電源回路の基礎をやさしく解説｜交流/直流/インバータ/コンバータ/レギュレータ
電子回路は、電源があって初めて動作します。
今回は、最も基本的な事項である電源回路の基礎について、初心者向けにわかりやすく解説します。
現代の社会インフラは電気に大きく依存しており、停電時には多くの機器が停止します。また、電気自動車はもとより、ガソリン車もバッテリーを搭載しているため、電気が不可欠であることは間違いありません。
このように、私たちの身の回りの機器や社会を支えているのが電源であり、その仕組みを理解することは電子回路を学ぶうえでの第一歩となります。
１．電気の基礎
まず、電気がどのように作られるかを見ていきます。
最近では、太陽光発電もありますし、身近な例では、電池も化学エネルギーを電気エネルギーに変換して電気を供給しています。
しかし、一般に、電気は発電所で作られます。発電所には、水力、火力、原子力などがありますが、基本原理は同じで、機械エネルギー（回転エネルギー）を電気エネルギーに変換する発電機を用いて発電しています。
発電機の原理
発電機は、学校で習った「フレミング右手の法則」で示される電磁誘導の原理を利用して発電しています。
フレミング右手の法則は、磁界中で導体が運動して起電力が生じる電磁誘導において、磁界・導体の運動・起電力（または電流）の方向の関係を示すものです。
図1は、交流発電機の基本原理を示す概略図です。
【図1 発電機の原理】
図1において、磁石が赤の矢印の方向に回転すると、コイルを通る磁束が変化し、コイルに起電力が生じます。N極が遠ざかると、コイルを通る磁束が減少し、その変化に応じて起電力の向きや大きさも変化します。
しばらくするとS極が通過し、再び起電力が生じます。このときは磁束の向きが反対になるため、電流の向きも反対になります。
このようにして電流の方向が周期的に入れ替わる交流が発生します。これが交流発電機の基本原理です。
発電所で作られた電気が家庭のコンセントに届くまでのルートは、次のようになります。
［発電所（数kV～数十kV）⇒ 送電線（数十万V） ⇒ 変電所 ⇒ 配電線（数千～数万V） ⇒ 柱上変圧器 ⇒ コンセント（100V）］
発電された電気は、家庭に届くまでにさまざまな設備を経由していることがわかります。
２．電源の基礎知識
「電源」とは？
「電源」とは、言葉通りの意味としては、電気エネルギーを供給するもとを指します。例えば、発電所や電池がこれに当たります。
また、コンセントから得られる電力を電気機器を動作させるために、使いやすい電力として供給する装置や回路のことも電源といいます。
この記事では、主に後者の意味での電源について解説します。
交流電源と直流電源
電源の種類を大別すると、「交流電源」と「直流電源」になります。
交流電源には、一般家庭用のAC100V・50/60Hzや、工場で用いられるAC200Vの単相・三相電源などがあります。
直流電源の例としては、電池やバッテリーなど身近なものがあります。
商用電源であれば、小さな電力から大きな電力まで自由に利用できます。日本の一般家庭で用いられる商用電源は、主に交流（AC）100Vです。
交流は、時間とともに電圧の大きさと電流の方向が周期的に変化します。
交流の場合、1秒間に繰り返される同一波形の数を「周波数」といい、単位はヘルツ（Hz）です。
日本の商用電源の周波数は、静岡県の富士川を境にして東側が50Hz、西側が60Hzとなっています。
一方、産業機器や民生機器に使われる電子回路の多くは、直流（DC）で動作します。
中には、モーター機器や白熱電球など、交流電圧でそのまま駆動するものもありますが、最近はモーターとスイッチだけといったような単純な機器はほとんどなく、何らかの電子制御回路が搭載されています。多くの場合、これらの電子制御回路は直流電圧で動作しています。
そこで交流を直流に直して、電子回路に適した電圧と電流を供給する装置として、直流電源回路が必要になります。
図2に電源回路の出力による分類を示します。
【図2 電源回路の分類（出力での分類）】
図2のように、電源回路は出力で見ると大きく2種類に分けられます。
一般的に、直流から交流に変換する回路を「インバータ」、電圧や電流の形態を変換する回路全般を「コンバータ」と呼びます。コンバータには、AC/DCやDC/DCなどの種類があります。
３．インバータとは？
直流を単相交流または三相交流に変換する回路を「インバータ」(Inverter)と呼びます。
インバータがもっとも使われているのがモーター制御の分野です。
オン／オフのような単純な制御に比べて、モーターを駆動する交流の周波数を変えて回転をきめ細かく制御することで省エネなどになるからです。
インバータは、さらに電圧型インバータと電流型インバータに分かれます。
インバータの多くは電圧型で、さまざまな制御方式があります。
４．コンバータとは？
ある直流電圧を別の直流電圧に変換する回路や、交流を直流に変換する回路を「コンバータ」(Converter)と呼びます。
前者を「DC/DCコンバータ」、後者を「AC/DCコンバータ」と呼びます。（「DC-DC」「AC-DC」と表記されることもあります。）
