ACアダプタの選び方

スイッチングACアダプタ ・小型、軽量
・効率が良い(熱を持たない)
・入出力の変動に強い(安定)
・スイッチングノイズが発生する

非安定化ACアダプタ

・簡易的な方式
・入出力の変動に弱い
・用いる電源と機器の定格に注意
安定化ACアダプタ ・入出力の変動に強い(安定)
・リップルは少ない
・やや大型

それぞれ特長がありますので用いる機器に適した電源を選択することが重要です。

スイッチングACアダプタ

スイッチング方式は非安定化、安定化タイプと原理的に異なり、構成図を図6に示します。 AC100Vを整流、平滑したDCを「スイッチング回路」により断続(ON/OFF)します。 この出力を再び整流、平滑するとON/OFFに応じた平均値(DC)になります。
出力変動に対してはそれを検出し、スイッチング制御(電圧制御)を行って、常に一定となるように「フィードバック(自動制御)」を行います。 この方式には大きなトランスを用いる必要がなく、電源装置が小型になり、AC→DCへの変換効率も良いというのが特長の1つです。
なお、図6におけるトランスは数10KHz以上の高い周波数用なので、50Hz/60Hzと比べて小型、軽量です。

スイッチング方式構成例

スイッチング式ACアダプタを使いこなすコツ

1.スイッチングノイズ

スイッチング方式のACアダプタからはスイッチングノイズが発生します。デジタル回路などには影響が少ないですが、出力電圧に重畳する以外に電磁波として空間にも伝わります。後者の対策は困難で、AMラジオに受信障害を起こす場合もあります。極端な使い方をしない限りはオーディオで聞いてわかるようなあからさまなノイズを発生することは少ないですが、何となく音がすっきりしない場合や、音質が刺激的に感じる場合、近くのスイッチングACアダプターを停止することで改善することがあります。

2.リップル電圧

ごく小さい電圧のリップルを生じるものがあります。デジタル回路で問題となることはほとんどありませんが、マイコンのA/D変換回路など共通電源でアナログ回路を使う場合などで不具合を起こすことがあるので注意が必要です。
"間欠動作型"という制御回路を採用した製品では、出力電圧を監視し下限電圧を下回った時にスイッチング動作を開始し昇圧を始め、上限電圧を超えればスイッチングを停止するという動作の繰り返しで出力電圧を一定の幅に制御します。このため、下限値と上限値の間を上下するリップルが必然的に存在します。非安定化方式のリップルは出力に大きな値のフィルターコンデンサーを並列にすると振幅が小さくなりますが、間欠動作が原因のリップルは決まった上限電圧と下限電圧の間の上下なのでその振幅は変化しません(出力コンデンサーの増量で取り除くことができない。)リップルの周波数は負荷電流に依存し原理的に電流が小さいと上下の時間が長くなり可聴周波数以下になるためオーディオ回路では耳に聞こえるノイズの原因となる場合もあります。間欠動作のリップルを取り除くにはCだけでなくLとCまたはRとCで構成したフィルターか連続動作のレギュレータ回路を追加する必要があります。
※間欠動作型は出力15Wクラス以下の小型製品に採用例が多い。

3.フィルターコンデンサー(出力コンデンサー)の追加

ノイズの抑制やインピーダンスの低減のためにコンデンサーを出力に並列に入れます。充電初期は出力を短絡したのと同じになるのでコンデンサーの値が極端に大きいとアダプターの内蔵回路がダメージを受ける危険性があります。また、短絡保護回路内蔵の場合は起動不良となることがあります。 スイッチング型のレギュレータ回路では出力コンデンサーが大きいと回路が起動しないことがあります。もし、単体では正常に動作するACアダプターと負荷となるセットが、両者をつないだ時だけ電源が起動しないような場合はアダプターに直接並列になるコンデンサーの容量をチェックしてください。 出力コンデンサーの上限は明記されていませんが、参考例として同様にスイッチング型のレギュレータを採用した10W級のDC-DCコンバーターモジュールでの推奨値は100~220μF程度です。

4 スイッチング方式ACアダプタの製品例

スイッチングACアダプタ

スイッチングACアダプタ スイッチングACアダプタ
【STD-03320U2-T】スイッチングACアダプター3.3V/2A DC2.1mmプラグ 【ATS012T-W033U】ACアダプター 3.3V 2A (2.1mmプラグ) 【ATS018T-W050U】ACアダプター 5V 3A (2.1mmプラグ)
スイッチングACアダプタ

スイッチングACアダプタ

スイッチングACアダプタ

【ATS024T-W120U】ACアダプター 12V 2A 【STD-12016U-T】ACアダプター 12V 1.6A 【STD-03320U2-T】ACアダプター 3.3V 2A
スイッチングACアダプター 商品ページはこちら

