楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント 最小限必要なもの

電子工作に使う電源のいろいろ   (1-3)

こちらの記事で、5V電源として、スマホなどの充電アダプターを改造して使う紹介をしましたが、5Vだけでは物足りない場合もでてきますし、同時にいくつかの電源電圧を使う場面も出てきますので、いくつかの電源(電源ユニット)を持っていると使用できる範囲が広がるでしょう。

リチウム電池充電用アダプターを利用する

ここでは、私の手持ちの電源(電源ユニット)にそって見ていきます。

私がよく使っている電源は「可変直流安定化電源」

可変直流化電源装置

電子工作は、お金をかければキリがありませんが、色々実験を楽しみたい方は、このような可変の電源を購入しておくといいでしょう。

もちろん価格と性能は切り離せないので、予算があればいいものを買えばいいのですが、私は、最低限の費用で楽しみたいと考えているので、この程度の安価なものを自分で納得しながら使っているのですが、この安定化電源(STP3005D)は、中国製で、5千円ちょっとで買えますし、安価な割には結構良いので、重宝して使っています。

仕様は5A30Vで、電圧を可変して使う使い方がほとんどですが、「定電流電源」として電流の最大量を規制して使う使い方をすることもあって、そのような使い方が出来て重宝しています。

さらに、これの気に入っているところは、過電流が流れると冷却ファンが回り、その音で異常がわかるところです。

配線を「ショート」させたときなどの危険を知らせてくれるのですが、もちろんこれは変な話で、ショートさせることはいけないのですが、ケアレスミスで、しばしば「短絡」させることもあるので、これに助けられています。

少し予算に余裕があるようならば、持っておくと便利でしょう。

その他の電圧でも、結構よく使います

多くは、先に紹介した充電用アダプターを転用する 5V1A程度の「安定化電源] があれば、大抵のものでは問題ありませんが、しばしば、これとは別に、3-12Vの電源がほしいときがあります。 私の使っているものを紹介します。

交流用トランス

交流用トランス

6-12V(実効値)の交流トランス(TOYOZUMI HT-1205 : 700円程度)です。 

これに3Vタップがあれば最高・・・と思っていますが、これでもいろいろな用途に使えています。

電子工作では、交流をそのまま使うことはほとんどありませんが、1つあると便利です。

直流安定化電源

以前によく使われていたAC-DCアダプターは、ほとんどが非安定のアダプターでした。 ただ、その電圧を測って見ると、呼び電圧に比べてびっくりするほど高い電圧になっていて驚いたことがあります。

非安定のAC-DCアダプター

このような電圧であっても、これはこれで問題はないのですが、電子工作に使おうとすると、これではちょっと困ります。

そこで、回路のテストなどには、以下のような市販品を使っています。 

これは安定化電源のアダプターで、様々な電圧で使えて、安価で便利です。

安定電源の例

安定電源の詳細

この製品は、本体後ろのスイッチで6段階の電圧を切り替えるようになっており、電圧も安定しており、1Aまで使用できる仕様で、いろいろなDCジャックを付け替えるようになっているスグレモノです。

長期間使っており、2000円前後で購入した記憶なのですが、アマゾンの記事を見ると、いろいろなものがありますので、参考にしてください。 上の商品の最新の製品は2,738円で販売されています。 いろいろなタイプの製品が販売されています。

  → Amazonのマルチアダプターを見てみる

その他で使用できそうな電源としては、パソコンのUSBが5Vで安定した電圧で使えそうですが、実際には、工作中にショートさせることなどもあるので、独立の電源を使用するようにしましょう。

先に紹介したような「リチウム電池用の充電器」も「安定化電源」ですので、使わなくなったアダプター類は捨てないでとっておくと、いろいろな場面で使えます。

大きな電流で使いたい

1A電流でも結構大きな電流ですが、もっと大きな電流で使いたい場合もあると思います。 私は、下のようなアダプターやスイッチング電源ユニットを使っています。

その他の安定化電源

ただ、大電流で使うと、熱の問題がでた時の対処が難しいので、私はできるだけ大きな電流の工作はしないようにしています。

工作好きな方は、電源ユニットを作ってみましょう

このような、12V用電源として、三端子レギュレータを使って電源ユニットを自作しました。

自作した安定化電源

自作した電源回路図

写真のように、約16V の非安定のAC-DCアダプターに、12V用の三端子レギュレータ(78012AP)を取り付けただけのものですが、簡単に製作できるので、作ってみてはいかがでしょうか。

①はサージ除去用で、②③はリップル除去用です。

①の入力側0.1μFは、データシートでは0.33μFと書いてありましたが、手持ちがなく、0.1μFを使っている方が多いようですので0.1μFにしました。 できるだけ三端子レギュレータの近くに取り付けます。 ②③のコンデンサ容量については、他の方の回路でもまちまちでしたので、10-1000μF と値を変えてみて、オシロスコープで違いを見たのですが、見た目では大して違わなかったので、適当な値でこの値にきめました。(安価なオシロスコープですので、細かい違いが見えていないと思うのですが・・・)

ちなみに、AC-DCアダプター(入力側)のリップルは約4%で、この12V出力側のリップルは2.5%でしたので、これで結構良い状態・・・だと見ています。

安定した直流が得られました

【参考】三端子レギュレータを使った実験

三端子レギュレータについて勉強しながら、手元に少電力用の三端子レギュレータL78L05ACZ(5V100mA用)がありましたので、電源や整流などのいくつかの実験をしましたので、紹介しておきます。