DC/DCコンバータは、直流電源をある回路が必要とする直流電圧に昇圧したり降圧したりするもので、電子機器や家電製品などの多くの機器に搭載されています。
［※関連記事：DC-DCコンバータとは何か？動作原理・役割・応用をわかりやすく解説 ］
AC/DCコンバータは、例えば、ノートパソコンやスマートフォンの充電に使われるACアダプタです。AC/DCコンバータは、回路構成として見ると、交流を直流に変換する整流回路とDC/DCコンバータを組み合わせたものと考えることができます。
したがって、家庭用コンセントから電源をとる家電製品の多くは、まずAC/DCコンバータで直流に変換し、その後DC/DCコンバータで必要な電圧に変換しています。
５．リニアレギュレータ
リニアレギュレータは、「シャントレギュレータ」と「シリーズレギュレータ」に分類されます。
（1）シャントレギュレータ
「シャントレギュレータ」は、負荷と並列に制御回路を入れる方式です。
図3は、シャントレギュレータの動作を示す図です。
【図3 シャントレギュレータ】
図3において、制御回路に流れる電流Icと、負荷に流れる電流Irの合計電流が抵抗に流れ、抵抗を通った後の電圧を一定にします。
電源に対する負荷を一定にすることで、電源電圧を安定化します。
このため、無負荷時にも最大負荷時と同じだけ回路電流が流れ、電源回路としての効率は悪くなります。
（2）シリーズレギュレータ
「シリーズレギュレータ」は、入力と出力の間に直列に制御回路を入れる方式で、出力電圧をモニターしながら出力電圧が一定になるように制御を行います。
図4は、シリーズレギュレータの動作を示す図です。
【図4 シリーズレギュレータ】
図4に示すように、シリーズレギュレータでは制御素子（実際にはトランジスタやMOSFET）が可変抵抗のように動作し、出力電圧を一定に保ちます。
このとき、入力電圧と出力電圧の差に相当する電力が制御素子で消費されるため、その分が損失となって熱として放出されます。
６．スイッチングレギュレータ
スイッチングレギュレータは、入力電圧をスイッチ素子（パワーMOSFETなどのパワーデバイス）でオン／オフしてパルス状の電圧を作り、出力段で平滑化して所望の出力電圧を得る電源回路です。
オン時間とオフ時間の比率（デューティ比）を変化させるPWM制御により出力電圧を制御します。
図5は、スイッチングレギュレータの構成と動作原理を示す図です。
【図5（a）スイッチングレギュレータの構成】
図5（a）は、スイッチングレギュレータの構成を示す図で、入力電圧をパワーMOSFETなどのパワーデバイスでオン／オフさせています。出力段でコンデンサなどで平滑化して出力電圧を得ています。
制御回路は出力電圧を検出し、目標の電圧になるようにオン／オフ期間を調整しています。
【図5（b）スイッチングレギュレータの動作】
図5（b）は、パルスの様子と平滑後の電圧の様子を示しています。
オン時間が短いと出力電圧は低くなり、オン時間が長いと出力電圧は高くなります。
このようにして様々な電圧を得ることができます。
また、スイッチングレギュレータは、入力電圧と出力電圧の関係だけに着目すると、次のように3種類に分類されます。
（1）降圧型
入力電圧よりも出力電圧が低い電源回路で、スイッチングレギュレータとして一般的です。
図5（a）の回路形式が降圧型です。
（2）昇圧型
入力側にインダクタを置いて、スイッチ素子がオンのときにエネルギーをコイルに蓄えておき、スイッチ素子がオフのときにコイルからエネルギーを放出させることで、入力電圧よりも高い出力電圧を得る電源回路です。
高電圧を必要とする液晶パネルやLEDの駆動用として使われています。
図6は、昇圧型のスイッチングレギュレータの構成と動作原理を示す図です。
【図6 昇圧型スイッチングレギュレータ】
図6において、スイッチがオンの時は、赤色の矢印のように電流が流れ、コイルにエネルギーが蓄積されます。
スイッチがオフになると青色の矢印のように電流が流れ、コイルに蓄えられたエネルギーが入力電圧に上乗せされる形になり、昇圧の形になります。
（3）昇降圧型
降圧動作と昇圧動作のいずれにも対応した電源回路で、主に入力電圧が大きく変動するような用途に用いられます。
図7は、昇降圧型のスイッチングレギュレータの構成を示す図です。
【図7 昇降圧型スイッチングレギュレータ】
昇圧型スイッチングレギュレータにコンデンサとコイルを追加した形になっています。
昇降圧型は、回路構成により入力電圧より高い電圧にも低い電圧にも変換できるのが特徴です。入力電圧の変動が大きい用途で有効です。追加されたコイルとコンデンサは、エネルギーの受け渡しを安定させる役割を担っています。
図2で示したように、DC/DCコンバータには、リニアレギュレータとスイッチングレギュレータの2種類がありますが、用途によって使い分けが必要です。
図8は、両者の特徴を比較した表です。
【図8 リニアレギュレータとスイッチングレギュレータ】
図8のように、リニアレギュレータとスイッチングレギュレータには、特徴の違いがあります。
最近は、安価で高性能なスイッチングレギュレータICが増えており、採用例も多くなっていますが、ノイズの影響を受けたくないオーディオアンプなどには、リニアレギュレータが使用されています。
（日本アイアール株式会社 特許調査部 E・N)
