどのシミュレータを使えば，突入電流の解析は容易ですので，興味があればお試しください。トロイダルコアトランスなどをご使用の場合は，コアの飽和による突入電流を検討する必要がありますが，今回はＥ－Ｉラミネートコア構造のトランスをご選定のようですので，この点も割愛させて頂きました。

　以下は，戯れ言として読み飛ばして頂き結構です。

　突入電流防止回路は，「最悪火を噴かないか」の観点でみると結構悩ましい課題があります。直列抵抗を使った場合，抵抗器を短絡するリレーが万一ＯＮしないことを考えると，抵抗器が過熱する可能性があります。リレーがＯＮしなくても過熱しないほど大容量の抵抗器は値段が高いし，実装も難しいことになります。電源を高速でＯＮ－ＯＦＦした場合，思った通りのタイミングでリレーがＯＮしてくれるとは限りません。妙なタイミングでＯＮすると，接点に大電流が流れて溶着してしまう可能性があります。溶着してしまったら，その後は突入電流防止が効かなくなります。このような「万一」の可能性を潰していく設計には結構手間暇かかります。この程度の容量のトランスを介した整流回路で，突入電流防止回路なしで実用になると言ったのはこんな事情もあることを付け加えておきます。

　１４．８Ａと１８．４Ａ，ケアレスミスです。１８．４Ａの方が正しい計算値です。失礼しました。
　コンデンサは，瞬間的な電圧変化に対してはインピーダンスゼロ＝短絡と考えます。もちろん，コンデンサにも内部抵抗やインダクタンス成分も存在します。また，コンデンサに至る電線のインピーダンスも考慮したくなります。トランスのインピーダンスも抵抗分だけでなく，インダクタンス成分もあります。細かく気にし出したらばいくらでも出てきます。突入電流のような過渡応答をそれなりに解析しようと思えば，必要とする精度の等価回路を作り，微分方程式を連立して・・・云々のような手順です。シミュレータを使えば，微分方程式を作らなくても直接答えを求められます。
　１８．４Ａの電流が，０．８Ａほどの定格の１次巻線に一瞬流れても，温度が多少上がるだけで，それだからと言って大した悪さをすることはないと思います。「多少」がどの程度か知りたければ，発熱量と銅線の比熱から容易に計算できます。
　「リレーを使って正負電源のOn/Off」は，電源の直流出力側をon/offするのでしょうか？それならば，十分に考慮されることが必要と思います。正負２電源で設計された回路に，一瞬アンバランスな電源電圧が供給される状態となるので,出力にパルス状のノイズがでることが想定されます。電源スイッチの投入順を間違うと，スピーカーを破壊したりするような事態が予想されます。このような場合，レギュレータ回路を，電子回路的に正負連動させて同時に立ち上がるように設計することが一般的かと思います。
　また，リレーがＯＮした瞬間に，電源回路側のバイパスコンデンサから音響機器側のバイパスコンデンサに流れ込む突入電流も心配です。リレー接点が溶着しないか等々・・・・。
　ご自身でお使いになる設備でしたら，音響的な配慮を優先できるので，このあたりの心配事はバッサリ切り捨てることも一方法かと思います。

お礼

大変詳しい概要をありがとう御座います。
14.8Aですか・・・
30ｍSとはいえ一次が定格いっぱい流れても(ただ二次側を変換しただけです)0.8Aしか流れないようなトランスにそんなに流して大丈夫なのでしょうか？

・・・少し気になりましたのは、結局短絡状態にあると言う条件で(チャージ中は短絡同然ですが)計算していますが、これは制御用の抵抗が入っていない回路すべてにおいて定格の20倍近い電流が一瞬流れるのでしょうか・・・というか、7％トランスではそういう結果になりますよね。
通常の機器の電源は何か対処されているのでしょうか？

チナミに最後ですが、
４３Ａ×（４２．８／１００）＝１４．８Ａ0-p
これ、どう計算しても43A×(42.8/100)＝43×0.428となり、18.4Aと出て、14.8にならないのですが・・・

万が一のことを考えると・・・そうなのですが、というか、その辺がまさに確信を付かれた感じなのですが(汗
それにリレーを使って正負電源のOn/Offを行うことは機械的なずれが生じる可能性があって・・・なんて細かいこと気にしだしたら止まらなくなってしまいました。
・・・気にしすぎでしょうか。

