絶縁型電源と非絶縁型電源: 確実で正しい選択

Zachariah Peterson
|  Created: March 9, 2018  |  Updated: August 5, 2020
電力供給

PCB設計者として働くうちには、規制機関の指示に従う必要がある場合もあります。医療、自動車、軍事、その他のいずれの分野でも、設計は必ず精査され、非常に厳しい規格に縛られます。通常、これらの規制を受ける場合、電源の絶縁(または非絶縁)は非常によく問題になります。 

電源の絶縁は、基本的には文字どおり、電力供給対象回路の残りの部分から電源を分離することです。電源の絶縁は、明白な理由からこれらの規制機関の間で、特に医療分野において一般的です。非絶縁型電源で医療用プリント基板に電力を供給すると、危険な電気ショックが電源を通して伝わるリスクが高まり、ユーザーに(おそらく患者にも)危害が及ぶ可能性があります。

絶縁型電源と非絶縁型電源についての理解(電圧低下が起こり得る場所、これらの電源を最適に動作させる方法)を深めることで、ユーザーに危害を与えずまた故障せず確実に動作する機器を滞りなく開発できるようになります。さあ、次の手術が行われる前にこれらの規制を十分に検討しましょう。 

絶縁型電源

繰り返しになりますが、絶縁型電源とは文字どおり、電力供給対象の回路の残りの部分から電気的に分離された電源です。これらの絶縁型電源の多くに対する「障壁」は、変圧器の使用によってもたらされます。 

変圧器は、本質的には非常に大きな磁石です。この磁石は通常、交流電流を入力として、下流の要件に応じて電圧を上げ下げすることを目的としています。絶縁の利点は、この磁石が文字どおり磁気を帯びた防護壁の働きをすることです。それにより、変圧器を通過しようとする大きなサージ電流が遮られます。そのため、変圧器の下流に接続されたものが保護、つまり「絶縁」されます。

前述のように、絶縁型電源は多くの場合、規制が厳しい業界で必要とされます。しかし、絶縁するために大きな磁石を使用するケースが大半であることから、スペースを確保する要件は難しくなります。ただし、多くの場合、使用時に感電の危険があるデバイスよりも大きくても絶縁されて安全なデバイスを選ぶでしょう。

これらの絶縁型電源を使用した場合のもう1つの注意事項は、効率という形で現れます。これらの変圧器は、非絶縁型電源ほどは効率的でないというだけではありません。この非効率性は、変圧器自体の物理特性に起因しています。鉄心を「手段」として使用すると、金属を通じて空気中に熱が放散されるため、エネルギーの一部が失われてしまうことに注意する必要があります。

電源変圧器
絶縁型電源では、通常、このような変圧器を使用します。

非絶縁型電源

基板から電源を絶縁する手段が明らかになりましたので、設計チェーンから変圧器を取り出すと絶縁型電源がただちに非絶縁型電源になることは、予想外ではありましたがかなり明白になりました。これらの電源は通常ICチップを使用して電力を安定化しています。

電源を絶縁しない基板設計は、特に規制機関の規制がない分野では一般的です。しかし、設計プロセスを通じてエンドユーザーを考慮することを強くお勧めします。電源の動作に異状をきたし、すぐには忘れられないほどの電気ショックを大切なお客様に与えることで引き起こされる裁判沙汰の1つや2つは減らせるかもしれません。

これらの非絶縁型電源の設計の利点は多々あります。何よりも、筐体内に大きな磁石を設置する必要がないため(絶縁型電源に比べて)空間的な余裕が増えます。[ご注意: アルティウムは、あらゆる変圧器に対応可能です。アルティウムはどのような形状とサイズの磁石にも対応します。]

過負荷回路
非絶縁型電源は、設計の間、常に感電の危険があります。

冗談はさておき、繰り返しになりますが大きく効率の悪い磁石を使用する必要がないため、電源の効率の向上からさらなる利益を得ることができます。これらの磁石は、最近は人気があるようには思えません。これらの非絶縁型ユニットの多くは95パーセントの効率を十分達成できます。

それらの非絶縁型電源を絶縁型電源(場合によっては互いに物理的に分離しています)の下流に配置することが一般的に行われていることは注目に値します。これは、やや複雑ではありますが、安全要件をクリアする適切な保護を実現できるという利点があります。この1つの例として、下流の少数の機器(非絶縁型)に電力を供給する独立した医療用電源(絶縁型)があります。

それで、結局どちらが適しているのでしょうか?

事実、恩恵、用途をご紹介しましたが、どちらのタイプがご自分の用途に適しているか分かりましたか?これは、おそらく少数の具体的な要因によって決まりますが、コインのどちらかの面を得るために多くの選択肢があることは明らかです。

絶縁型電源では、他で必要とされるスペースの多くを諦める必要があり効率もやや低下するが保護が可能になり、非絶縁型電源では空間的余裕と効率を得られるが保護をあきらめるという(潜在的な危険を伴う)代償を払う必要があるという事実は、選択すべきものを知識に基づいて判断するための十分な情報を提供します。

Altium Designerのような基板設計CADは、絶縁型/非絶縁型電源の設計と配線に非常に便利です。電流密度解析ツール、PDN Analyzerのような優れた機能を使用すると、設計のどの部分の電源分配も詳しく解析できます。

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Zachariah Petersonは、学界と産業界に広範な技術的経歴を持っています。PCB業界で働く前は、ポートランド州立大学で教鞭をとっていました。化学吸着ガスセンサーの研究で物理学修士号、ランダムレーザー理論と安定性に関する研究で応用物理学博士号を取得しました。科学研究の経歴は、ナノ粒子レーザー、電子および光電子半導体デバイス、環境システム、財務分析など多岐に渡っています。彼の研究成果は、いくつかの論文審査のある専門誌や会議議事録に掲載されています。また、さまざまな企業を対象に、PCB設計に関する技術系ブログ記事を何百も書いています。Zachariahは、PCB業界の他の企業と協力し、設計、および研究サービスを提供しています。IEEE Photonics Society、およびアメリカ物理学会の会員でもあります。

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