グラフ3にスイッチング方式の出力特性例を示します。(Linkman STD-12010U2) この機種は12V/1Aの仕様ですが、負荷電流1.5Aまでは出力電圧が安定し、1.55A以上で「保護回路」が働いています。

負荷電流(A) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.4 1.5 1.55
出力電圧(V) 12.148 12.127 12.107 12.088 12.068 12.039 12.026 12.003 11.986 11.964 11.963 11.904 11.86 11.843 0.8

スイッチング方式

スイッチング方式は原理的に高速(数10KHz~数100KHz)でON/OFFしますので、これによる「スイッチングノイズ」が発生します。 波形1にスイッチングノイズの波形観測例を示します。 機器によっては、例えばAMラジオなどは、このノイズの影響を受ける場合があります。 つまり、スイッチング周波数が数10KHz~数100KHzですから、この周波数成分と数10倍までの周波数成分により影響を受ける場合があります。 オーディオ機器などは数10KHz以下の可聴周波数ですから、スイッチング方式でも影響はあまりありません。 なお、スイッチングノイズの大きさは電源の機種により異なります。

スイッチングノイズ波形例

非安定化ACアダプタ


非安定化式の特徴

ACライン周波数に同期したリップルを発生するが、それ以外のノイズは小さい。

スイッチング型のような高周波の輻射も無く出力フィルターの追加等の対策が容易でローノイズ化に向く。ローノイズの点でスイッチング型を上回り現在でも使われ続けている。このタイプを必要とするアナログ回路は独自にレギュレータ回路を備えることも多くその場合は非安定でも問題とならない。 非安定化ACアダプタは従来からある方式で、以下のブロックで構成されています。
1.トランス ・・・AC100Vを必要とするAC電圧に変換
2.整流 ・・・AC→DCに変換 (図1の場合は整流素子にダイオードを用いた「ブリッジ」回路)
3.平滑回路 ・・・整流のみでは完全なDCになっていません(脈流)。 これをコンデンサに用いてDCに変換

日安定化電源構成例

注意:b)とc)は同じポイントですが、bはコンデンサがない場合の波形
非安定化タイプは平滑回路によりDCに変換する簡単な構造ですから、図2のように負荷変動又は入力のACが変動すると、それに応じてDC出力電圧が変動(変化)してしまいます。

グラフに「出力9V/0.3A」の出力特性例を示します。 負荷電流を0~300mAまで変化したときの出力電圧を測定したもので、入力のAC電圧も90V、100V、110Vの3通りでデータをとっています。


負荷電流(mA) AC90V AC100V AC110V
0 12.6 12.84 14.04
50 9.88 11.12 12.31
100 9.02 10.28 11.4
150 8.35 9.6 10.65
200 7.73 8.99 10.02
250 7.2 8.42 9.42
300 6.7 7.9 8.84

この試料のACアダプタは「AC100V、出力200mA時に定格電圧の9V」になるようです。 例えばこのACアダプタを用いて、消費電力が50mAの軽い負荷(機器)に用いる場合、DC電圧はAC100V入力時に11.12Vです。
つまり、図3のように動作電圧9V機器に11.12Vを電源供給(接続)することになります。

定格電圧より大きな電圧が供給される

非安定化タイプは負荷により出力電圧が変化しますので、機器が必要とする消費電力とACアダプタの能力(電流容量)に注意する必要があります。 図3の例(機器の消費電力が50mA)の場合、用いるACアダプタは電流容量の少ないものが適切で、「電流容量は、大は小を兼ねることができない」ということです。

なぜ出力電圧が変動するか

原理的にAC100Vをトランスを用いて「変圧」していますので、AC100Vが変動すればそれに応じて整流回路に加わるAC電圧も変動(変化)し、平滑回路での電圧値も変動します。 負荷により出力電圧が変動する理由は図4の通りです。 脈動をDCに変換するためにコンデンサを用いて「充電、放電」を繰り返します。 この時、負荷電流(放電)の大きさにより1、2、3のように波(リップル)の大きさが異なります。 またトランス部の損失(電圧降下)、ダイオードの順電圧の変動により負荷の値が異なると、DC出力電圧が変動します。

負荷よる出力電圧の変動

安定化ACアダプタ

安定化タイプは図5のように平滑回路の後に「電圧安定化回路」を追加したものです。 DC出力電圧は安定化回路の入力電圧(平滑回路出力)より低い値となるようにしているため、AC100Vが変動しても影響を受けないようにしています。 また負荷変動に対しては、安定化回路のために影響をあまり受けません。