三端子レギュレータを使った実験回路図

基本はこのような回路です。

それに、5Vの3端子レギュレータを使って、電圧ブースト(より高い電圧を出力する)の状態と、入力電圧と出力電圧の関係を見てみました。

GND端子をアースする手前にダイオードや抵抗を入れることで、5V用の三端子レギュレータで、若干高い電圧にすることができます。

三端子レギュレータの電圧ブースト回路の例

図の左はダイオードによるブーストで、ダイオードの数を増やすと、その順電圧に関係して出力電圧が上昇します。

図の右側はGND間に抵抗を入れると、抵抗を大きくすることで、やはり出力電圧が上昇します。

電圧ブースト回路の実測例

ここで重要なことですが、このグラフに見るように、目的電圧に対して、十分に高い電圧を三端子レギュレータに加えないと所定の電圧が出ないこともこのグラフからわかります。

・・・ということは、通常はこのような細工をして使用するよりも、様々なレギュレータがあるので、目標の電圧の3端子レギュレータを使うほうがいいでしょう。

ちなみに、L78L05ACZのデータシートではMax30Vまでの電圧を加えても5Vの出力になるのですが、入力電圧と出力電圧の差が大きいと発熱しますので、出力電圧が5V用のL78L05ACZでは、7-8V程度、12V用の素子では13-14Vのように、あまり高い電圧を加えないのがいいということになります。

ここでは紹介しませんが、「負電源」を使う場合があると思います。この場合は「不電源用のレギュレータ」を使用しなければなりません。

熱についての問題も検討が必要

上の実験では負荷をつながないで電圧を測定していますが、負荷をつないでそこに電流が流れるとレギュレータ内で発熱します。

今回使った三端子レギュレータ

このL78L05ACZは100mA用で、50mA程度の電流を流すと、手でさわれないくらいの温度(約50℃以上)になります。 

データシートでは、100℃程度までは出力が落ちないようですが、温度による変質などを考えると、50mA程度が限度と考えておくのが良さそうな感じです。

このレギュレータはバイポーラトランジスタのような形状で、78012のように放熱板に取り付けるタイプでないので、熱については気をつけておかなければなりません。

整流とリップル除去について

半波整流と全波整流回路

交流からトランスで変圧してダイオードで整流して使用する場合は、基本的には、平滑コンデンサで波をなめらかにして直流に近づけます。

今回実験してみると、半波整流の場合でもなめらかな直流になっていたのですが、が、自作する場合は全波整流するほうがなめらかな直流が得られるはずですので、それを基本にするのがいいでしょう。

ダイオードを使って整流した波形例

半波整流はダイオード1つ、全波整流はダイオードを4つ使ってえられます。それに平滑用のコンデンサをつなぐと下の写真のように波がなだらかになっていきます。

平滑コンデンサを変えた時の波形の様子

このように、小さな容量のコンデンサでも実用的な直流になったのですが、これには「落とし穴」が潜んでいることに注意しなければなりません。

通常の回路を見ると、数1000μF~1万μF以上の平滑コンデンサが使われているのが普通です。 これは、負荷に流れる電流などの影響で波形が乱れることを少なくする意味合いがあります。

負荷による影響を見るために使った回路

このような回路(半波整流回路ですが)で負荷抵抗値を変えて、流れる電流とリップル(波の乱れ)を測定してみると、次のように、流れる電流が増えてくると、リップル量が増えてきます。

図には平滑コンデンサを2000μFにした時の一部の値も入れていますが、コンデンサが大きくなるとその影響が小さくなっていることがわかります。

負荷電流とリップルの関係の実験結果

しばしば、「オーディオアンプなどでは、電源部を強力にする・・・」という表現が見られますが、できるだけ余裕を持った設計をしないといけないということです。

この場合のリップル10%というのは、HiFiオーディオでは良くない数字と言えるでしょう。少なくとも5%以下にしたいものですので、通常では、10000や20000μFという平滑用コンデンサが使われています。

さらに、次のグラフのように、負荷に流れる電流が増えると、出力電圧が下がってくるという問題も出てきます。

負荷に伴う出力低下を見た実験結果

これの対策として、三端子レギュレータが威力を発揮するということになります。

正負電源を簡単に作る

今回はパーツがないので実験しませんでしたが、半波倍電圧整流回路を使うことで、「プラスマイナスの両電源」を簡単に作ることができます。

下のような回路に三端子レギュレータをつければ、オペアンプのテスト用両電源になります。

半波倍電圧回路を使った正負電源を得る回路例

トランス2次側の電圧が6.7Vで、平滑コンデンサをつけない状態では、正電圧+2.99V、負電圧2.99Vで、1μF~1000μFのコンデンサを図のようにつなぐと、正電圧+9.2V程度、負電圧-9.2V程度になりました。

もっと高い電圧が必要ならば、目的の電圧用の三端子レギュレータ(正電圧用と負電圧用が必要)を使えばいいということになります。

正負電源用回路の試案

コンデンサ容量の影響などで、正負電圧に差が出る場合には、容量を変えるなどの工夫が必要になるかもしれませんが、興味ある方は作ってみてください。

以上です。参考になりそうな所があれば幸いです。

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(来歴)R3.3記事作成

電子工作記事の目次

最小限必要なことのおさらい(1-1)

最小限必要なことのおさらい(1-2)

電子工作に使う電源のいろいろ(1-3)

最小限 必要な準備をしましょう

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