スイッチング・レギュレータ
May 1, 2017.
スイッチング・レギュレータとは、家庭用の50Hzないしは60Hzの交流100Vを一旦高い周波数の方形波で発振させてから整流するために非常に効率が良くなっている＝小型化できる、「変圧整流ユニット」とでも言うべき代物です。方形波に変換してから取り扱うのがこの方式のミソで、まるでスイッチを入れたり切ったりしたような波形となります。そのために「スイッチング」の名前で呼ばれます。現在ではそれ程特殊なものではなくて、ラジカセのACアダプターにもスイッチング電源式のものがありますが、これなどはスイッチング・レギュレータそのものです。
パワーパックなどのような普通の直流電源は家庭用の50Hzないしは60Hzの交流100Vをトランスで降圧・昇圧してから整流して、目的の直流電力を得る構造です。回路構成としてはトランス＋整流器、と言う形が一般的です。実はこれだと周波数の低い正弦波をそのまま取り扱うので、余り効率が宜しいとは言いにくいからです。
スイッチング・レギュレータも機能としてはトランス＋整流器と言うモノですから、これをそっくりそのまま、単純に置き換えてしまうことも可能です。と言うか、元来がスイッチング・レギュレータとはトランス＋整流器の組み合わせを高効率に置き換えるためのものです。
新電元製スイッチング・レギュレータ。これは普通に業務用？などとして販売されている、機器組み込み用の品物です。
家電製品に使用されているスイッチング・レギュレータの例。これ、実はブラウンの髭剃り用のACアダプターですが、中身はスイッチング・レギュレータ方式になっています。こんな小さくても1A程度の容量があります。
スイッチング・レギュレータ方式の特徴はなんと言っても効率が良いと言う点ですが、実は少々落とし穴もあります。確かに高効率で小型軽量の電源が出来上がるのですが、何分にも回路が複雑で部品点数が多いので、小容量のものだとトランス＋整流器の従来方式に比べると余り小型化ができません。
大雑把ですが2A辺りが境界線だと思います。最近は技術の進歩の結果1A程度のものでしたらこのブラウンの髭剃り用のACアダプターが使えます。この髭剃り用のACアダプターの出力をレールに繋げば、普通の鉄道模型の車輛は全く問題なく走ってくれます。然しながら、2Aを超えるようなACアダプターでこのブラウン製のACアダプターと大差無いような小型のものは、余り見かけた記憶がありません。
それでは3Aではどうでしょうか。恐らくはトランス＋ダイオードの組み合わせと大差無い程度の体積となるでしょう。4A用、5A用など、3Aを超えるような出力のパワーパックでしたら、スイッチング・レギュレータを使った方が大きさの点でも重さの点でも有利になるでしょう。
また、この種の電子回路はプリント基盤上に作るのが一般的ですが、板状の物体の上に部品を並べて行く関係上、体積は小さくて済んでも面積は小さくなりません。当たり前ですが、部品点数も多いですから絶対的な故障確率も低くなる訳はありません。もっとも、日本製のスイッチング・レギュレータは非常に優秀なので簡単に故障したりなんかしないので心配には及ばないと言ってしまえばそれまでの話ではありますが、、、。
スイッチング・レギュレータの容量
一般にスイッチング・レギュレータの容量はW単位で表示されます。例えば10W型、25W型、50W型、75W型、100W型、150W型、と言うように表示されます。実は、この辺りの考え方はトランスと変わりません。上述のブラウン製のACアダプターはこのような規則的な数字にはなりませんが、それは、このACアダプターは汎用市販品ではなくて、髭剃り機器専用として設計されているからです。
上述のように、かなり規則的な容量が決まっていて、次にそれぞれの容量の中で電圧と電流の組み合わせが決まって行く訳です。例えば50W型で出力電圧が12Vであれば最大出力電流は4.2Aですが、同じ50W型であっても出力電圧が24Vだったら2.1A、出力電圧が15Vであれば出力電流はざっと3A、と言うような組み合わせがあるわけです。
勿論、一般に市販されている品物である以上はありとあらゆる組み合わせが存在する訳ではなくて、或る程度決まりきった組み合わせとなります。この辺りは電圧主導で決まって行き、それも一緒に使用する他の電子部品との兼ね合いがありますから、50W型で出力4V／12.5A、50W型で出力11V／4.5A、などと言う奇抜な数値のものは普通には存在しません。出力電圧は5V、12V、24V、なんて辺りが一般的で、それに引き続いて15V、3.3V、48V、6V、なんてものが現れてきます。
そのような訳ですから「鉄道模型用に12Vのものは無いかな？」と思って探すと10W型なら約0.8A、25W型なら約2A、50W型なら約4.2Aと言った組み合わせの品物が存在します。これ以外の組み合わせは規格化されていないので「12Vで3Aのパワーパックが欲しいから、36W型を買おう」と思ってもそのような数値のものは普通には市販されていません。トランスであれば36W型は普通に存在しますが、スイッチング・レギュレータの世界では異端中の異端です。このような場合は電流が余る分には別に困る訳でもないので直近上位のもので妥協することになりますから「50W型で手を打っておこう」と言うことになります。