音質も安全対策も要は「何処で妥協できるか・するか」だと痛感したのですが。

回答No.3

noname#230359

＃２です。
　整流回路のリップル電圧をごく単純に，技術的に，数値的に決めたいとすれば，以下のような手順が考えられます。(1)ご使用になるアンプ回路の出力のＳＮ比目標を設定する。(2)出力ノイズ成分のうち，電源リップルによるノイズ成分を割り付ける。(3)アンプ回路のＰＳＲ特性（電源電圧変動がどれだけ出力に影響を及ぼすかを示す特性・・・・レギュレータ回路のリップルの圧縮度と同様の概念です）から，アンプに供給する電源のリプル許容値をもとめる。(4)電源レギュレータ回路のリップルの圧縮度から，整流電圧に許容されるリップル電圧を求める。(5)総合特性を評価して，設計通りに動作しているか確認し，問題があれば設計を修正する。
　理屈の上では上記の通りですが，音質的な設計ポリシーや，整流回路の接地点の取り方，トランスの漏洩磁束によって励起されるノイズ電圧などで理屈通りにはいかないことも多いかと思います。一方で，アンプ回路と電源のリップルの圧縮度が常識的な値であれば，整流回路ののリップルが問題となることは少ないのではないでしょうか。これ以上は，個々の設計問題になろうかと思います。
　もう一方の課題の突入電流ですが，平滑容量が大きくても，電源トランスの巻線抵抗が突入電流を抑制する制限抵抗として作用します。この理由で突入電流抑制回路はなしでも実用になると考えました。整流ダイオードの電流定格が問題であれば，定格の大きなダイオードで対応できるはずです。（整流ダイオード以外の内部部品の問題であっても同様）電源投入時の商用電源の電圧低下を問題であれば，商用電源のインピーダンスと，トランスの巻線抵抗（一次換算値）の比率で判断されれば宜しいかと思います。この程度の容量の整流平滑回路では，ＡＣ１００Ｖ回路のブレーカが突入電流によってトリップする可能性は低いものと思います。長々書きましたが，突入電流によってどんなリスクを想定するか，リスクを定量評価できれば自ずと答えが出せることと思います。

お礼

ご回答ありがとう御座います。

実際のところ、リップル成分云々を計算するのは初めてなので、戸惑いつつもがいている状況なのです。
アンプではなく音響のアウトボード(イコライザー等)なのですがSNは100超えしたいと思っております。
前述の通り今までは回路図にあるものを使っておりましたので(2)の割り付け等が分からないです・・・何を基準に割り付ければいいのか・・・
(3)は使用しているOPaｍｐとVCAのデータシート見てみます。

電源トランス自体は巻き線抵抗があるのでこのクラスだと問題ないですか。
では、ブリッジを大きなものにし、スイッチの容量を増やせば大丈夫ですね。
・・・責任上断言できませんと言うのがアレでしょうが。
突入電流で想定するリスク・・・と言うと大げさですが、要は異常をきたす・・・最悪火を噴かないか心配になったわけです。
チナミに参考までに使用予定トランスです。
http://www.toyoden-net.co.jp/shop/goods/goods.asp?goods=108

回答No.2

noname#230359

ＪＯさんの回答の中で引用されている回路を使った場合,出力電圧は±３０Ｖ近くとれるように思います。これを±１８Ｖ，±１５Ｖに降圧するのであれば，レギュレータ回路を使うことと思います。この場合は，整流後の谷電圧が±１８Ｖのレギュレーションを確保できる条件で許容されるリップル電圧が決まります。
　整流後電圧はトランスのインピーダンスによって変化するので，必要とする容量は一概に決めることができませんが，最小限＋側－側それぞれ１０００μＦ程度は必要と思います。
　なお，この程度の容量の電源を単独で使うのであれば，突入電流抑制回路はなしでも実用になると思います。

お礼

ご回答ありがとう御座います。
仰るとおり317・337を使ってレギュレーションします。
ただ、通常のホビーでの使用(LED光らせたり単純な音声回路作ったり)と違って実用になる電源を作りたい(といってもホビーで自宅でのレコーディングに使うのですが)と思い、そうするとリップルを出来るだけ減らしたいので気になったのです。
リップルを求めるソフトはこの書き込み後に発見したので大体の値を求めることは出来るようになったのですが、いったいオーディオにはどの程度必要なのか、見当が付きませんで・・・

下記にないたとおり8000μをぶら下げても大丈夫なようでしたらいいのですが、さすがにそれは・・・と思いまして。
宜しくお願いします。

回答No.1

noname#230359

毎度ＪＯです。
オーディオのアンプですか、こんな回路でしょうか？
http://www.mizunaga.jp/handbook/rectif08.gif
>>平滑コンデンサーはどの程度の容量を使用したらよいでしょうか
許容できるリップル電圧で決定されます。

>>突入電流に対する対策
突入電流防止は、パワーサーミスタを使用する以外の方式では、
トランスの一次側～コンデンサまでのどこかに抵抗器を直列接続し、突入電流終了を見計らって、この抵抗器をタイマーリレーなどで短絡します。

参考URL：

http://www.mizunaga.jp/handbook/rectif08.gif

お礼

お答えありがとう御座います。
そのような回路です。
ただ、この後にLM317・337入れる予定ですが。
317自体が最大80ｄBのリップルの圧縮度を持ってるので1/10000となるので許容リップルはどのくらいだろうと見てみると、SN比が80ｄBの機材が民生機よりであるくらいなので、少なくとも1V？0.5V?(←このあたりどの辺まで許容できるかが分からないのです。
私の計算が合っていれば、片側8000μ位の馬鹿でかいものを入れないとそれくらいにならないんですよね。

ところで私誤表記しておりました。
2回路のトランス使うので2Aでなく4Aです。

で、8000クラスの正負で1本ずつ入れたら16000マイクロとなり突入電流対策が必要になってくる気がしたわけです。