安定化電源構成例

安定化式の特徴

非安定化式の「ローノイズ」と、スイッチング式の「定電圧特性」を兼ね備える。二つの特長を簡単に享受できる。
安定性、ノイズ特性は内蔵回路次第なので1.に対策を施した方が勝ることもある。
グラフ2に安定化タイプ(定格9.5V/1A)の実測特性例を示します。 このデータはAC100V入力時で、負荷変動に対して良好であることが分かります。 なお、AC90V、AC110V時でも、AC110に対して特性差がありませんでしたので、データは省略します。 また、非安定化タイプは原理的に「リップル」が避けられませんが、安定化タイプはリップルが小さくなります。


負荷電流(A) 0 0.2 0.4 0.6 0.8

1

出力電圧(V) 9.61 9.56 9.51 9.46 9.41 9.29

安定化アダプタ

ACアダプタの「ノイズ」

一般的にACアダプタは以下のように3通りに分けられます。

スイッチングACアダプタ ・小型、軽量
・効率が良い(熱を持たない)
・入出力の変動に強い(安定)
・スイッチングノイズが発生する

非安定化ACアダプタ

・簡易的な方式
・入出力の変動に弱い
・用いる電源と機器の定格に注意
安定化ACアダプタ ・入出力の変動に強い(安定)
・リップルは少ない
・やや大型

それぞれの特徴を把握したうえで、機器に適したACアダプタを選択することが必要です。 ここでACアダプタの「ノイズ」に関して具体的な解説を行います。 単純なLED点灯などの用途では、電源からのノイズによる不具合はほとんどなく、どのようなACアダプタでも使えます。 しかし、相手側の機器によってはACアダプタからのノイズにより不具合が発生する場合があり、各ACアダプタで発生するノイズについて把握しておく必要があります。

主なノイズ成分

電源から発生するノイズは少ないことが望ましいのですが、ACアダプタの方式により、ノイズ成分が異なります。

トランス型非安定化ACアダプタ 原理的に「リップル」が主な成分。

トランス型安定化ACアダプタ

非安定化より「リップル」成分が少ない。
スイッチング方式ACアダプタ スイッチングノイズが主な成分。周波数と大きさは機種により異なる。

リップルとは

トランス式非安定化ACアダプタの原理図を図1に示します。
AC100Vをトランスにて変圧し、これをダイオードにより整流します。これを平滑回路により直流(DC)に変換しますが、この場合、充電、放電の波形が残り、この成分(波)を「リップル」と言います。
図1の整流回路はブリッジ方式なのでAC100Vが50Hzの地域ではその倍の周波数である100Hzがリップルの基本成分になります。 また、AC100Vが60Hzの地域では120Hzがリップル基本成分です。

トランス式非安定化ACアダプタ

リップル成分の大きさは負荷電流値により異なり、実際にオシロスコープで観測した波形を「波形1」に示します。 上のチャンネルはDC出力を観測したもので、リップルが直流に乗っているのが見えます。 下のチャンネルはその成分を拡大したもので、この例では100Hzの成分です。
トランス式安定化ACアダプタは非安定化の出力電圧を安定にしたもので、リップルは非安定化よりかなり小さくなります。
また、「波形2」にスイッチング方式ACアダプタのノイズ波形を示します。 この例ではノイズ成分は約25KHzですが、この周波数は機種により異なり、数10KHzの製品(機種)が多いようです。

ノイズ成分分析

トランス式の非安定化および安定化のノイズ成分は主に「リップル」、スイッチング方式は「スイッチングノイズ」が主なノイズ成分になり、 波形で観測すると波形1、波形2になりますが、この波形は歪んでいます。したがって、「高調波」が存在することになります。 そこで、実際の高調波成分を観測しました。 電源出力は一般的に負荷側にコンデンサを接続した場合、波形1、波形2のような成分は減衰(減少)します。 そこで、図2のように負荷は抵抗のみとし、純粋にノイズ成分が分かりやすい方法で観測することにしました。

ノイズ成分観測図

各種ACアダプタは同じ出力電圧とし、同じ負荷(つまり、同じ出力電流)での電圧をFFTアナライザにて周波数分析します。

FFTアナライザとは

観測結果の前に、FFTアナライザと観測波形の見方について説明します。 FFTアナライザとは「FFT演算」(Fast Fourier Transform : 高速フーリエ変換)により周波数分析を行う装置です。 最近のデジタルオシロスコープではFFT演算機能の付いた機種が多いですが、今回の観測は専用機(FFTアナライザ)で行っています。 例えば、「歪んだ波形」は基本成分(周波数)以外の高調波成分が存在し、図3のようにオシロスコープではどのような高調波成分があるかは分かりません。FFTによる解析では横軸が周波数になり、これにより周波数成分を観測することができます。
観測データは図4のように周波数の観測レンジを2KHzと100KHzの2とおりとし、低い成分と高い成分を観測することにします。

周波数分析

測定結果:帯域2KHzまで

トランス型非安定化ACアダプタ;波形3 リップルの基本波100Hz(-10.73dBV)が観測され、その高調波(100Hzの整数倍)も観測されます。

トランス型安定化ACアダプタ;波形4

リップル(100Hz)は非安定化と比べて小さく(-56.96dBV)、非安定化と比較して約1/200の大きさです。
スイッチング方式ACアダプタ;波形5 100Hzなどリップルは観測されませんが、この機種は1KHz近辺でレベルが少し盛り上がっています。

測定結果:帯域100KHzまで

トランス型非安定化ACアダプタ;波形6 高調波などのノイズは観測されず、きれいです。

トランス型安定化ACアダプタ;波形7

きれいですが、若干、ノイズの底が非安定化と比べて上がっています。
スイッチング方式ACアダプタ;波形8 約35KHzのスイッチング成分とその2倍の高調波が観測されます。実験に用いたこの機種はノイズレベルが多いと思います。また、この観測では帯域100KHzまでですが、高調波は100KHz以上でも存在すると思われます。

ノイズの特徴

トランス式非安定化と安定化ACアダプタ

原理的に低い周波数のリップルが主な成分で高い成分は多くありません。 非安定化ACアダプタの場合、リップルが多いとラジオまたはオーディオアンプの電源として用いた場合、「ブーン」というような音として聴こえる場合があります。
リップルは負荷側(機器)にて容量の大きいケミコンを接続すれば低減(改善)させることは可能です。 ちなみに、筆者の手元にあるラジオとヘッドホンアンプの電源に非安定化ACアダプタを用い、問題無く動作しています。 安定化タイプは入出力電圧の変動を抑え、さらにリップルを低減(改善)したタイプで、負荷側で特にリップル低減を行なう必要はあまりないと思います。

スイッチング方式ACアダプタ

低い周波数領域では特に目立ったノイズはありません。 数10KHz以上の領域でのスイッチングノイズが主な成分で、この周波数とノイズレベルは機種により異なります。 (簡単に言いますと、性能の良いものと悪いものがあるということです) 波形3~8は純粋にACアダプタ単体のノイズを分析する目的で抵抗負荷のみとしましたが、抵抗負荷にバイパスコンデンサを追加した場合の波形を波形9~11に示します。

波形9は一般品のケミコン470μFを追加した場合で、ノイズレベルが1/3に低下し、さらに低ESRのケミコン470μFを追加した場合、1/10になっています。(波形10)
波形11はノイズの少ない機種(スイッチングACアダプタ)に低ESRのケミコンを追加した場合で、ノイズ成分が分かりません。 比較の意味で縦軸の電圧範囲を同じにして観測していますが、波形11で用いたスイッチングACアダプタでも電圧範囲の感度を上げると、スイッチングノイズは観測できます。
ここで重要なことはスイッチングノイズはゼロにはならないことと、その高調波も存在するということです。 例えば、AMラジオなどは、このようなノイズの影響を受けやすく、スイッチングACアダプタは適していません。 具体的には、「ピ~」などのノイズがラジオから聞こえてしまいます このように、AMラジオなどはスイッチングノイズとその高調波が混入する周波数関係になっているので、不具合が生じます。 ヘッドホンアンプなどの場合では、可聴周波数範囲外であれば特に問題となることはないと思います。

非安定化ACアダプタのリップル改善

非安定化ACアダプタでリップルが無視できないような場合、リップルを改善した実験例を紹介します。 図5のように非安定化ACアダプタ出力を3端子レギュレータにより電圧を安定化させ、さらにリップルの低減を行なおうというものです。
用いるレギュレータは固定出力でも良いのですが電圧可変ですと便利ですので、パーツまめ知識「パーツ」「半導体」「No.25可変3端子レギュレータの使い方」で製作したものを用いました。 非安定化ACアダプタは手持ちの関係でVSM-1561を用いています。ただし、このACアダプタは出力極性が「センターマイナス」なのでコネクタ極性には注意が必要です。
また、レギュレータ部は12V出力も得られるように回路定数等を変更しています。

3端子レギュレータを用いる

波形12,13に3端子レギュレータを通した後の波形を示します。 100Hzのリップルはかなり小さく、帯域100KHzにおいても良好な特性です。 このような良好な特性となった理由は3端子レギュレータを用いたことと、ACアダプタの電流容量を大きくし、ACアダプタ側から見た負荷を軽くしたことです。

まとめ

各方式のACアダプタのノイズ成分はそれぞれ異なります。(図6) ノイズ成分によっては影響を受ける機器がありますので、用途に合ったACアダプタを選ぶことが必要です。

主なノイズ分布

トランス式非安定化と安定化ACアダプタ

100Hz(または120Hz)などのリップル成分が問題となる機器で注意が必要。

スイッチングACアダプタ

スイッチング周波数とその高調波が混入する周波数関係の機器で注意が必要。 例えば、AMラジオなどの電源には適さない。



Page Top